风力涡轮机叶片得到可持续升级

根据美国地质调查局的数据，风力涡轮机平均在 46 分钟内产生的电力足以为美国一个家庭供电一整个月。随着70,800多台涡轮机分散在全国各地，风力发电现已超过水力发电，成为最大的可再生能源生产国。

在能源部的200万美元资助下，弗吉尼亚理工大学的研究人员正在开创性地使这种可持续能源更具可持续性。这笔赠款是一项7200万美元计划的一部分，该计划旨在创新风能技术的制造工艺，并为利用风能创造可持续的解决方案。弗吉尼亚理工大学的研究团队将使用增材制造、计算设计和可回收的高强度热塑性材料的新方法。

机械工程系的L.S.伦道夫教授克里斯·威廉姆斯（Chris Williams）与化学工程系的迈克尔·博特纳（Michael Bortner）副教授一起领导该项目。博士后研究员约瑟夫·库巴拉克（Joseph Kubalak）和来自机械工程、化学工程和高分子创新研究所的研究生研究人员将加入他们的行列。该项目将使用弗吉尼亚理工大学的稳定性风洞在Kevin T. Crofton航空航天与海洋工程系研究副教授Aurelien Borgoltz和研究助理教授Nanyaporn Intaratep的帮助下评估打印的涡轮叶片。

“虽然风力涡轮机产生的能量是绿色的，但它们的材料是不可回收的，会产生大量的废物，叶片制造非常艰巨，”威廉姆斯说。“我们拟议的项目旨在大幅减少浪费，完全消除所有有害物质，并实现完全可回收的风力涡轮机的3D打印。

为了实现这一目标，增材制造系统设计、研究和教育（DREAMS）实验室主任威廉姆斯表示，该项目需要融合三个关键创新：

• 使用DREAMS实验室创造的新技术自动打印大型物体
• 利用独特的设计优化技术，以最坚固、最有效的方式增强材料的打印方式
• 采用Bortner及其团队提供的新型聚合物复合材料，该材料完全可回收，但具有众所周知的玻璃纤维增强复合材料的特性

面向未来的环境改善

目前，风力涡轮机叶片是在场外生产设施中使用大型模具制造的，需要较长的交货时间。一旦这些叶片被制造出来，他们就会通过半卡车长途跋涉到通常偏远的目的地。根据 Utility Drive 的说法，可能需要多达 10 次负载和一年的计划才能重新安置这些大约 200 英尺的能源发电机。该团队的新打印技术有朝一日可以提供一种在安装现场附近生产大型涡轮叶片的方法，从而消除运输中的挑战。

“目前，全世界都非常重视可再生能源和可再生资源的实施，”大分子创新研究所副所长Bortner说。“我专注于材料研究方面，加上Chris Williams在增材制造工艺方面的工作，我们能够合作解决这些复杂的问题，并将它们转化为全面的风力涡轮机叶片组件。”

在设计风力涡轮机叶片时，建筑中使用的材料对整体性能和耐用性起着至关重要的作用。随着风力涡轮机叶片尺寸的增大以利用更多能量，这一点变得越来越重要。虽然目前的刀片是由一些可回收材料制成的，但它们并不完全可回收。这种新工艺将消除制造过程中有害物质的使用，使其可重复使用。

“我们有一种新颖的材料设计，当通过3D打印加工时，不仅会产生传统上用于制造风力涡轮机叶片的特性，而且还是完全可回收的，”Bortner说。“因此，如果刀片损坏或达到使用寿命，我们可以将它们分解，重新加工，然后再次3D打印成新的刀片。

“在过去的几年里，我们看到能源成本飙升，”博特纳说。“我们需要开始确定更实用的方法来利用可再生能源，以及更便宜的方法。通过确定降低能源成本的技术，这种成本节约最终将渗透到普通消费者身上。

这一过程是通过该团队在3D打印方面的新创新实现的，该创新允许在现场打印比打印机本身更大的大型物体，例如风力涡轮机叶片。

跨学科合作

风力涡轮机叶片大小的项目可以从一些帮助中受益。幸运的是，研究团队正在与风能行业的多个团体合作，以使该项目取得成功。

与美国国家可再生能源实验室 （NREL） 和 TPI Composites 合作是朝着在美国各地的风电场现场生产风力涡轮机叶片的最终目标迈出的关键一步。弗吉尼亚理工大学的稳定风洞将使用校园内的风洞对打印的风力涡轮机叶片进行气动声学测量。

“与行业的合作使我们能够在风力涡轮机叶片设计、制造、测试和表征方面获得世界一流的专业知识，”威廉姆斯说。“NREL和TPI Composites正在帮助我们探索如何将我们的研究转化为他们的设施，并将有助于在他们的大型机器人增材制造平台上评估和测试我们的材料和优化的机器人打印工具路径。我们的目标是确保我们汇集的跨学科专业知识具有行业相关性。

对于威廉姆斯来说，跨学科的合作是很自然的，可以创造新的技术和材料。

“这个项目说明了弗吉尼亚理工大学的核心优势，”威廉姆斯说。“我们正在将跨学科的专业知识汇集在一起，这是这所大学独有的。我们与国家实验室和行业合作伙伴的合作增加了背景专业知识，并为行业相关性和未来技术转型提供了指导。这一切都是以推进可持续发展的名义进行的，这与弗吉尼亚理工大学的愿景完全一致，即成为为我们的社区、英联邦和世界服务的气候行动的领导者。