美国国家可再生能源实验室利用金属增材制造技术生产潮汐涡轮机翼梁

海洋能源将水流和潮汐等自然现象的动能转化为清洁能源，为当地沿海社区提供电力，在可再生能源行业中前景广阔。美国能源效率和可再生能源办公室的数据显示，2019 年海洋能源资源将占美国发电总量的57%，海洋能源潜力巨大，美国正在进行许多旨在推进开发的创新项目这种可再生资源。



2024年5月，美国国家可再生能源实验室 (NREL) 的研究人员与太平洋西北国家实验室合作，共同研究如何利用增材制造来增强海洋能源技术，特别关注潮汐发电，即利用涡轮技术将潮汐水中的能量转化为可以使用的电力。

过去两年，该项目一直在测试和分析潮汐涡轮机翼梁开发和生产中的各种材料及打印技术。涡轮翼梁是涡轮组件内的承载部件，用于将涡轮叶片固定到位。该部件不仅必须能够支撑涡轮机结构，还必须能够承受海洋环境的腐蚀。经过评估，研究人员发现热塑性 3D 打印不适合这种特定应用，生产潮汐涡轮机翼梁的最佳选择是不锈钢材料和激光金属沉积技术。


△左起：NREL 研究人员 Miguel González-Montijo 和 Paul Murdy

NREL 机械工程师兼海洋能源增材制造首席研究员 Paul Murdy 表示：“增材制造有潜力生产出非常坚固、坚硬的结构，这将有利于海洋能源。”

NREL 团队正在开发适用于现有的潮汐涡轮系统的 3D 打印涡轮机翼梁，可以促进水产养殖和微电网等各种蓝色经济部门的新型海洋能源设备的快速原型设计，从而为沿海社区提供电力。未来，这还将使沿海城镇和社区更容易通过本地打印部件来更换海洋能源系统中磨损的部件，从而减少对供应链的依赖。

设计该部件的 NREL 研究人员 Miguel González-Montijo 表示：“对于特定地区的特定社区来说，海洋能源可能会改变游戏规则。例如，我的家乡波多黎各可以受益于升级后的能源网，该电网融合了海洋流体动力能源等可再生能源技术。这些技术可以帮助许多小城镇建立能源弹性和独立性，同时提供本地来源的可再生电力。”


△潮汐涡轮机翼梁正在使用液压执行器进行测试

目前，3D 打印的潮汐涡轮机翼梁正在 NREL 的设施中接受疲劳测试和 1,900 磅的负载测试（比在海洋环境中预计承受的负载高出 50%）。这一迭代的涡轮翼梁使用Ai Build 的机器人系统和不锈钢材料进行 3D 打印，打印过程需要约一周时间。Miguel González-Montijo表示：“结构验证可以确保翼梁能够按照模型预测的方式对现实生活中的力做出响应，使我们了解新型增材制造工艺与传统钢铁制造技术的不同之处。”

此次测试标志着研究工作已进行到最后阶段。测试完成后，NREL 研究人员将继续开发和微调 3D 打印涡轮翼梁的设计，并探索增材制造在海洋能源中的其他潜在应用。