弗吉尼亚理工大学开发一种偏远地区3D打印可持续风力发电机叶片的方案

南极熊导读：根据美国地质调查局的数据，风机叶片平均46分钟产生的电力足以为美国家庭提供整整一个月的电力。美国现有风机超过70800台，在数量上已超过水力发电，成为最大的可再生能源生产商之一。

△研究人员Chris Williams和Michael Bortner在3D打印风力涡轮叶片技术领域取得了重大进展

2024年5月13日，南极熊获悉，弗吉尼亚理工大学的研究人员正在利用3D打印技术来改进风力涡轮机的生产。该项目的重点是采用增材制造技术，用一种新型、可回收的热塑性材料制造风力涡轮机叶片。这种方法有望彻底改变风力涡轮机的生产方式，并解决与当前制造方法相关的若干环境和物流挑战。

△Alex Ryan（左）和 Cameron Jordan（右）在弗吉尼亚理工大学与Chris Williams一起工作，他解释了大型多轴机械臂3D打印机在制作风机叶片方面的优势

3D打印为清洁能源发电带来的改变

美国能源部提供了200万美元（约合1400万人民币）的资助，这笔资金是一项耗资7200万美元（约合5.2亿人民币）的广泛计划的一部分，旨在改进风能技术的制造工艺，并为风能利用开发可持续的解决方案。

传统上，风力涡轮机叶片是在专门设施中使用大型模具制造的，然后通过半挂卡车运到安装地点（通常是偏远地区）。这一过程不仅涉及广泛的规划和物流挑战，而且由于所用材料的不可回收性，还会对环境造成严重影响。

研究团队旨在通过开发一种在风力发电场现场3D打印风力涡轮机叶片的方法来解决这些问题。这种方法采用机器人控制的打印工艺，能够打印出大型物体，包括比打印机本身还要大的涡轮叶片。该工艺采用了Bortner及其团队开发的一种新型聚合物复合材料，这种材料完全可回收利用，并具有用于叶片制造的传统玻璃纤维增强复合材料的必要特性。

预计这种创新方法将大大减少风力涡轮机建造过程中的浪费，并消除有害物质的使用。新材料的可回收性意味着，一旦涡轮叶片的生命周期结束或损坏，它们就可以被分解、再加工，并重新印制成新的叶片。这不仅增强了材料的可持续性，还大大减少了叶片生产和处置所需的能源和资源。

△Tadeusz Kosaml（左）和 Isaac Rogers（右）分析机器人3D打印的多轴运动路径

跨学科合作

该项目还充分利用了弗吉尼亚理工大学航空航天与海洋工程系Kevin T. Crofton的专业知识，利用该校的风洞来评估打印叶片的空气动力学特性。这种跨学科合作还延伸到了美国国家可再生能源实验室（NREL）和TPI复合材料公司，后者提供了行业洞察力和测试能力，以确保该项目的研究成果具有行业相关性和可扩展性。

增材制造系统设计、研究和教育（DREAMS）实验室主任Chris Williams强调，该项目是新技术和材料研究的融合。通过将独特的设计优化技术与机器人打印和新型材料使用相结合，该团队有望改变风力涡轮机叶片的生产方式，使其更具可持续性、成本效益和现场制造适应性。