NREL исследует новый подход к производству лопастей ветряных турбин нового поколения

Группа исследователей из Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL, Голден, Колорадо, США), возглавляемая старшим инженером по ветроэнергетике Дереком Берри, продолжает совершенствовать свои новые методы производства передовых лопастей ветряных турбин, используя комбинацию перерабатываемых термопластов и аддитивное производство (AM). Этот прогресс стал возможным благодаря финансированию Управления перспективного производства Министерства энергетики США - награды, призванные стимулировать технологические инновации, повысить энергоэффективность производства в США и позволить производить передовые продукты.

Сегодня большинство лопастей ветряных турбин имеют одинаковую конструкцию грейфера:две обшивки лопастей из стекловолокна скреплены вместе с помощью клея и используют один или несколько композитных компонентов жесткости, называемых срезными перемычками, процесс, оптимизированный для повышения эффективности за последние 25 лет. Однако, чтобы сделать лопасти ветряных турбин более легкими, длинными, менее дорогими и более эффективными для улавливания энергии ветра - улучшения, имеющие решающее значение для сокращения выбросов парниковых газов, отчасти за счет увеличения производства энергии ветра - исследователи должны полностью переосмыслить традиционную грейферную раму, которая является основная цель команды NREL.

Для начала команда NREL сосредоточила внимание на матричном материале из смолы. Текущие разработки основаны на системах термореактивных смол, таких как эпоксидные смолы, полиэфиры и виниловые эфиры, полимеры, которые после отверждения сшиваются, как ежевика.

«Как только вы изготовите лезвие с системой термореактивной смолы, вы не сможете полностью изменить процесс», - говорит Берри. «Это [также] затрудняет переработку лезвия».

Работая с Институтом инноваций в области производства передовых композитов (IACMI, Ноксвилл, штат Теннеси, США) в Центре обучения и технологии производства композитов (CoMET) NREL, многопрофильная группа разработала системы, в которых используются термопласты, которые, в отличие от термореактивных материалов, могут быть нагревается для отделения исходных полимеров, что обеспечивает возможность вторичной переработки по окончании срока службы (EOL).

Детали лезвия из термопласта также могут быть соединены с помощью процесса термической сварки, который может устранить необходимость в клеях - часто тяжелых и дорогих материалах - что еще больше повысит возможность повторного использования лезвия.

«С двумя лопастями из термопласта у вас есть возможность соединить их вместе и, под воздействием тепла и давления, соединить», - говорит Берри. «Этого нельзя сделать с термореактивными материалами».

Двигаясь вперед, NREL вместе с партнерами по проекту TPI Composites (Скоттсдейл, Аризона, США), Additive Engineering Solutions (Акрон, Огайо, США), Ingersoll Machine Tools (Рокфорд, Иллинойс, США), Университет Вандербильта (Ноксвилл) и IACMI , разработает инновационную структуру сердечника лопастей, чтобы обеспечить рентабельное производство высокопроизводительных, очень длинных лопастей - более 100 метров в длину - с относительно небольшим весом.

Исследовательская группа заявляет, что с помощью 3D-печати можно создавать конструкции, необходимые для модернизации турбинных лопаток, с высокотехнологичными сетчатыми структурными сердечниками различной плотности и геометрии между структурными оболочками лопаток турбины. Кожа лезвия будет пропитана системой термопластической смолы.

Если им это удастся, команда снизит вес и стоимость лопаток турбины на 10% (или более), а время производственного цикла как минимум на 15%.

Помимо основной награды AMO FOA за конструкции лопастей ветряных турбин из термопласта AM, в двух субгрантных проектах будут также изучены передовые технологии производства ветряных турбин. Государственный университет Колорадо (Форт-Коллинз) вместе с Owens Corning (Толедо, Огайо, США), NREL, Arkema Inc. (Король Пруссы, США) возглавляет проект, в котором также используется 3D-печать для создания армированных волокном композитов для новых структур внутренних ветровых лопастей. Пенсильвания, США) и Vestas Blades America (Брайтон, Колорадо, США) в качестве партнеров. Второй проект, возглавляемый GE Research (Нискайуна, Нью-Йорк, США), получил название AMERICA:Additive and Modular-Enabled Rotor Blades and Integrated Composites Assembly. Сотрудниками GE Research являются Национальная лаборатория Ок-Ридж (ORNL, Ок-Ридж, Теннесси, США), NREL, LM Wind Power (Колдинг, Дания) и GE Renewable Energy (Париж, Франция).