NREL инновирует устойчивое производство лопастей ветряков с аддитивным производством

Команда исследователей Национальной лаборатории возобновляемой энергии (NREL, Голден, Колорадо, США), возглавляемая старшим инженером ветровых технологий NREL Дереком Берри, продолжает продвигать свои новаторские техники производства передовых лопастей ветряков, развивая их комбинацию перерабатываемых термопластов и аддитивного производства (AM). Прогресс стал возможен благодаря финансированию от офиса передовых производств Министерства энергетики США — наградам, предназначенным для стимулирования технологических инноваций, улучшения энергопроизводительности американского производства и позволения производства передовой продукции.

Сегодня большинство промышленных лопастей ветряков имеют тот же раковиноподобный дизайн: две стекловолокнистые оболочки лопасти склеиваются клеем и используют один или несколько композитных жесткостных компонентов, называемых веб-сдвига, процесс, оптимизированный за последние 25 лет. Однако, чтобы сделать лопасти ветряков легче, длиннее, дешевле и более эффективными в захвате ветровой энергии — улучшения, критические для цели сокращения парниковых газов جزئным увеличением ветровой энергии — исследователям нужно полностью переосмыслить обычную раковину, что является основным фокусом команды NREL.

Для начала команда NREL фокусируется на материале смольной матрицы. Текущие дизайны полагаются на термореактивные смольные системы вроде эпоксидов, полиэстеров и винилэфиров, полимеры, которые, после отвердевания, перекрестно-связываются как колючки.

«Когда вы производите лопасть с термореактивной смольной системой, вы не можете обратить процесс», — говорит Берри. «Это [также] делает лопасть сложной для переработки».

Работая с Институтом инноваций в производстве передовых композитов (IACMI, Ноксвилл, Теннесси, США) в объекте NREL Composites Manufacturing Education and Technology (CoMET), межинституциональная команда разработала системы, использующие термопласты, которые, в отличие от термореактивных материалов, могут быть нагряты для разделения исходных полимеров, обеспечивая перерабатываемость в конце жизни (EOL).

Детали лопастей из термопластов также могут быть соединены термической сваркой, которая может устранить необходимость в клеях — часто тяжелых и дорогих материалах — дополнительно повышая перерабатываемость лопастей.

«С двумя термопластиковыми компонентами лопасти у вас есть способность соединить их вместе и, через приложение тепла и давления, сваркивать их», — говорит Берри. «Вы не можете сделать это с термореактивными материалами».

Двигаясь вперед, NREL вместе с партнерами проекта TPI Composites (Скоттсдейл, Аризона, США), Additive Engineering Solutions (Акрон, Огайо, США), Ingersoll Machine Tools (Рокфорд, Иллинойс, США), Вандербильтский университет (Ноксвилл) и IACMI, разработает инновационные структуры ядра лопасти для позволения стоимоэффективного производства высокопроизводительных очень длинных лопастей — значительно более 100 метров в длину — которые относительно легки.

Используя 3D-печать, исследовательская команда говорит, что может производить виды дизайнов, необходимых для модернизации лопастей турбин с высокоинженерными, чистовой формы структурными ядрами переменных плотностей и геометрий между структурными оболочками лопасти турбины. Оболочки лопасти будут инфузированы с использованием термопластиковой смольной системы.

Если у них получится, команда снизит вес и стоимость лопасти турбины на 10% (или больше) и производственный цикл как минимум на 15%.

Помимо основного гранта AMO FOA на AM термопластиковые структуры лопастей ветряков, два субгрантовых проекта также изучат передовые техники производства ветряков. Университет штата Колорадо (Форт Коллинс) ведет проект, который также использует 3D-печать для изготовления волокнисто-армированных композитов для новых внутренних структур лопастей ветряков, с Owens Corning (Толедо, Огайо, США), NREL, Arkema Inc. (Кинг оф Прусса, Пенсильвания, США) и Vestas Blades America (Брайтон, Колорадо, США) как партнерами. Второй проект, возглавляемый GE Research (Нискайуна, Нью-Йорк, США), назван AMERICA: Additive and Modular-Enabled Rotor Blades and Integrated Composites Assembly. Партнерами GE Research являются Oak Ridge National Laboratory (ORNL, Оук Ридж, Теннесси, США), NREL, LM Wind Power (Колдинг, Дания) и GE Renewable Energy (Париж, Франция).