近日，中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)發(fā)布《2021年上半年全國(guó)電力供需形勢(shì)分析預(yù)測(cè)報(bào)告》，《報(bào)告》顯示，截至6月底，全國(guó)全口徑發(fā)電裝機(jī)容量22.6億千瓦，包含2021年上半年新增發(fā)電裝機(jī)容量5187萬(wàn)千瓦。全國(guó)全口徑非化石能源發(fā)電裝機(jī)容量已達(dá)10.2億千瓦，接近總量的50%！中國(guó)電力企業(yè)聯(lián)合會(huì)還預(yù)測(cè)，2021年底非化石能源發(fā)電裝機(jī)規(guī)模及比重將有望首次超過(guò)煤電，發(fā)展勢(shì)頭依舊強(qiáng)勁。

到2020年底，中國(guó)風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)2.8153億千瓦，預(yù)計(jì)21年底達(dá)到3.3億千瓦，增加約5000萬(wàn)千瓦風(fēng)電新裝機(jī)，占據(jù)了今年新增發(fā)電裝機(jī)容量的大頭。風(fēng)電葉片作為風(fēng)機(jī)重要的部件，為滿足未來(lái)日益增長(zhǎng)的裝機(jī)需求，引入新工藝，致力于減少用料成本和時(shí)間成本，是行業(yè)研究的重心。

相比傳統(tǒng)的葉片制造工藝，美國(guó)早已開(kāi)始考慮應(yīng)用增材制造技術(shù)在風(fēng)電葉片中，從而實(shí)現(xiàn)快速、低成本的葉片模具或葉片組件的開(kāi)發(fā)，這可能是下一代風(fēng)電葉片中最具創(chuàng)新力的支持解決方案。2017年，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室就領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)類似項(xiàng)目，該項(xiàng)目研制出了一個(gè)50英尺長(zhǎng)的八片復(fù)合材料葉片模具。同樣在當(dāng)年，美國(guó)國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室開(kāi)設(shè)了復(fù)合材料制造教育和技術(shù)設(shè)施，并與高級(jí)復(fù)合材料制造創(chuàng)新研究所和其他合作伙伴合作開(kāi)展研究活動(dòng)，開(kāi)發(fā)了用于風(fēng)電葉片制造的3D打印分段工具。

2021年1月，緬因州大學(xué)高級(jí)結(jié)構(gòu)和復(fù)合材料中心(The University of Maine's Advanced Structures and Composites Center，以下簡(jiǎn)稱UMASCC)宣布，他們正在參與一個(gè)由美國(guó)能源部高級(jí)制造辦公室資助的280萬(wàn)美元的項(xiàng)目。該項(xiàng)目旨在應(yīng)用復(fù)合材料增材制造技術(shù)，開(kāi)發(fā)下一代風(fēng)電葉片。該項(xiàng)目又被分為兩個(gè)部分，一部分是研發(fā)更快、更利于可持續(xù)發(fā)展的葉片模具，另一部分是研發(fā)高性能、應(yīng)用增材制造技術(shù)造出的葉片組件。

生物基樹(shù)脂3D打印的模具

UMASCC在該項(xiàng)目的合作伙伴包括橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室，TPI復(fù)合材料，西門(mén)子歌美颯，英格索爾機(jī)床和TechmerPM公司。在未來(lái)兩年中，UMASCC及其合作伙伴將具體致力于開(kāi)發(fā)3D打印的17米長(zhǎng)模具段，這些模具段是為灌注成型120米長(zhǎng)的葉片而制造的。開(kāi)發(fā)人員將分別打印兩套模具段，因此研究還包括開(kāi)發(fā)組裝兩套模具的方法。該模具段將在UMASCC的大型3D打印機(jī)上打印，每小時(shí)可打印多達(dá)150磅的材料。其他合作伙伴則提供材料相關(guān)知識(shí)以及風(fēng)電葉片制造和設(shè)計(jì)的專業(yè)知識(shí)。橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室還提供了專門(mén)開(kāi)發(fā)的3D打印加熱元件，這些元件將自動(dòng)沉積在模具中，控制模具表面的溫度。

將在UMASCC使用生物基復(fù)合材料生產(chǎn)的長(zhǎng)17米的3D打印風(fēng)電葉片模具段

該項(xiàng)目預(yù)計(jì)能縮短6個(gè)月的葉片制造和上市時(shí)間，降低25-50%的葉片成本。UMASCC的創(chuàng)始執(zhí)行董事達(dá)格爾博士預(yù)計(jì)，他們能夠在未來(lái)兩年內(nèi)開(kāi)始使用原型葉片組件。除此之外，UMASCC也在致力于進(jìn)一步開(kāi)發(fā)和使用100%可回收、木質(zhì)纖維強(qiáng)化的生物基熱塑性聚合物。據(jù)說(shuō)，這種材料不僅能滿足所需的機(jī)械特性，其價(jià)格也比碳纖維強(qiáng)化ABS熱塑性原料低很多（大批量購(gòu)買低于每磅2美元，而碳纖維/ABS為每磅5美元）。達(dá)格爾博士強(qiáng)調(diào)，該項(xiàng)目的最終目標(biāo)是應(yīng)用3D打印直接生產(chǎn)葉片的某些組件，模具的使用也將大幅減少。

3D打印的葉片尖

除了模具之外，UMASCC及其合作伙伴針對(duì)3D打印復(fù)合材料葉片尖也在進(jìn)行多項(xiàng)研究。

Orbital復(fù)合材料公司，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和UMASCC等人的團(tuán)隊(duì)還通過(guò)使用現(xiàn)場(chǎng)集裝箱式3D打印機(jī)器人來(lái)解決制造和運(yùn)輸日益大型風(fēng)葉片的難題

今年早些時(shí)候，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室宣布正在領(lǐng)導(dǎo)一個(gè)由美國(guó)能源部資助的，與UMASCC和Orbital復(fù)合材料公司的400萬(wàn)美元項(xiàng)目。該項(xiàng)目使用了Orbital復(fù)合材料公司的集裝箱式3D打印機(jī)器人進(jìn)行風(fēng)電葉片組件的現(xiàn)場(chǎng)打印。

為了解決大型葉片（通常超過(guò)100米長(zhǎng)）的陸上和海上運(yùn)輸問(wèn)題，Orbital復(fù)合材料公司推出了他們的移動(dòng)機(jī)器人平臺(tái)。相比傳統(tǒng)的葉片制造流程，該平臺(tái)完美緩解了充滿挑戰(zhàn)的運(yùn)輸難題，也減少人力的介入。最終，新葉片設(shè)計(jì)的交貨周期可以縮短50%以上。

無(wú)論是通過(guò)新型模具灌注出的葉片，還是通過(guò)3D打印直接制造的葉片組件，都將通過(guò)UMASCC組建的海上風(fēng)電實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行檢測(cè)。實(shí)驗(yàn)室會(huì)測(cè)試它們的葉片強(qiáng)度和疲勞老化情況，以及它們防雷擊的性能。

此外，通用電氣調(diào)查業(yè)務(wù)部、通用電器可再生能源公司和LM風(fēng)能公司聯(lián)合，與美國(guó)國(guó)防部在全球范圍內(nèi)展開(kāi)合作，宣布了設(shè)計(jì)和制造的3D打印葉片尖的項(xiàng)目，橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室作為通用電氣的合作伙伴，也應(yīng)征入伍。其研發(fā)重點(diǎn)是降低強(qiáng)化熱塑性塑料的成本。通用電氣表示，該項(xiàng)目通過(guò)降低制造成本，提高了供應(yīng)鏈的靈活性；通過(guò)使用更多可回收材料制成的重量更輕的葉片，提高陸上和海上風(fēng)能的商業(yè)化競(jìng)爭(zhēng)力。設(shè)計(jì)周期時(shí)間也能大幅縮短，屆時(shí)風(fēng)電場(chǎng)可以更有效地產(chǎn)生能源，從而降低風(fēng)能的平準(zhǔn)化度電成本。

在未來(lái)兩年中，通用電氣與橡樹(shù)嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室和國(guó)家可再生能源實(shí)驗(yàn)室合作，使用纖維強(qiáng)化熱塑性復(fù)合材料，應(yīng)用增材制造技術(shù)制造葉片尖

國(guó)際目前主流葉片制造工藝主要有手糊成型、模壓成型、預(yù)浸料成型、拉擠成型、纖維纏繞、樹(shù)脂傳遞模塑以及真空灌注成型等，增材制造技術(shù)的出現(xiàn)勢(shì)必會(huì)撼動(dòng)這些傳統(tǒng)的工藝。但相比與傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)備，應(yīng)用增材制造技術(shù)的設(shè)備往往有著較高的自動(dòng)化水平、且更加智能化，對(duì)企業(yè)的制造水平要求較高。這就需要制造業(yè)企業(yè)不僅要充分調(diào)研部署增材制造技術(shù)的可能性，還要在部署適合自己的設(shè)備和技術(shù)的前，不斷思索如何實(shí)現(xiàn)更大程度的自動(dòng)化。

本文由中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)綜編，文章觀點(diǎn)不代表本會(huì)立場(chǎng)。本文不用于商業(yè)目的，僅供行業(yè)人士交流。轉(zhuǎn)載請(qǐng)注明來(lái)自中國(guó)復(fù)合材料工業(yè)協(xié)會(huì)。