3D 打印叶片尖端提高风力发电效率

桑迪亚国家实验室与 Wetzel Wind Energy Services 和 Stratasys Direct Inc. 合作，设计了一种创新的涡轮机叶尖，可以显著提高风能生产的效率。这种新设计是增材制造系统集成尖端 （AMSIT） 项目的一部分，该项目旨在将先进技术集成到风力涡轮机组件中，最终降低风力涡轮机产生的电力成本。

涡轮叶片设计的新方法

AMSIT 项目由美国能源部先进材料和制造技术办公室资助，旨在解决涡轮叶片制造目前面临的多项挑战。这些挑战包括手动复合纤维环氧树脂工艺的问题、导致叶片缺陷、侵蚀损坏的质量控制问题，以及与运输大型叶片相关的高成本和复杂性。

该项目的关键创新是使用 3D 打印来创建模块化的刀尖。AMSIT 项目的首席研究员 Brent Houchens 解释说：“3D 打印通过集成技术提供了解决所有这些问题的途径。我们考虑了增加升力的小翼，减少流分离的表面纹理，以及改进前缘侵蚀保护和防雷保护的功能。

这种 3D 打印的叶尖专为具有 13 米叶片的 200 千瓦级涡轮机而设计，可替代约 15% 的传统叶尖。新设计通过逆风翼梢小翼和表面纹理改善了空气动力学性能，同时还结合了针对侵蚀和闪电的综合保护。该设计的模块化特性允许更轻松、更快速地更换损坏的针头，例如被雷击的针头，从而可能减少停机时间和维护成本。

对风能成本的影响

AMSIT 项目的主要目标之一是在风力涡轮机的整个生命周期内降低平准化度电成本 （LCOE）。初步模型表明，在风速低于 10 米/秒时，新的叶尖设计可以将 LCOE 平均降低 3%-4%。这种降低是在不改变涡轮机的最大额定功率的情况下实现的，从而允许在现有机器上测试 AMSIT 叶片。

3D 打印在涡轮叶片制造中的集成也为探索使用传统方法难以生产的复杂几何形状开辟了新的可能性。随着 3D 打印技术的进步和成本效益的提高，预计 AMSIT 等设计的 LCOE 将继续下降。

测试和实地考察

为了确保 3D 打印材料的耐用性，AMSIT 研究人员进行了实验室测试，以模拟叶尖上的雷击。这些测试包括直接撞击模拟防雷系统、远离系统的表面撞击以及没有任何保护的撞击。这些测试的结果将为叶片尖端的进一步开发和优化提供信息。

该团队还使用激光扫描将 3D 打印的尖端与现有叶片精确匹配。叶片的外壳被拆下以连接新的尖端和小翼，然后进行地面结构测试。这些组件将在德克萨斯州拉伯克的 Sandia Scaled Wind Farm Technology 站点进行进一步测试，并将在那里进行现场演示。

据 Brent Houchens 称，AMSIT 项目展示了 3D 打印如何提高风能性能并降低风能成本。“AMSIT 项目展示了通过 3D 打印集成技术如何通过提高空气动力学性能和降低维修成本来降低风能成本，”他说。项目完成后，修改后的叶片根和短线将可用于测试其他新颖的叶片尖端设计，为风力涡轮机技术的未来创新铺平道路。