近日，中國電力企業(yè)聯(lián)合會發(fā)布《2021年上半年全國電力供需形勢分析預測報告》，《報告》顯示，截至6月底，全國全口徑發(fā)電裝機容量22.6億千瓦，包含2021年上半年新增發(fā)電裝機容量5187萬千瓦。全國全口徑非化石能源發(fā)電裝機容量已達10.2億千瓦，接近總量的50%！中國電力企業(yè)聯(lián)合會還預測，2021年底非化石能源發(fā)電裝機規(guī)模及比重將有望首次超過煤電，發(fā)展勢頭依舊強勁。

到2020年底，中國風電累計并網裝機2.8153億千瓦，預計21年底達到3.3億千瓦，增加約5000萬千瓦風電新裝機，占據(jù)了今年新增發(fā)電裝機容量的大頭。風電葉片作為風機重要的部件，為滿足未來日益增長的裝機需求，引入新工藝，致力于減少用料成本和時間成本，是行業(yè)研究的重心。

相比傳統(tǒng)的葉片制造工藝，美國早已開始考慮應用增材制造技術在風電葉片中，從而實現(xiàn)快速、低成本的葉片模具或葉片組件的開發(fā)，這可能是下一代風電葉片中最具創(chuàng)新力的支持解決方案。2017年，橡樹嶺國家實驗室就領導了一個類似項目，該項目研制出了一個50英尺長的八片復合材料葉片模具。同樣在當年，美國國家可再生能源實驗室開設了復合材料制造教育和技術設施，并與高級復合材料制造創(chuàng)新研究所和其他合作伙伴合作開展研究活動，開發(fā)了用于風電葉片制造的3D打印分段工具。

2021年1月，緬因州大學高級結構和復合材料中心(The University of Maine's Advanced Structures and Composites Center，以下簡稱UMASCC)宣布，他們正在參與一個由美國能源部高級制造辦公室資助的280萬美元的項目。該項目旨在應用復合材料增材制造技術，開發(fā)下一代風電葉片。該項目又被分為兩個部分，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、應用增材制造技術造出的葉片組件。

生物基樹脂3D打印的模具

UMASCC在該項目的合作伙伴包括橡樹嶺國家實驗室，TPI復合材料，西門子歌美颯，英格索爾機床和TechmerPM公司。在未來兩年中，UMASCC及其合作伙伴將具體致力于開發(fā)3D打印的17米長模具段，這些模具段是為灌注成型120米長的葉片而制造的。開發(fā)人員將分別打印兩套模具段，因此研究還包括開發(fā)組裝兩套模具的方法。該模具段將在UMASCC的大型3D打印機上打印，每小時可打印多達150磅的材料。其他合作伙伴則提供材料相關知識以及風電葉片制造和設計的專業(yè)知識。橡樹嶺國家實驗室還提供了專門開發(fā)的3D打印加熱元件，這些元件將自動沉積在模具中，控制模具表面的溫度。

將在UMASCC使用生物基復合材料生產的長17米的3D打印風電葉片模具段

該項目預計能縮短6個月的葉片制造和上市時間，降低25-50%的葉片成本。UMASCC的創(chuàng)始執(zhí)行董事達格爾博士預計，他們能夠在未來兩年內開始使用原型葉片組件。除此之外，UMASCC也在致力于進一步開發(fā)和使用100%可回收、木質纖維強化的生物基熱塑性聚合物。據(jù)說，這種材料不僅能滿足所需的機械特性，其價格也比碳纖維強化ABS熱塑性原料低很多（大批量購買低于每磅2美元，而碳纖維/ABS為每磅5美元）。達格爾博士強調，該項目的最終目標是應用3D打印直接生產葉片的某些組件，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3D打印復合材料葉片尖也在進行多項研究。

Orbital復合材料公司，橡樹嶺國家實驗室和UMASCC等人的團隊還通過使用現(xiàn)場集裝箱式3D打印機器人來解決制造和運輸日益大型風葉片的難題

今年早些時候，橡樹嶺國家實驗室宣布正在領導一個由美國能源部資助的，與UMASCC和Orbital復合材料公司的400萬美元項目。該項目使用了Orbital復合材料公司的集裝箱式3D打印機器人進行風電葉片組件的現(xiàn)場打印。

為了解決大型葉片（通常超過100米長）的陸上和海上運輸問題，Orbital復合材料公司推出了他們的移動機器人平臺。相比傳統(tǒng)的葉片制造流程，該平臺完美緩解了充滿挑戰(zhàn)的運輸難題，也減少人力的介入。最終，新葉片設計的交貨周期可以縮短50%以上。

無論是通過新型模具灌注出的葉片，還是通過3D打印直接制造的葉片組件，都將通過UMASCC組建的海上風電實驗室進行檢測。實驗室會測試它們的葉片強度和疲勞老化情況，以及它們防雷擊的性能。

此外，通用電氣調查業(yè)務部、通用電器可再生能源公司和LM風能公司聯(lián)合，與美國國防部在全球范圍內展開合作，宣布了設計和制造的3D打印葉片尖的項目，橡樹嶺國家實驗室和國家可再生能源實驗室作為通用電氣的合作伙伴，也應征入伍。其研發(fā)重點是降低強化熱塑性塑料的成本。通用電氣表示，該項目通過降低制造成本，提高了供應鏈的靈活性；通過使用更多可回收材料制成的重量更輕的葉片，提高陸上和海上風能的商業(yè)化競爭力。設計周期時間也能大幅縮短，屆時風電場可以更有效地產生能源，從而降低風能的平準化度電成本。

在未來兩年中，通用電氣與橡樹嶺國家實驗室和國家可再生能源實驗室合作，使用纖維強化熱塑性復合材料，應用增材制造技術制造葉片尖

國際目前主流葉片制造工藝主要有手糊成型、模壓成型、預浸料成型、拉擠成型、纖維纏繞、樹脂傳遞模塑以及真空灌注成型等，增材制造技術的出現(xiàn)勢必會撼動這些傳統(tǒng)的工藝。但相比與傳統(tǒng)的機械設備，應用增材制造技術的設備往往有著較高的自動化水平、且更加智能化，對企業(yè)的制造水平要求較高。這就需要制造業(yè)企業(yè)不僅要充分調研部署增材制造技術的可能性，還要在部署適合自己的設備和技術的前，不斷思索如何實現(xiàn)更大程度的自動化。

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