风力涡轮机叶片获得可持续升级
根据地质调查局的数据，风力涡轮机平均在 46 分钟内产生的电力足以为家庭提供整整一个月的电力。全国有超过 70,800 台涡轮机，风力发电现已超过水力发电，成为最大的可再生能源生产商。
弗吉尼亚理工大学的研究人员获得了能源部200 万美元的资助，正在开创性地使这种可持续能源变得更加可持续。这笔赠款是一项价值 7200 万美元的计划的一部分，该计划旨在创新风技术的制造工艺并创建利用风能的可持续解决方案。弗吉尼亚理工大学的研究团队将使用增材制造、计算设计和可回收的高强度热塑性材料的新方法。
机械工程系LS Randolph 教授Chris Williams与化学工程系 副教授Michael Bortner共同领导该项目。他们将由博士后研究员Joseph Kubalak以及来自机械工程、化学工程和高分子创新研究所的研究生研究人员加入 。该项目将在凯文·T·克罗夫顿航空航天与海洋工程系的研究副教授 Aurelien Borgoltz 和研究助理教授 Nanyaporn Intaratep 的帮助下，使用弗吉尼亚理工大学的稳定性风洞来评估打印的涡轮叶片。
威廉姆斯说：“虽然风力涡轮机产生的能源是绿色的，但其制造材料不可回收，会产生大量废物，而且叶片制造相当艰巨。” “我们提出的项目旨在大幅减少浪费，完全消除所有有害材料，并实现完全可回收风力涡轮机的 3D 打印。”
为了实现这一目标，增材制造系统设计、研究和教育 (DREAMS) 实验室主任威廉姆斯表示，该项目需要融合三项关键创新：
使用 DREAMS 实验室创建的新技术自动打印大型物体
利用独特的设计优化技术，以尽可能最强大、最高效的方式增强材料的打印方式
采用 Bortner 及其团队提供的新型聚合物复合材料，该材料完全可回收，但具有众所周知的玻璃纤维增强复合材料的特性
未来的环境改善
目前，风力涡轮机叶片是在场外生产设施使用大型模具制造的，需要较长的交货时间。一旦这些叶片制造完成，它们就会通过半挂卡车进行漫长而昂贵的旅程，到达通常偏远的目的地。据Utility Drive称，重新安置这些大约 200 英尺的发电机可能需要多达 10 个负载和一年的规划。该团队的新打印技术有一天可以提供一种在安装地点附近生产大型涡轮叶片的方法，从而消除运输中的挑战。
“目前世界各地都非常重视可再生能源和可再生资源的实施，”高分子创新研究所副所长博特纳说。 “凭借我对材料研究方面的关注，再加上 Chris Williams 在增材制造工艺方面的工作，我们能够合作并解决这些复杂的问题，并将它们转变为全尺寸的风力涡轮机叶片组件。”
在设计风力涡轮机叶片时，结构中使用的材料对于整体性能和耐用性起着至关重要的作用。随着风力涡轮机叶片尺寸不断增大以利用更多能量，这一点变得越来越重要。虽然当前的刀片是由一些可回收材料制成的，但它们并不是完全可回收的。这一新工艺将消除制造过程中有害材料的使用，使其可重复使用。
“我们拥有一种新颖的材料设计，通过 3D 打印进行加工后，不仅可以产生传统上用于制造风力涡轮机叶片的特性，而且还可以完全回收利用，”Bortner 说道。 “因此，如果刀片损坏或达到使用寿命，我们可以将它们分解、重新加工，然后再次 3D 打印成新刀片。”
“在过去的几年里，我们看到能源成本飙升，”博特纳说。 “我们需要开始寻找更实用的方法来利用可再生能源以及更便宜的方法。通过确定降低能源成本的技术，节省的成本最终将惠及普通消费者。”
这一过程是通过该团队在 3D 打印方面的新创新实现的，该创新允许现场打印比打印机本身更大的大型物体，例如风力涡轮机叶片。
跨学科合作
像风力涡轮机叶片这样的项目可能需要一些帮助。幸运的是，研究团队正在与风能行业的多个团体合作，以确保该项目取得成功。
与国家可再生能源实验室 (NREL)和TPI Composites合作是实现在各地风电场现场生产风力涡轮机叶片这一最终目标的关键一步。弗吉尼亚理工大学的稳定性风洞将利用校园内的风洞对打印的风力涡轮机叶片进行气动声学测量。
“与行业的合作使我们能够获得风力涡轮机叶片设计、制造、测试和表征方面的世界一流的专业知识，”威廉姆斯说。 “NREL 和 TPI Composites 正在帮助我们探索如何将我们的研究成果转化为他们的设施，并将帮助在他们的大型机器人增材制造平台上评估和测试我们的材料和优化的机器人打印工具路径。目标是确保我们汇集的跨学科专业知识具有行业相关性。”
对于威廉姆斯来说，跨多个学科的合作对于创造新技术和新材料来说是很自然的事情。
“这个项目体现了弗吉尼亚理工大学的核心优势，”威廉姆斯说。 “我们正在通过这所大学独有的合作方式汇集跨学科专业知识。我们与国家实验室和行业合作伙伴的合作增加了背景专业知识以及实现行业相关性和未来技术转型的指导路径。这一切都是为了推进可持续发展，这与弗吉尼亚理工大学的愿景完全一致，即成为气候行动的领导者，为我们的社区、联邦和世界服务。”