Съдържание:

Мислене вътре в острието: 3D-отпечатаните прототипи за водна мощност на NREL
Мислене вътре в острието: 3D-отпечатаните прототипи за водна мощност на NREL
Видео: Мислене вътре в острието: 3D-отпечатаните прототипи за водна мощност на NREL
Видео: NREL преобразует энергию 2023, Февруари
Anonim

Докато трилопастната турбина с аксиален поток отдавна е определила вятърната индустрия, морските енергийни устройства включват голямо разнообразие от концепции, включително приливни турбини, абсорбатори на точки на вълната, турбини с речен ток и колебателни водни колони, всяка от които е уникално подходяща за определени експлоатационни условия. Без единия подход, който очевидно превъзхожда останалите, зараждащата се водна енергетика е заета да експериментира с различни възможности.

Илюстрации на референтен модел

Изображение
Изображение

Устройствата за морска енергия, които могат да улавят енергия от водни тела, имат много форми, както е показано на тези илюстрации на референтния модел. Изображение от националните лаборатории Sandia.

Следователно разработчиците на морски енергийни системи имат належаща нужда от по-ефективни и рентабилни техники за прототипиране. За да запълнят тази празнина в иновациите, изследователи от Националната лаборатория за възобновяеми енергийни източници (NREL) и Държавния университет в Монтана се заеха да проучат потенциала за бързо прототипиране, използвайки допълнително произведени композитни форми. С финансиране от 75 000 щатски долара от програмата за разсад на лаборатория за водна енергия на Министерството на енергетиката на водните енергийни технологии, изследователите започнаха целогодишни усилия за комбиниране на техниките за производство на добавки и композитни материали в по-бърз, по-евтин и по-повторяем процес.

Прилагане на наученото от вятърната индустрия …

Изследователската група за производство и характеризиране на NREL по-рано си партнира с държавния университет в Монтана и националните лаборатории Sandia, за да иновации на производствените материали и геометрии, свързани с вятърната енергия. Използвайки съоръжението за образование и технологии за производство на композитни материали на NREL (CoMET), екипът демонстрира опит, използвайки съвременни производствени техники, за да симулира и моделира дизайна на лопатките на вятърни турбини.

През последните години вятърната индустрия проучи предимствата от прилагането на широкомащабни техники за производство на добавки, за да създаде сложни профили за оформяне на остриета, които могат да бъдат залепени. Процесът, включен в тази техника, показва обещание за преодоляване на транспортните бариери, като позволява производството на големи лопатки на вятърни турбини на място. Процесът обаче остава едновременно скъп и отнема много време и по този начин е оправдан само при масивните мащаби, възникващи във вятърната индустрия.

„Този ​​проект за разсад се корени в предишната ни работа с производството на лопатки за вятър и приливни турбини“, каза Пол Мърди, докторантски изследовател в NREL, който действаше като главен изследовател за това усилие. „Ние също сме част от многолабораторно сътрудничество, фокусирано върху усъвършенстването на композитни материали и покрития за морски приложения.“

Типичното острие на вятърната турбина в полето днес е направено от традиционни композитни материали, като фибростъкло, напоено с епоксидна термореактивна смола. Тъй като този подход е енергоемък, скъп и нерециклируем, NREL експериментира с новаторски термопластични смоли. Термопластичните композити притежават потенциала да дадат възможност за по-леки и по-евтини остриета, които могат да бъдат рециклирани в края на техния живот.

„Видяхме възможност да комбинираме силните страни на производството на добавки с усъвършенствани композитни материали за по-ефективно прототипиране на устройства“, каза Мърди. „Прилагайки този нов подход за създаване на малка лопатка на приливна турбина, ние бихме могли да приложим знанията си за производството на вятърни системи по нов начин.“

… И да го обърнем навътре

Преди това екипът, ръководен от NREL, беше приложил големи отпечатани с 3D отпечатани форми за вятърни лопатки, произведени от Националната лаборатория на Oak Ridge, за производство на термопластична лопатка на вятърна турбина. За проекта за разсад изследователите обърнаха сценария, за да създадат допълнително произведени вътрешни форми, които биха могли да станат постоянна част от крайната носеща конструкция. Въпреки че други индустрии редовно използват вътрешни форми за производство на композитни материали, те рядко се оставят като част от крайната структура. И този подход все още не е бил демонстриран в индустрията за възобновяема енергия.

„Основната полза от производството на добавки е, че позволява много по-креативно дизайнерско пространство“, каза Мърди. „Тъй като не бяхме ограничени от геометрии, както бихме имали извадителен производствен процес, успяхме да внедрим значителни иновации, за да намалим броя на включените композитни производствени стъпки.“

Екипът демонстрира уникални дизайнерски характеристики, които биха могли да доведат до подобрения в технологичността, здравината на острието, надеждността и непрекъснатостта, като интегрирани крепежни елементи и проходи от смола. Докато традиционните остриета се състоят от две или повече части, които са свързани заедно, проектът за разсад позволява на изследователите да експериментират с непрекъсната композитна конструкция. Те отпечатаха формата на лопатките на приливната турбина в четири секции и след това увиха композитни слоеве около тях, за да премахнат всички прекъсвания и да премахнат често срещаните точки на повреда.

Изображение
Изображение

Чертежи за сглобяване на матрицата на профила на острието, включително напълно сглобената версия отгоре, разгънатата версия, която показва връзките между секции в средата, и завършена версия с композитното покритие отдолу Изображение от Пол Мърди, NREL

Разширяване на експерименталните успехи

Въпреки че е с малки размери, секцията с лопатки на композитни приливни турбини с намален мащаб, която Мърди и екипът са създали, показва значителни обещания за морската енергийна общност. Проектът за разсад идентифицира няколко възможности за подобряване на процеса на производство на приливни турбини, включително конструкция от едно парче и вградени крепежни елементи за корени. Най-важното е, че изследователите успяха да докажат, че произведените допълнително композитни форми могат да служат като част от крайната носеща конструкция. Екипът наскоро публикува своите констатации в статия, озаглавена „Използване на предимствата на производството на добавки за производство на усъвършенствани хибридни композитни структури за морски енергийни системи“.

Изображение
Изображение

3D отпечатаните профили на матрицата, след като са шлайфани и запечатани с епоксидна смола и напълно сглобени (отпред) и завършени (отзад). Изображение от Пол Мърди, NREL

„Тази част от предварителното ни проучване се фокусира върху производствената страна на нещата, така че ние оптимизирахме секцията на острието за производствения процес, но не структурно или хидродинамично“, каза Мърди. „Следващата ни стъпка е да разгледаме по-задълбочено потенциала за структурна оптимизация на 3D печат и композитни слоеве едновременно за по-цялостен подход към окончателния дизайн на острието.“

Въпреки че прилагането на тези концепции към други видове устройства за морска енергия ще дойде по-надолу, Мърди вярва, че моментът е подходящ за проучване на производствените възможности за водни енергийни системи.

„Това е само един пример, но има толкова много различни устройства и компоненти, които биха могли да се възползват от този подход, докато компаниите все още преминават през дизайнерски концепции на ранен етап и тестване“, каза Мърди. „Надяваме се, че нашата работа напредва в усилията за по-бързо получаване на по-трайни, рециклируеми и по-евтини машини във водата.“

Популярни по теми