3D打印助力GE Haliade-X风力涡轮发电机更加强大

GE Renewables的Haliade-X风力发电涡轮机的叶片直径超过两个足球场，已经是世界上尺寸最大、功率最大的涡轮机，能够产生多达14兆瓦的能量。如果可以现场3D打印涡轮机混凝土基座，以便直接运输到相应的海洋上位置，将能够构建和部署更大的风力发电系统。

2021年1月，南极熊了解到，这种方法将能够生产更高的风力涡轮机，因为风力涡轮机生产商将不受运输限制的困扰；目前为止，由于运输原因，基座的宽度不能超过4.5米，从而限制了涡轮机的高度。通过增加高度，每台涡轮机的发电功率可以大大增加：例如，一台尺寸为80米的5 MW涡轮机每年可发电约15.1 GWh；而160米涡轮机每年将产生20.2 GWh，提升33％。随着新的涡轮机达到260米甚至更高的高度，发电功率将有望变得更大。

一年多以前，Heliade X涡轮发电机的第一台原型机就在荷兰鹿特丹港投入运行。它成为第一台在24小时内产生288兆瓦时能量的风力涡轮机，足以为当地的30,000户家庭供电。

新的海上Haliade-X涡轮机具有14 MW，13 MW或12 MW的容量，220米的转子，107米的叶片和数字化功能。它不仅是世界上最强大的风力涡轮发电机，而且发电量高于60-64％的行业标准容量系数。容量因子将在特定时间段内连续全功率运行时产生的能量与产生的最大能量进行比较。容量因数的每增加一个点，在风力发电场的寿命中，涡轮发电机效益将增加700万美元。
2020年10月，这台机器（也是当今运行最强大的海上风力涡轮机）在一个24小时内产生了312兆瓦时的能量。GE可再生能源的工程师根据鹿特丹原型的数据，得到机器由独立机构DNV GL认证的全套“type certificate”型式认证 ，新涡轮机可以安全、可靠地运行并符合设计规格。DNV GL向海上的Haliade-X 12 MW授予认证。

△GE Haliade-X 12 MW涡轮叶片

“这是我们的一个重要里程碑，因为它使我们的客户能够在购买Haliade-X时获得融资。”领导GE可再生能源涡轮机开发的Vincent Schellings说。“我们的持续目标是为他们提供推动海上风电全球增长所需的技术，因为海上风电已成为低成本且更可靠的可再生能源。” 国际能源署（International Energy Agency）预计，到2040年，海上风电的累计投资将达到1万亿美元。
风力发电涡轮机107米长的叶片（超过足球场的长度），不久就获得了型式认证，组件也获得认证。Haliade-X 12 MW的认证过程包括在美国和英国的工厂，对叶片进行单独测试，并在鹿特丹进行原型测试。

通用电气设计的Haliade-X可以产生12兆瓦的功率，但是在鹿特丹进行的测试表明，它可以超越最初的目标，达到13兆瓦。新型认证特别涉及12 MW；目前正在以13兆瓦的输出功率对鹿特丹原型进行测试，并有望在2021年上半年获得单独的认证。

接着，GE Renewable Energy签署了Haliade-X 13 MW的第一份合同，同意向Dogger Bank A和Dogger Bank B供应190台机器，这是预计将成为世界上最大的海上风电场的前两个阶段。北海，距英格兰约克郡海岸约130公里。该风力发电场计划于2026年完工，预计可产生3.6吉瓦的电力，足以为450万英国家庭供电。

生产更大的风力涡轮机出现新的挑战，100多米长的叶片也必须作为一个整体来生产，不能由多个部分组装而成，并且玻璃纤维增​​强塑料的强度已达到承受越来越大的风力的极限。

如今，叶片是使用极其昂贵的高级模具生产的，这种模具不仅非常大，而且还需要非常复杂的工艺才能有效地冷却和固化玻璃纤维增​​强叶片。未来，大幅面复合3D打印技术可以大大降低这些叶片模具的生产成本，甚至可能直接生产100多米长的碳纤维增强叶片。虽然目前尚未真正应用，但是Ingersoll和Themrwood等公司已经证明，大幅面复合3D打印系统的成型尺寸可以无限大。

早在2018年，美国能源部的风能技术办公室和先进制造办公室就与另一家大幅面复合3D打印公司辛辛那提公司（Cincinnati Inc.）合作，将增材制造应用于大型风力涡轮机叶片模具的生产中。

△风力发电叶片模具

对于大型产品（例如风力涡轮机叶片）来说，3D打印被认为是非常有吸引力的选择。这些产品属于劳动密集型，主要是通过手工劳动来沉积大量复合材料，模具本身非常昂贵，而且耗时。

在风电行业中，使用增材制造直接从CAD中生产定制叶片，还意味着在风电场中每座塔的风力涡轮机叶片可以优化。这意味着有一天可以针对发电场中每个位置以及每个不同发电场中的单个位置，根据风和湍流模式优化每个涡轮机的叶片。增材制造技术降低成本，缩短的交货时间。

但这需要时间。在最终材料密度和质量、工艺可重复性和成本方面，3D打印仍然存在重大限制。更不用说打印出如此大的物体。但是，涡轮机变得越来越大，已经成为一种趋势，其生产过程将必须有3D打印技术的身影。