NREL展示可持續(xù)海洋能源技術(shù)：3D打印金屬潮汐風(fēng)機(jī)翼梁的可行性

南極熊導(dǎo)讀：海洋能源是可再生能源行業(yè)中前景廣闊的一部分。它利用水流、潮汐等自然現(xiàn)象的動(dòng)能，并將其轉(zhuǎn)化為清潔能源，為沿海社區(qū)提供電力。根據(jù)美國能源效率和可再生能源辦公室的數(shù)據(jù)，2019年海洋能源資源將占美國發(fā)電總量的57%。換句話說，海洋能源擁有巨大的潛力，并且正在進(jìn)行許多旨在推進(jìn)開發(fā)的創(chuàng)新項(xiàng)目。

2024年5月7日，南極熊獲悉，美國國家可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）的研究人員與太平洋西北國家實(shí)驗(yàn)室合作領(lǐng)導(dǎo)了一個(gè)項(xiàng)目，旨在利用增材制造技術(shù)增強(qiáng)海洋能源技術(shù)，特別關(guān)注潮汐發(fā)電，即利用渦輪技術(shù)將潮汐水中的能量轉(zhuǎn)化為電力。

△3D打印潮汐風(fēng)機(jī)翼梁

測(cè)試聚合物和金屬3D打印技術(shù)

過去兩年，該項(xiàng)目一直在測(cè)試和分析潮汐風(fēng)機(jī)翼梁的開發(fā)和生產(chǎn)過程中所涉及的各種材料和打印技術(shù)。翼梁是風(fēng)機(jī)組件內(nèi)的承載部件，用于將葉片固定到位。該部件不僅必須能夠支風(fēng)機(jī)葉片結(jié)構(gòu)，還必須能夠承受海洋環(huán)境的腐蝕力。經(jīng)過一些評(píng)估，研究人員發(fā)現(xiàn)熱塑性3D打印并不適合這種特定應(yīng)用，而生產(chǎn)潮汐風(fēng)機(jī)翼梁的最佳選擇是不銹鋼和激光金屬沉積。事實(shí)證明，優(yōu)化關(guān)鍵組件的運(yùn)行對(duì)于海洋能源主要生產(chǎn)商（如海上風(fēng)電場(chǎng)）的成功至關(guān)重要。

NREL機(jī)械工程師兼海洋能源增材制造研究首席研究員Paul Murdy說道：“我們通過3D打印開辟了一個(gè)真正獨(dú)特的設(shè)計(jì)空間。這個(gè)項(xiàng)目證明了增材制造有潛力生產(chǎn)出非常堅(jiān)固、堅(jiān)硬的結(jié)構(gòu)，這將有利于海洋能源?！?br />

△NREL研究人員Miguel González-Montijo和Paul Murdy

NREL團(tuán)隊(duì)正在開發(fā)的3D打印風(fēng)機(jī)翼梁旨在適應(yīng)現(xiàn)有的潮汐風(fēng)機(jī)系統(tǒng)。研究人員表示，這可以促進(jìn)水產(chǎn)養(yǎng)殖和微電網(wǎng)等各種藍(lán)色經(jīng)濟(jì)部門的新型海洋能源設(shè)備的快速原型設(shè)計(jì)，從而為沿海社區(qū)提供電力。未來，這還將使沿海城鎮(zhèn)和社區(qū)更容易通過本地打印部件來更換海洋能源系統(tǒng)中磨損的部件，從而減少對(duì)供應(yīng)鏈的依賴。

設(shè)計(jì)該部件的NREL研究生實(shí)習(xí)生Miguel González-Montijo表示：“對(duì)于特定地區(qū)的特定社區(qū)來說，海洋能源可能會(huì)改變游戲規(guī)則。例如，我的家鄉(xiāng)波多黎各可以受益于升級(jí)后的能源網(wǎng)，該電網(wǎng)融合了海洋流體動(dòng)力能源等可再生能源技術(shù)。這些技術(shù)可以幫助許多小城鎮(zhèn)建立能源彈性和獨(dú)立性，同時(shí)提供本地來源的可再生電力。”

△潮汐風(fēng)機(jī)翼梁正在使用液壓執(zhí)行器進(jìn)行測(cè)試

研究結(jié)果將為未來的設(shè)計(jì)和研發(fā)提供指導(dǎo)

目前，3D打印的潮汐風(fēng)機(jī)翼梁正在NREL的設(shè)施中接受測(cè)試，包括疲勞測(cè)試和高達(dá)1,900磅的負(fù)載測(cè)試（據(jù)說比該部件在海洋環(huán)境中的預(yù)期承受力高出50%）。這一迭代的翼梁是使用Ai Build的機(jī)器人系統(tǒng)和不銹鋼材料進(jìn)行3D打印的。

3D打印過程大約需要一周時(shí)間才能完成。Montijo補(bǔ)充道：“結(jié)構(gòu)驗(yàn)證對(duì)于確保翼梁能夠按照我們的模型預(yù)測(cè)的方式對(duì)現(xiàn)實(shí)生活中的力做出反應(yīng)至關(guān)重要。它還幫助我們了解新型增材制造工藝與傳統(tǒng)鋼鐵制造技術(shù)的不同之處，以及我們?nèi)绾卧谖磥淼脑O(shè)計(jì)中考慮它。”

此次測(cè)試標(biāo)志著研究工作的最后階段之一，證明了增材制造在海洋能源應(yīng)用中的價(jià)值和巨大潛力。測(cè)試結(jié)束后，NREL研究人員將繼續(xù)開發(fā)和微調(diào)3D打印風(fēng)機(jī)翼梁的設(shè)計(jì)，并探索增材制造在海洋能源中的其它潛在應(yīng)用。