美國國家可再生能源實驗室利用金屬增材制造技術(shù)生產(chǎn)潮汐渦輪機翼梁

海洋能源將水流和潮汐等自然現(xiàn)象的動能轉(zhuǎn)化為清潔能源，為當?shù)匮睾Ｉ鐓^(qū)提供電力，在可再生能源行業(yè)中前景廣闊。美國能源效率和可再生能源辦公室的數(shù)據(jù)顯示，2019 年海洋能源資源將占美國發(fā)電總量的57%，海洋能源潛力巨大，美國正在進行許多旨在推進開發(fā)的創(chuàng)新項目這種可再生資源。



2024年5月，美國國家可再生能源實驗室 (NREL) 的研究人員與太平洋西北國家實驗室合作，共同研究如何利用增材制造來增強海洋能源技術(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)化為可以使用的電力。

過去兩年，該項目一直在測試和分析潮汐渦輪機翼梁開發(fā)和生產(chǎn)中的各種材料及打印技術(shù)。渦輪翼梁是渦輪組件內(nèi)的承載部件，用于將渦輪葉片固定到位。該部件不僅必須能夠支撐渦輪機結(jié)構(gòu)，還必須能夠承受海洋環(huán)境的腐蝕。經(jīng)過評估，研究人員發(fā)現(xiàn)熱塑性 3D 打印不適合這種特定應(yīng)用，生產(chǎn)潮汐渦輪機翼梁的最佳選擇是不銹鋼材料和激光金屬沉積技術(shù)。


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

NREL 機械工程師兼海洋能源增材制造首席研究員 Paul Murdy 表示：“增材制造有潛力生產(chǎn)出非常堅固、堅硬的結(jié)構(gòu)，這將有利于海洋能源?！?br />
NREL 團隊正在開發(fā)適用于現(xiàn)有的潮汐渦輪系統(tǒng)的 3D 打印渦輪機翼梁，可以促進水產(chǎn)養(yǎng)殖和微電網(wǎng)等各種藍色經(jīng)濟部門的新型海洋能源設(shè)備的快速原型設(shè)計，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，從而減少對供應(yīng)鏈的依賴。

設(shè)計該部件的 NREL 研究人員 Miguel González-Montijo 表示：“對于特定地區(qū)的特定社區(qū)來說，海洋能源可能會改變游戲規(guī)則。例如，我的家鄉(xiāng)波多黎各可以受益于升級后的能源網(wǎng)，該電網(wǎng)融合了海洋流體動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)建立能源彈性和獨立性，同時提供本地來源的可再生電力?！?br />

△潮汐渦輪機翼梁正在使用液壓執(zhí)行器進行測試

目前，3D 打印的潮汐渦輪機翼梁正在 NREL 的設(shè)施中接受疲勞測試和 1,900 磅的負載測試（比在海洋環(huán)境中預(yù)計承受的負載高出 50%）。這一迭代的渦輪翼梁使用Ai Build 的機器人系統(tǒng)和不銹鋼材料進行 3D 打印，打印過程需要約一周時間。Miguel González-Montijo表示：“結(jié)構(gòu)驗證可以確保翼梁能夠按照模型預(yù)測的方式對現(xiàn)實生活中的力做出響應(yīng)，使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?！?br />
此次測試標志著研究工作已進行到最后階段。測試完成后，NREL 研究人員將繼續(xù)開發(fā)和微調(diào) 3D 打印渦輪翼梁的設(shè)計，并探索增材制造在海洋能源中的其他潛在應(yīng)用。