Напечатанный на 3D-принтере наконечник лопасти повышает эффективность ветроэнергетики

Sandia National Laboratories в сотрудничестве с Wetzel Wind Energy Services и Stratasys Direct Inc. разработали инновационную лопатку турбины, которая может значительно повысить эффективность производства ветровой энергии. Эта новая конструкция является частью проекта Additively Manufactured System Integrated Tip (AMSIT), целью которого является интеграция передовых технологий в компоненты ветряных турбин, что в конечном итоге снижает стоимость электроэнергии, вырабатываемой ветряными турбинами.

Кончик и крылышко AMSIT точно выровнены с 3D-сканированием корня лопатки (вставка) и соединены с 3D-печатным образцом для испытаний, прикрепленным к стержню лопатки. Текстура поверхности и защита передней кромки не показаны. (Фото Брента Хаученса)

Новый подход к проектированию лопаток турбин

Проект AMSIT, финансируемый Управлением передовых материалов и производственных технологий Министерства энергетики США, решает несколько проблем, с которыми в настоящее время сталкиваются при производстве лопаток турбин. К ним относятся проблемы с ручными процессами композитных волокон и эпоксидной смолы, проблемы контроля качества, приводящие к дефектам лопаток, эрозионные повреждения, а также высокие затраты и сложности, связанные с транспортировкой больших лопаток.

Ключевым новшеством в этом проекте является использование 3D-печати для создания модульного наконечника лопасти. Брент Хаученс, главный исследователь проекта AMSIT, объяснил: «3D-печать предлагает путь решения всех этих проблем путем интеграции технологий. Мы рассматривали крылышко для увеличения подъемной силы, текстурирование поверхности для уменьшения разделения потока и функции для улучшения защиты передней кромки от эрозии и молниезащиты».

Этот 3D-печатный наконечник лопасти, разработанный для турбины масштабом 200 киловатт с 13-метровыми лопастями, заменяет около 15% традиционного наконечника лопасти. Новая конструкция улучшает аэродинамические характеристики с помощью крылышка против ветра и текстурирования поверхности, а также включает интегрированную защиту от эрозии и молнии. Модульный характер конструкции позволяет проще и быстрее заменять поврежденные наконечники, например, пораженные молнией, что потенциально сокращает время простоя и расходы на техническое обслуживание.

Сканирование облаков точек захватило лопасти до и после снятия их внешних оболочек, гарантируя, что новые 3D-печатные наконечники (слева) идеально совпадают с основанием лопасти (справа). Исследователи планируют использовать основание лопасти для тестирования различных конструкций наконечников в будущем. (Фото Брента Хоученса)

Влияние на стоимость ветроэнергетики

Одной из основных целей проекта AMSIT является снижение приведенной стоимости электроэнергии (LCOE) в течение срока службы ветряной турбины. Первоначальные модели показывают, что новая конструкция наконечника лопасти может снизить LCOE в среднем на 3%-4% при скорости ветра ниже 10 метров в секунду. Это снижение достигается без изменения максимальной номинальной мощности турбин, что позволяет испытывать лопасти AMSIT на существующих машинах.

Интеграция 3D-печати в производство лопаток турбин также открывает новые возможности для исследования сложных геометрий, которые сложно производить традиционными методами. По мере того, как технология 3D-печати развивается и становится более экономически эффективной, ожидается, что LCOE для таких конструкций, как AMSIT, продолжит снижаться.

Тестирование и полевые работы

Чтобы гарантировать долговечность материалов, напечатанных на 3D-принтере, исследователи AMSIT провели лабораторные испытания для моделирования ударов молнии по кончикам лопаток. Эти испытания включали сценарии с прямыми ударами в имитируемую систему молниезащиты, поверхностными ударами вдали от системы и ударами без какой-либо защиты. Результаты этих испытаний будут использоваться для дальнейшей разработки и оптимизации кончиков лопаток.

Команда также использовала лазерное сканирование для точного соответствия кончиков, напечатанных на 3D-принтере, существующим лопаткам. Внешняя оболочка лопастей была снята для крепления новых законцовок и крылышек, которые затем были подвергнуты наземным структурным испытаниям. Эти компоненты будут дополнительно испытаны на площадке Sandia Scaled Wind Farm Technology в Лаббоке, штат Техас, где они пройдут полевые демонстрации.

По словам Брента Хаученса, проект AMSIT является примером того, как 3D-печать может повысить производительность и снизить стоимость ветровой энергии. «Проект AMSIT демонстрирует, как интеграция технологий с помощью 3D-печати может снизить стоимость ветровой энергии за счет улучшения аэродинамических характеристик и снижения затрат на ремонт», — сказал он. После завершения проекта модифицированные корень и заглушка лопасти будут доступны для тестирования других новых конструкций законцовок, что проложит путь для будущих инноваций в технологии ветряных турбин.

Источник: sandia.gov