Inhaltsverzeichnis:

Thinking Inside The Blade: 3D-gedruckte Wasserkraft-Prototypen Von NREL
Thinking Inside The Blade: 3D-gedruckte Wasserkraft-Prototypen Von NREL

Video: Thinking Inside The Blade: 3D-gedruckte Wasserkraft-Prototypen Von NREL

Video: Aerodynamic Analysis of NREL 5MW Wind Turbine Blade using CFD - WEBINAR 2022, Dezember
Anonim

Während die dreiblättrige Axialturbine die Windindustrie seit langem definiert hat, umfassen Meeresenergiegeräte eine Vielzahl von Konzepten, darunter Gezeitenturbinen, Wellenpunktabsorber, Flussströmungsturbinen und oszillierende Wassersäulen, von denen jedes für bestimmte Zwecke einzigartig geeignet ist Betriebsbedingungen. Ohne dass ein Ansatz die anderen klar übertrifft, experimentiert die junge Wasserkraftindustrie mit verschiedenen Optionen.

Referenzmodell-Abbildungen

Bild
Bild

Meeresenergiegeräte, die Energie aus Gewässern gewinnen können, haben viele Formen, wie in diesen Referenzmodellabbildungen gezeigt. Bild von Sandia National Laboratories.

Entwickler von Schiffsenergiesystemen haben daher einen dringenden Bedarf an effizienteren und kostengünstigeren Prototyping-Techniken. Um diese Innovationslücke zu schließen, haben Forscher des National Renewable Energy Laboratory (NREL) und der Montana State University das Potenzial für Rapid Prototyping mit additiv gefertigten Verbundformen untersucht. Mit 75.000 US-Dollar an Mitteln aus dem Water Power Laboratory Seedling Program des U.S. Department of Energy Water Power Technologies Office begannen die Forscher eine einjährige Anstrengung, additive und zusammengesetzte Fertigungstechniken zu einem schnelleren, billigeren und wiederholbareren Prozess zu kombinieren.

Anwenden, was wir aus der Windindustrie gelernt haben …

Die Forschungsgruppe Herstellung und Charakterisierung von NREL hat sich zuvor mit der Montana State University und den Sandia National Laboratories zusammengetan, um innovative Herstellungsmaterialien und -geometrien im Zusammenhang mit Windkraft zu entwickeln. Mit der Composites Manufacturing Education and Technology (CoMET) Facility von NREL hat das Team Erfahrung mit modernsten Fertigungstechniken zur Simulation und Modellierung von Rotorblattdesigns von Windkraftanlagen unter Beweis gestellt.

In den letzten Jahren hat die Windindustrie die Vorteile der Anwendung von groß angelegten additiven Fertigungstechniken erforscht, um komplexe Schaufelformabschnitte herzustellen, die geklebt werden können. Der bei dieser Technik beteiligte Prozess ist vielversprechend für die Überwindung von Transportbarrieren, indem er die Herstellung großer Windturbinenblätter vor Ort ermöglicht. Das Verfahren bleibt jedoch sowohl teuer als auch zeitaufwändig und daher nur in den massiven Maßstäben der Windindustrie vertretbar.

„Dieses Seedling-Projekt hat seine Wurzeln in unserer früheren Arbeit mit der Herstellung von Rotorblättern für Wind- und Gezeitenturbinen“, sagte Paul Murdy, ein Postdoktorand am NREL, der als Hauptforscher für diese Bemühungen fungierte. „Wir waren auch Teil einer Multilab-Kollaboration, die sich auf die Weiterentwicklung von Verbundwerkstoffen und Beschichtungen für Meeresenergieanwendungen konzentriert.“

Die typischen Rotorblätter von Windkraftanlagen auf diesem Gebiet werden heute aus traditionellen Verbundmaterialien hergestellt, wie beispielsweise Glasfaser, die mit einem duroplastischen Epoxidharz infundiert ist. Da dieser Ansatz energieintensiv, teuer und nicht recycelbar ist, hat NREL mit bahnbrechenden thermoplastischen Harzen experimentiert. Thermoplastische Verbundwerkstoffe haben das Potenzial, leichtere und kostengünstigere Schaufeln zu ermöglichen, die am Ende ihrer Lebensdauer recycelt werden können.

„Wir sahen eine Gelegenheit, die Stärken der additiven Fertigung mit fortschrittlichen Verbundwerkstoffen für ein effizienteres Prototyping von Geräten zu kombinieren“, sagte Murdy. „Durch die Anwendung dieses neuen Ansatzes zur Entwicklung eines kleinen Gezeitenturbinenblatts konnten wir unser Wissen über die Herstellung von Windsystemen auf neue Weise anwenden.“

… und auf den Kopf stellen

Zuvor hatte das NREL-geführte Team große 3D-gedruckte externe Windblattformen des Oak Ridge National Laboratory verwendet, um ein thermoplastisches Windturbinenblatt herzustellen. Für das Seedling-Projekt drehten die Forscher das Skript um, um additiv gefertigte Innenformen zu erstellen, die ein dauerhafter Bestandteil der endgültigen tragenden Struktur werden könnten. Obwohl andere Industrien regelmäßig Innenformen für die Herstellung von Verbundwerkstoffen verwendet haben, werden sie selten als Teil der endgültigen Struktur belassen. Und dieser Ansatz war in der Branche der erneuerbaren Energien noch nicht demonstriert worden.

„Der Hauptvorteil der additiven Fertigung besteht darin, dass sie einen viel kreativeren Gestaltungsraum ermöglicht“, sagte Murdy. „Da wir nicht wie bei einem subtraktiven Fertigungsprozess durch Geometrien eingeschränkt waren, konnten wir signifikante Innovationen implementieren, um die Anzahl der beteiligten Composite-Fertigungsschritte zu reduzieren.“

Das Team demonstrierte einzigartige Konstruktionsmerkmale, die zu Verbesserungen der Herstellbarkeit, Klingenfestigkeit, Zuverlässigkeit und Kontinuität führen könnten, wie beispielsweise integrierte Befestigungselemente und Harzdurchgänge. Während herkömmliche Klingen aus zwei oder mehr miteinander verbundenen Teilen bestehen, ermöglichte das Seedling-Projekt den Forschern, mit einer kontinuierlichen Verbundkonstruktion zu experimentieren. Sie druckten die Gezeitenturbinenschaufel-Form in vier Abschnitten und wickelten sie dann mit Verbundstofflagen um, um alle Diskontinuitäten zu beseitigen und gemeinsame Fehlerpunkte zu beseitigen.

Bild
Bild

Zusammenbauzeichnungen der Schaufelprofilform, einschließlich der vollständig montierten Version oben, einer Explosionsversion zur Darstellung der Verbindungen zwischen den Profilen in der Mitte und einer fertigen Version mit der Verbundstoffauflage unten. Bild von Paul Murdy, NREL

Ausweitung auf experimentelle Erfolge

Obwohl er klein ist, zeigt der von Murdy und seinem Team hergestellte, additiv gefertigte Verbundwerkstoff-Schaufelabschnitt für Gezeitenturbinen ein bedeutendes Potenzial für die Meeresenergiegemeinschaft. Das Projekt Seedling identifizierte mehrere Möglichkeiten zur Verbesserung des Herstellungsprozesses von Gezeitenturbinenschaufeln, einschließlich einteiliger Konstruktion und eingebetteter Wurzelbefestigungen. Vor allem konnten die Forscher zeigen, dass additiv gefertigte Verbundformen als Teil der endgültigen Tragstruktur dienen können. Das Team veröffentlichte seine Ergebnisse kürzlich in einem Zeitschriftenartikel mit dem Titel „Leveraging the Advantages of Additive Manufacturing to Produce Advanced Hybrid Composite Structures for Marine Energy Systems“.

Bild
Bild

Die 3D-gedruckten Formteile nach dem Schleifen und Versiegeln mit Epoxid und vollständig montiert (vorne) und fertig (hinten). Bild von Paul Murdy, NREL

„Dieser Teil unserer vorläufigen Forschung konzentrierte sich auf die Fertigungsseite, daher haben wir den Schaufelabschnitt für den Herstellungsprozess optimiert, aber nicht strukturell oder hydrodynamisch“, sagte Murdy. „Unser nächster Schritt besteht darin, das Potenzial zur strukturellen Optimierung von 3D-Druck und Verbund-Overlays gleichzeitig zu untersuchen, um einen ganzheitlicheren Ansatz für ein endgültiges Blattdesign zu erhalten.“

Obwohl die Anwendung dieser Konzepte auf andere Arten von Schiffsenergiegeräten noch weiter voranschreiten wird, glaubt Murdy, dass der richtige Zeitpunkt gekommen ist, um Herstellungsmöglichkeiten für Wasserkraftsysteme zu erkunden.

„Dies ist nur ein Beispiel, aber es gibt so viele verschiedene Geräte und Komponenten, die von diesem Ansatz profitieren könnten, während Unternehmen noch Designkonzepte und Tests im Frühstadium durchlaufen“, sagte Murdy. „Hoffentlich fördert unsere Arbeit die Bemühungen, langlebigere, recycelbare und kostengünstigere Maschinen schneller ins Wasser zu bringen.“

Beliebt nach Thema