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超高风塔的3D打印技术

文章来源:科技新报 | 发布日期:2017-12-28 | 作者: | 点击次数:

隶属于美国能源部的国家再生能源实验室(National Renewable Energy Laboratory,NREL)报告指出,为了推广风能到更广大的区域,解决办法是建造更高的风塔,取用更高空的稳定风力,以有效提升容量因数,降低均化成本。据国家再生能源实验室的模型推估,在中等风力的地区,采用140米高塔身,将能降低风力发电成本达二成之多。

事实上,靠着塔身高度快速提升,以及其他技术的进步,风力发电成本已经大幅下降,目前的风力发电成本,比起1980年,仅当时的10%,而比起2010年,也仅为60%。未来风机的塔身还将更往上成长,甚至可能挑战250米高。

然而该如何打造这么高的风塔,成了大问题。风塔越高,结构越大,耗用的原物料越多,组件运输的困难性越高。为了盖更高的风塔,结构设计得要“轻量化”,但这些方法各自存在或耗用劳工量大,或建造时间长,或运输成本高等缺陷。

减少钢材的需求也让风塔的自然共振频率低于风机频率的“软软”(Soft-Soft)式风塔浮上台面。如今随着智慧控制技术进步,可以利用多种调控方式,避免风塔共振损毁,加上超高风塔的减轻重量需求,因此开启了“软软”式风塔的空间。

另一方面,在现地打造以减轻运输压力的想法,仍需要运送长条钢板到现地,依然有一定的运输瓶颈障碍。

鉴于目前既有的技术都不是那么完美,加州新创公司“强化混凝土积层制造科技”(RCAM Technologies),采用将混凝土积层制造,也就是所谓的混凝土3D打印技术,应用在超高风塔的制造。

强化混凝土积层制造科技于2017年11月取得加州能源委员会(California Energy Commission) 125万美元资助,测试发展风塔混凝土3D打印技术,预期可在一天内完成140~170米高的超高风塔建造,并且比目前主流的超高风塔建造技术节省半数经费,反应到最终电力均化成本,在低风速的风场可减少11%成本。所需的混凝土由一般水泥车运到现场,或是现场准备混凝土预拌场,就如同打造风塔的混凝土地基时一样。

许多欧洲国家已应用混凝土风塔10年之久,目前主要都采用预铸混凝土技术,在120米高以上的风塔,混凝土技术越来越受重视,有取代钢构风塔的趋势。但是越高大的风塔,预铸组件也随之扩大而产生运输困难,采用混凝土3D打印技术,将可解除运输障碍,也节省运输费用。

若是强化混凝土积层制造科技的想法能实现,将可望大为拓展风力发电的分布区域,汲取过去风场资源不佳地区的高空风力。以加州而言,可望大为增加风力发电总容量,从6吉瓦(gigawatt)增加至60吉瓦。

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