ORNL的研究人員和技術(shù)人員準(zhǔn)備從模具中取出風(fēng)葉尖端，模具中的玻璃纖維用ORNL碳纖維層固化。來源| Carlos Jones/ORNL，美國(guó)能源部

美國(guó)能源部（DOE）橡樹嶺國(guó)家實(shí)驗(yàn)室（ORNL，美國(guó)田納西州）的研究人員一直在集思廣益，研究一系列技術(shù)，以防止風(fēng)力發(fā)電機(jī)和飛機(jī)中使用的復(fù)合材料遭受雷擊損害。在Vipin Kumar的領(lǐng)導(dǎo)下，ORNL 利用新型材料制造出了整個(gè) 6.5 英尺長(zhǎng)的風(fēng)電葉片尖端，從而實(shí)現(xiàn)了一個(gè)重要的里程碑。隨后，研究小組在密西西比州立大學(xué)的一個(gè)專門實(shí)驗(yàn)室中對(duì)其進(jìn)行了模擬閃電力測(cè)試。

經(jīng)過隔離高壓影響的測(cè)試后，葉片尖端完好無損。在同一實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行的單獨(dú)測(cè)試發(fā)現(xiàn)，隔離的高電流仍然具有破壞性。但Kumar正以進(jìn)一步的創(chuàng)新進(jìn)行反擊。ORNL 最近的演示強(qiáng)調(diào)了使用導(dǎo)電材料或涂層保護(hù)葉片的新方法的可能性。

盡管雷電經(jīng)常擊中風(fēng)力發(fā)電機(jī)，但其對(duì)風(fēng)能產(chǎn)業(yè)的更廣泛影響仍不明確。風(fēng)機(jī)葉片經(jīng)常遭受雷擊，但很少造成災(zāi)難性后果。不過，雷擊會(huì)削弱葉片，造成內(nèi)部損壞，隨著時(shí)間的推移，維修成本也會(huì)增加。例如，雷擊是造成葉片停機(jī)的第二大原因。“我們還沒有足夠的數(shù)據(jù)來了解這一挑戰(zhàn)的真正范圍，但我們知道這是工業(yè)和公共設(shè)施領(lǐng)域所關(guān)注的問題。我們都清楚風(fēng)能是支持能源安全的可靠電力來源，但我相信，任何我們能做到的使其更具靈活性和可靠性的事情都很重要。

該項(xiàng)目結(jié)合了Kumar在復(fù)合材料方面的專長(zhǎng)和 ORNL 在碳纖維方面的能力。ORNL在能源部的碳纖維技術(shù)設(shè)施中制造的葉片尖端包含兩層標(biāo)準(zhǔn)玻璃纖維和實(shí)驗(yàn)室開發(fā)的低成本碳纖維。在這種情況下，定制的導(dǎo)電碳纖維是在葉片表面分散電能的關(guān)鍵。隨后，研究人員使用工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備和方法展示了該技術(shù)可以輕松地與現(xiàn)有制造工藝集成。

 

ORNL研究員Vipin Kumar是航空復(fù)合材料雷擊防護(hù)專家，在和他的團(tuán)隊(duì)將風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片尖端從美國(guó)能源部碳纖維技術(shù)設(shè)施的模具中取出之前，檢查了葉片尖端。來源| Carlos Jones/ORNL，美國(guó)能源部

庫(kù)馬爾解釋說，碳纖維的高昂成本通常使其只能用于風(fēng)葉的承重結(jié)構(gòu)--翼梁帽。但是，ORNL 為降低碳纖維成本所做的努力可能會(huì)使其在葉片尖端取代玻璃纖維變得經(jīng)濟(jì)實(shí)惠，而玻璃纖維正是雷擊最頻繁的部位。“ORNL先進(jìn)纖維制造小組負(fù)責(zé)人Merlin Theodore說："這是朝著正確方向邁出的一步。“我們很高興能證明這可以大規(guī)模實(shí)現(xiàn)。雖然還有更多的工作要做，但這表明碳纖維在風(fēng)能應(yīng)用中可以發(fā)揮更重要的作用"。

ORNL 的風(fēng)電葉片尖端可完全回收利用，最近榮獲了 AMCA 頒發(fā)的“綠色復(fù)合材料設(shè)計(jì)創(chuàng)新”類別的ACE復(fù)合材料卓越獎(jiǎng)。“庫(kù)馬爾說："我們計(jì)劃在ORNL的制造示范設(shè)施中，通過重復(fù)使用碳纖維和用于3D打印的樹脂，展示該葉片的完全可回收性。

電光火石的職業(yè)生涯

庫(kù)馬爾的職業(yè)生涯始于2018年在ORNL進(jìn)行的博士后研究，他一直在不懈地尋找保護(hù)飛機(jī)、無人機(jī)和風(fēng)力發(fā)電機(jī)免受雷擊的方法，因?yàn)槔讚魰?huì)威脅到結(jié)構(gòu)的完整性和可靠的電力。“他說："我試圖讓天空中任何由復(fù)合材料制成的物體免受雷擊破壞。

碳纖維的強(qiáng)度使其成為飛機(jī)復(fù)合材料的不二之選，但它也具有半導(dǎo)電性。“庫(kù)馬爾解釋說："要保護(hù)復(fù)合材料免受雷擊破壞，就必須切實(shí)提高其導(dǎo)電性。“你不能依靠絕緣或?qū)⒗纂娨蛱囟ㄎ恢?quot;。

風(fēng)能行業(yè)已經(jīng)嘗試過這種方法，即使用金屬受體連接到葉片中的桿上，就像地表下的避雷針一樣，將電能輸送到地面。然而，當(dāng)雷電擊中復(fù)合材料時(shí)，避雷針并不總能吸引電流。“他指出："近幾十年來，其他風(fēng)力發(fā)電機(jī)技術(shù)有了長(zhǎng)足的發(fā)展，但該行業(yè)的雷擊防護(hù)方法卻沒有這么快。

為了提高導(dǎo)電性，庫(kù)馬爾使用了不同的材料，如導(dǎo)電外涂層或碳納米填料矩陣，以形成導(dǎo)電 “表皮”，從而消散能量，防止雷擊點(diǎn)的燃燒或內(nèi)部損壞。庫(kù)馬爾的每項(xiàng)實(shí)驗(yàn)都在雷電實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行測(cè)試，并不斷改進(jìn)，最終研制出一種使用多層低成本碳纖維的壓縮成型復(fù)合材料。“庫(kù)馬爾說："我沒想到它的性能會(huì)這么好。“我對(duì)它進(jìn)行了五次雷擊測(cè)試，雷擊強(qiáng)度是普通閃電的六倍：沒有損壞。我開始撓頭，問為什么"。

庫(kù)馬爾了解到，ORNL 的碳纖維可以定制，以獲得更高的導(dǎo)電性。

滿足未來的風(fēng)力發(fā)電需求

碳纖維是航空航天工業(yè)的主要材料，預(yù)計(jì)五年內(nèi)將供不應(yīng)求，從而進(jìn)一步推高其成本。ORNL 研究員 Subhabrata Saha 領(lǐng)導(dǎo)了葉片尖端的研發(fā)工作，他表示，ORNL 相信，這種更經(jīng)濟(jì)的配方可以讓風(fēng)能行業(yè)有能力競(jìng)爭(zhēng)這種材料。“它可以幫助匹配當(dāng)今的成本，同時(shí)提供更高的葉片單位重量強(qiáng)度"。

庫(kù)馬爾補(bǔ)充說，混合碳纖維復(fù)合材料葉尖比純玻璃纖維葉尖輕41%。“這意味著我們可以制造出相同重量的更大葉片，從而產(chǎn)生更多電力。

 

使用 ORNL 研發(fā)的碳纖維制成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片尖端在實(shí)驗(yàn)室接受模擬閃電的高壓沖擊測(cè)試時(shí)完好無損。

風(fēng)電葉片的長(zhǎng)度增加一倍，發(fā)電量就能增加四倍，因此葉片的長(zhǎng)度有時(shí)超過一個(gè)足球場(chǎng)。這種尺寸的大幅增加使現(xiàn)代風(fēng)機(jī)能夠輸出更多的能量。“但葉片越大，被閃電擊中的幾率就越大，"庫(kù)馬爾補(bǔ)充道。

葉片和一組較小的復(fù)合材料板同時(shí)由相同的材料制成，分別經(jīng)過了電壓和電流測(cè)試，以模擬雷電的破壞力。電流是電力流動(dòng)的速度，電壓則是兩點(diǎn)之間驅(qū)動(dòng)電力的力量。高壓測(cè)試用于了解雷電附著的進(jìn)入和退出位置，而大電流測(cè)試的電阻熱對(duì)復(fù)合材料層壓板的破壞力更大。

庫(kù)馬爾的團(tuán)隊(duì)隨后使用超聲波成像技術(shù)來評(píng)估材料是否受損。完整的風(fēng)力葉片尖端在高壓電擊下完好無損，但在強(qiáng)電流沖擊下卻不盡如人意。庫(kù)馬爾說，然而，原型樣板沒有受到任何可見或內(nèi)部損傷，并保持了機(jī)械性能，顯示出對(duì)雷擊 “非凡的復(fù)原力”。同樣的測(cè)試在使用標(biāo)準(zhǔn)商用碳纖維制造的面板上炸出了一個(gè)洞。

盡管采用的是同一種材料，為什么 ORNL 測(cè)試面板的性能要優(yōu)于完整的葉尖？一個(gè)可能的原因是，面板是壓縮成型的，這就在復(fù)合材料中產(chǎn)生了更多的碳纖維。此外，它們還經(jīng)過了熱固化，而葉片尖端則在室溫下固化。熱固化可以利用熱量強(qiáng)化材料結(jié)構(gòu)，提高材料的熱特性和性能。

但庫(kù)馬爾并不指望能輕松解決問題。由于樹脂占刀尖的最大部分，他希望嘗試使用導(dǎo)電性更強(qiáng)的樹脂。此外，還可以用聚合物中的納米填料制成一種經(jīng)濟(jì)實(shí)惠、用途廣泛的涂層。庫(kù)馬爾表示，即使沒有碳纖維，使用這種涂層的面板在最近的電壓和電流測(cè)試中也表現(xiàn)良好。

庫(kù)馬爾對(duì)其研究的經(jīng)濟(jì)可行性進(jìn)行了探討，這是能源部 2024 能源 I-Corps 計(jì)劃的一部分，該計(jì)劃幫助國(guó)家實(shí)驗(yàn)室科學(xué)家確定將其創(chuàng)新成果推向市場(chǎng)的途徑。庫(kù)馬爾采訪了 82 位風(fēng)能行業(yè)的專業(yè)人士，包括風(fēng)電葉片制造商、風(fēng)電場(chǎng)運(yùn)營(yíng)商和葉片維修公司，以了解他們所面臨的挑戰(zhàn)以及他們?cè)敢饨邮艿慕鉀Q方案。他的納米填料涂層引發(fā)了最大的興趣。庫(kù)馬爾正在與潛在的行業(yè)合作伙伴商討在風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)進(jìn)行實(shí)地測(cè)試，以便對(duì)其效果進(jìn)行長(zhǎng)期監(jiān)測(cè)。

這項(xiàng)研究由能源部能效與可再生能源辦公室下屬的先進(jìn)材料與制造技術(shù)辦公室資助。