【風電】開發一種低成本、可回收的碳纖維風電葉片尖端 具備高壓雷擊抗擊打能力
ORNL的研究人員和技術人員準備從模具中取出風葉尖端，模具中的玻璃纖維用ORNL碳纖維層固化。來源| Carlos Jones/ORNL，美國能源部
美國能源部（DOE）橡樹嶺國家實驗室（ORNL，美國田納西州）的研究人員一直在集思廣益，研究一系列技術，以防止風力發電機和飛機中使用的復合材料遭受雷擊損害。在Vipin Kumar的領導下，ORNL 利用新型材料制造出了整個 6.5 英尺長的風電葉片尖端，從而實現了一個重要的里程碑。隨后，研究小組在密西西比州立大學的一個專門實驗室中對其進行了模擬閃電力測試。
經過隔離高壓影響的測試后，葉片尖端完好無損。在同一實驗室進行的單獨測試發現，隔離的高電流仍然具有破壞性。但Kumar正以進一步的創新進行反擊。ORNL 最近的演示強調了使用導電材料或涂層保護葉片的新方法的可能性。
盡管雷電經常擊中風力發電機，但其對風能產業的更廣泛影響仍不明確。風機葉片經常遭受雷擊，但很少造成災難性后果。不過，雷擊會削弱葉片，造成內部損壞，隨著時間的推移，維修成本也會增加。例如，雷擊是造成葉片停機的第二大原因。“我們還沒有足夠的數據來了解這一挑戰的真正范圍，但我們知道這是工業和公共設施領域所關注的問題。我們都清楚風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。
該項目結合了Kumar在復合材料方面的專長和 ORNL 在碳纖維方面的能力。ORNL在能源部的碳纖維技術設施中制造的葉片尖端包含兩層標準玻璃纖維和實驗室開發的低成本碳纖維。在這種情況下，定制的導電碳纖維是在葉片表面分散電能的關鍵。隨后，研究人員使用工業標準設備和方法展示了該技術可以輕松地與現有制造工藝集成。
ORNL研究員Vipin Kumar是航空復合材料雷擊防護專家，在和他的團隊將風力發電機葉片尖端從美國能源部碳纖維技術設施的模具中取出之前，檢查了葉片尖端。來源| Carlos Jones/ORNL，美國能源部
庫馬爾解釋說，碳纖維的高昂成本通常使其只能用于風葉的承重結構--翼梁帽。但是，ORNL 為降低碳纖維成本所做的努力可能會使其在葉片尖端取代玻璃纖維變得經濟實惠，而玻璃纖維正是雷擊最頻繁的部位。“ORNL先進纖維制造小組負責人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模實現。雖然還有更多的工作要做，但這表明碳纖維在風能應用中可以發揮更重要的作用"。
ORNL 的風電葉片尖端可完全回收利用，最近榮獲了 AMCA 頒發的“綠色復合材料設計創新”類別的ACE復合材料卓越獎。“庫馬爾說："我們計劃在ORNL的制造示范設施中，通過重復使用碳纖維和用于3D打印的樹脂，展示該葉片的完全可回收性。
電光火石的職業生涯
庫馬爾的職業生涯始于2018年在ORNL進行的博士后研究，他一直在不懈地尋找保護飛機、無人機和風力發電機免受雷擊的方法，因為雷擊會威脅到結構的完整性和可靠的電力。“他說："我試圖讓天空中任何由復合材料制成的物體免受雷擊破壞。
碳纖維的強度使其成為飛機復合材料的不二之選，但它也具有半導電性。“庫馬爾解釋說："要保護復合材料免受雷擊破壞，就必須切實提高其導電性。“你不能依靠絕緣或將雷電引向特定位置"。
風能行業已經嘗試過這種方法，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，當雷電擊中復合材料時，避雷針并不總能吸引電流。“他指出："近幾十年來，其他風力發電機技術有了長足的發展，但該行業的雷擊防護方法卻沒有這么快。
為了提高導電性，庫馬爾使用了不同的材料，如導電外涂層或碳納米填料矩陣，以形成導電 “表皮”，從而消散能量，防止雷擊點的燃燒或內部損壞。庫馬爾的每項實驗都在雷電實驗室中進行測試，并不斷改進，最終研制出一種使用多層低成本碳纖維的壓縮成型復合材料。“庫馬爾說："我沒想到它的性能會這么好。“我對它進行了五次雷擊測試，雷擊強度是普通閃電的六倍：沒有損壞。我開始撓頭，問為什么"。
庫馬爾了解到，ORNL 的碳纖維可以定制，以獲得更高的導電性。
滿足未來的風力發電需求
碳纖維是航空航天工業的主要材料，預計五年內將供不應求，從而進一步推高其成本。ORNL 研究員 Subhabrata Saha 領導了葉片尖端的研發工作，他表示，ORNL 相信，這種更經濟的配方可以讓風能行業有能力競爭這種材料。“它可以幫助匹配當今的成本，同時提供更高的葉片單位重量強度"。
庫馬爾補充說，混合碳纖維復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，從而產生更多電力。
使用 ORNL 研發的碳纖維制成的風力發電機葉片尖端在實驗室接受模擬閃電的高壓沖擊測試時完好無損。
風電葉片的長度增加一倍，發電量就能增加四倍，因此葉片的長度有時超過一個足球場。這種尺寸的大幅增加使現代風機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，"庫馬爾補充道。
葉片和一組較小的復合材料板同時由相同的材料制成，分別經過了電壓和電流測試，以模擬雷電的破壞力。電流是電力流動的速度，電壓則是兩點之間驅動電力的力量。高壓測試用于了解雷電附著的進入和退出位置，而大電流測試的電阻熱對復合材料層壓板的破壞力更大。
庫馬爾的團隊隨后使用超聲波成像技術來評估材料是否受損。完整的風力葉片尖端在高壓電擊下完好無損，但在強電流沖擊下卻不盡如人意。庫馬爾說，然而，原型樣板沒有受到任何可見或內部損傷，并保持了機械性能，顯示出對雷擊 “非凡的復原力”。同樣的測試在使用標準商用碳纖維制造的面板上炸出了一個洞。
盡管采用的是同一種材料，為什么 ORNL 測試面板的性能要優于完整的葉尖？一個可能的原因是，面板是壓縮成型的，這就在復合材料中產生了更多的碳纖維。此外，它們還經過了熱固化，而葉片尖端則在室溫下固化。熱固化可以利用熱量強化材料結構，提高材料的熱特性和性能。
但庫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，他希望嘗試使用導電性更強的樹脂。此外，還可以用聚合物中的納米填料制成一種經濟實惠、用途廣泛的涂層。庫馬爾表示，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試中也表現良好。
庫馬爾對其研究的經濟可行性進行了探討，這是能源部 2024 能源 I-Corps 計劃的一部分，該計劃幫助國家實驗室科學家確定將其創新成果推向市場的途徑。庫馬爾采訪了 82 位風能行業的專業人士，包括風電葉片制造商、風電場運營商和葉片維修公司，以了解他們所面臨的挑戰以及他們愿意接受的解決方案。他的納米填料涂層引發了最大的興趣。庫馬爾正在與潛在的行業合作伙伴商討在風力發電場進行實地測試，以便對其效果進行長期監測。
這項研究由能源部能效與可再生能源辦公室下屬的先進材料與制造技術辦公室資助。
