ORNL 展示复合材料（风电叶片尖端）的雷击防护技术

ORNL 的研究人员和技术人员准备将风力叶片尖端从模具中取出，模具中的玻璃纤维与 ORNL 碳纤维层一起固化。来源 | Carlos Jones/ORNL，美国能源部

尽管雷击经常袭击风力涡轮机，但它对风电行业的更广泛影响仍不清楚。风力涡轮机叶片经常遭受雷击，但很少造成灾难性后果。然而，雷击会削弱叶片，造成内部损坏，随着时间的推移，维修成本会增加。例如，雷击是叶片相关停机的第二大原因，Kumar 说。“我们没有足够的数据来了解挑战的真正范围，但我们知道这是工业和公用事业所担心的问题。我们知道风能是一种可靠的电力来源，可以保障能源安全，但我相信，我们可以采取任何措施使其更具弹性和可靠性，这很重要。”

该项目将库马尔在复合材料方面的专业知识与 ORNL 在碳纤维方面的能力相结合。叶片尖端由 ORNL 的 DOE 碳纤维技术设施制造，包含两层标准玻璃纤维和实验室开发的低成本碳纤维。在这种情况下，定制的导电碳纤维是将电能分散到叶片表面的关键。研究人员随后使用行业标准设备和方法来展示该技术可以轻松与现有的制造工艺相结合。

Kumar 解释说，碳纤维的成本通常限制了它在风力叶片的承重结构（翼梁帽）中的应用。但 ORNL 努力降低碳纤维成本，可能使在叶片尖端（雷击最频繁的地方）用碳纤维替代玻璃纤维变得经济实惠。“这是朝着正确方向迈出的一步，”ORNL 先进纤维制造小组负责人 Merlin Theodore 说道。“我们很高兴能够证明这可以大规模实现。尽管还有更多工作要做，但这表明碳纤维在风能应用中可以发挥更重要的作用。”

ORNL 的涡轮叶片尖端完全可回收，最近 获得了 AMCA 颁发的“绿色复合材料设计创新”类别的复合材料卓越奖 ACE 奖 。“我们计划通过在 ORNL 的制造示范设施中重复使用碳纤维和重复使用树脂进行 3D 打印来展示该叶片的完全可回收性，”Kumar 说道。

激动人心的职业生涯

库马尔的职业生涯始于 2018 年，当时他在 ORNL 从事博士后研究。他一直在不懈地寻找保护飞机、无人机和风力涡轮机免受雷击的方法，因为雷击会威胁到结构完整性和可靠的电力。“我试图保护天空中任何由复合材料制成的东西免受雷击损坏，”他说。

碳纤维的强度使其成为飞机复合材料的不二之选，但它也具有半导体特性。“为了保护复合材料免受雷击损坏，你必须提高其导电性，”库马尔解释道。“你不能依赖绝缘或将雷电引导到特定位置。” 

风能行业曾尝试过这种方法，即使用 连接到叶片杆上的金属接收器（就像地表下的避雷针）将电流传输到地面。然而，当雷电击中复合材料时，杆并不总是能吸收电流。“虽然其他风力涡轮机技术在近几十年里取得了长足的发展，但该行业的防雷方法并没有那么快的进步，”他指出。

为了提高导电性，Kumar 使用了不同的材料，例如 导电外涂层 或 碳纳米填料基质，以形成导电“外皮”，从而消散能量，防止击中点燃烧或内部损坏。Kumar 的每次实验都在雷电实验室中进行测试，不断取得改进，最终使用多层低成本碳纤维制成了压模复合材料。“我没想到它的表现会这么好，”Kumar 说。“我测试了它经受了五次雷击，这些雷击的强度是普通闪电的六倍：没有损坏。我开始挠头，问为什么。” 

库马尔了解到 ORNL 的碳纤维可以定制以提高导电性，这启发他在整个叶片尖端进行测试。

满足未来风力发电需求

碳纤维是航空航天业的支柱，预计五年内碳纤维的需求将超过供应，从而进一步推高其成本。ORNL 研究员 Subhabrata Saha 领导了叶片尖端的研发，他表示，ORNL 相信其更经济的配方可以让风能行业有能力竞争这种材料。“它可以帮助降低当今的成本，同时提供更高的叶片单位重量强度。”

Kumar 补充道，混合碳纤维复合材料叶片尖端比纯玻璃纤维制成的叶片尖端轻 41%。“这意味着我们可以制造重量相同但体积更大的叶片，从而产生更多电力。”

使用 ORNL 开发的碳纤维制成的风力涡轮机叶片尖端在实验室中经受模拟闪电的高压冲击测试时完好无损。来源 | Vipin Kumar/ORNL，美国能源部

涡轮叶片长度增加一倍可产生四倍的电力，有时叶片的长度甚至超过一个足球场。这种显著的尺寸增加使现代风力涡轮机能够输出更多的能量。“但叶片越大，被雷击中的可能性就越大，”库马尔补充道。 

叶片和一组较小的复合板（由同一种材料同时制成）分别接受了电压和电流测试，以模拟闪电的破坏力。电流是电流流动的速率，电压本质上是驱动两点之间电流的力。高压测试用于了解闪电附件的入口和出口位置，而高电流测试的电阻热对复合层压板的破坏性更大。

库马尔的团队随后使用超声波成像来评估材料是否受到损坏。整个风力叶片尖端在高压电流下完好无损，但在强电流冲击下却表现不佳。然而，库马尔说，原型样品面板没有受到可见或内部损坏，并保持了其机械性能，显示出对雷击的“非凡弹性”。同样的测试在用标准商用碳纤维制成的面板上炸出了一个洞。

为什么 ORNL 测试面板的性能优于全叶片尖端，尽管它们采用的是相同的材料制成？一个可能的原因是面板采用压缩成型，从而在复合材料中产生了更多的碳纤维。它们也经过热固化，而叶片尖端则在室温下固化。热固化通过使用热量来强化材料的结构并提高其热性能和性能，从而改善材料。

但库马尔并不指望能找到简单的解决方案。由于树脂占叶片尖端的最大部分，他想尝试使用导电性更强的树脂。此外，可以用聚合物中的纳米填料制成价格实惠、用途广泛的涂层。库马尔表示，即使没有碳纤维，涂有这种涂层的面板在最近的电压和电流测试中也表现良好。

作为美国能源部 2024 年能源 I-Corps 项目的一部分，Kumar 探索了他的研究的经济可行性，该项目帮助国家实验室的科学家确定将他们的创新推向市场的途径。Kumar 采访了 82 位风电行业专业人士，包括涡轮叶片制造商、风电场运营商和叶片维修公司，以进一步了解他们面临的挑战以及他们会采用的解决方案。他的纳米填料涂层引起了最多的兴趣。Kumar 正在与潜在的行业合作伙伴讨论在风电场进行现场测试，以便可以长期监测其有效性。 

该研究由美国能源部能源效率和可再生能源办公室下属的先进材料和制造技术办公室资助。