ORNL 展示用于复合材料的雷击保护技术

美国能源部 （DOE） 橡树岭国家实验室（ORNL，美国田纳西州）的研究人员一直在集思广益，研究一系列技术，以防止雷击损坏风力涡轮机和飞机中使用的复合材料。在 Vipin Kumar 的领导下，ORNL 通过使用新型材料建造了一个完整的 6.5 英尺涡轮机叶尖，达到了一个重要的里程碑。然后，该团队在密西西比州立大学的一个专业实验室中对其进行了模拟雷电力量测试。

在隔离高压影响的测试后，叶尖呈现出原始状态。同一实验室的单独测试发现，隔离的大电流仍然具有破坏性。但 Kumar 正在通过进一步的创新进行反击。ORNL 最近的演示强调了使用导电材料或涂层保护叶片的新方法的可能性。

尽管闪电经常击中风力涡轮机，但其对风能行业的更广泛影响仍不清楚。涡轮机叶片的雷击很常见，但很少造成灾难性后果。然而，它们会因内部损坏而削弱叶片，随着时间的推移，这会导致维修成本增加。例如，Kumar 说，雷击是导致叶片相关停机的第二大原因。“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公司关心的问题。我们知道风能是支持能源安全的可靠电力来源，但我相信我们能做的任何事情来使其更具弹性和可靠性都很重要。

该项目将 Kumar 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 在美国能源部的碳纤维技术设施制造，由标准玻璃纤维和实验室开发的低成本碳纤维各包含两层。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。然后，研究人员使用行业标准设备和方法来证明该技术可以很容易地与已建立的制造流程集成。

Kumar 解释说，碳纤维的成本通常限制了其用于风力叶片的承重结构——翼梁帽。但 ORNL 为降低碳纤维成本所做的努力可能使更换雷击最频繁的叶尖中的玻璃纤维变得经济。“这是朝着正确方向前进的垫脚石，”ORNL 先进纤维制造小组的负责人 Merlin Theodore 说。“我们很高兴证明这可以大规模完成。尽管还有更多的工作要做，但这表明碳纤维在风能应用中可以发挥更重要的作用。

ORNL 的涡轮叶片叶尖完全可回收，最近获得了 AMCA 颁发的“绿色复合材料设计创新”类别的 ACE 复合材料卓越奖。“我们有一个计划，通过在 ORNL 的制造示范设施中重复使用碳纤维并将树脂重新用于 3D 打印来展示这种刀片的完全可回收性，”Kumar 说。

令人振奋的职业生涯 Kumar 的职业生涯始于 2018 年在 ORNL 的博士后研究，一直在不懈地寻找保护飞机、无人机和风力涡轮机免受威胁结构完整性和可靠电力的闪电的方法。“我正在努力拯救天空中任何由复合材料制成的物体免受闪电伤害，”他说。

碳纤维的强度使其成为飞机复合材料的专用选择，但它也是半导电的。“为了保护复合材料免受雷击伤害，实际上必须提高其导电性，”Kumar 解释说。“你不能指望它绝缘或将闪电引导到特定位置。”

风电行业已经尝试了这种方法，方法是使用连接到叶片中一根杆的金属接收器（如表面下的避雷针）将电力输送到地面。然而，当雷电击中复合材料时，棒并不总是会消耗电流。“虽然其他风力涡轮机技术在近几十年来取得了长足的发展，但该行业的雷击保护方法并没有那么快，”他指出。

为了提高导电性，Kumar 使用了不同的材料，例如导电外部涂层或碳纳米填料基质，以产生耗散能量的导电“皮肤”，防止打击点燃烧或内部损坏。Kumar 的每项实验都在闪电实验室中进行了测试，产生了持续改进，最终形成了使用多层低成本碳纤维的压缩成型复合材料。 “我没想到它的表现会像现在这样好，”Kumar 说。“我用五次雷击测试了它，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。

Kumar 了解到 ORNL 的碳纤维可以定制以获得更高的导电性，这激发了他在整个刀尖中进行测试。

满足未来的风力发电需求 碳纤维是航空航天业的支柱，预计五年内将供不应求，进一步推高其成本。ORNL 认为，其更经济的配方可以使风电行业有能力竞争这种材料，领导叶尖创造的 ORNL 研究员 Subhabrata Saha 说。“它可以帮助匹配当今的成本，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尖比纯玻璃纤维制成的叶尖轻 41%。“这意味着我们可以制造出相同重量的更大叶片，从而产生更多的电力。”

将涡轮叶片的长度增加一倍，使其产生的功率增加四倍，导致叶片有时超过一个足球场的长度。这种显著的尺寸增加使现代风力涡轮机能够产生更多的能量输出。“但刀片越大，被闪电击中的几率就越大，”Kumar 补充道。

刀片和一组较小的复合板由同一材料同时制成，分别进行了电压和电流测试，以模拟闪电的破坏力。电流是电流流动的速率，而电压本质上是驱动两点之间电流的力。高压测试用于了解雷电附件的入口和出口位置，而大电流测试的电阻热对复合材料层压板的破坏性更大。

然后，Kumar 的团队使用超声波成像来评估材料的任何损坏。完整的风叶尖端从高压电中脱颖而出，但无法承受强电流的冲击。然而，Kumar 说，原型样品板没有受到可见或内部损坏，并保留了其机械性能，表现出对雷击的“非凡的弹性”。同样的测试在用标准商用碳纤维制成的面板上炸了一个洞。

为什么 ORNL 测试板的性能优于全叶尖，尽管它们由相同的材料制成？一个可能的原因是面板是模压成型的，这在复合材料中产生了更高的碳纤维体积。它们也经过热固化，而刀尖则允许在室温下凝固。热固化通过利用热量来增强其结构并增强其热性能和性能，从而改善材料。

但 Kumar 并不指望有一个简单的解决方案。由于树脂构成了叶片尖端的最大部分，因此他想尝试使用导电性更强的树脂。此外，聚合物中的纳米填料可以制成经济实惠的多功能涂层。Kumar 表示，即使没有碳纤维，采用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 计划的一部分，Kumar 探索了他的研究的经济可行性，该计划帮助国家实验室科学家确定将其创新推向市场的途径。Kumar 采访了 82 名风电行业专业人士，包括涡轮机叶片制造商、风电场运营商和叶片维修公司，以详细了解他们面临的挑战以及他们将采用的解决方案。他的纳米填料涂层引起了最大的兴趣。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，以便随着时间的推移监测其有效性。

该研究由美国能源部能源效率和可再生能源办公室（Office of Energy Efficiency and Renewable Energy）的先进材料和制造技术办公室（Advanced Materials and Manufacturing Technologies Office）资助。