ORNL的研究人员和技术人员准备从模具中取出风叶尖端，模具中的玻璃纤维用ORNL碳纤维层固化。来源| Carlos Jones/ORNL，美国能源部
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，以防止风力发电机和飞机中使用的复合材料遭受雷击损害。在Vipin Kumar的领导下，ORNL 利用新型材料制造出了整个 6.5 英尺长的风电叶片尖端，从而实现了一个重要的里程碑。随后，研究小组在密西西比州立大学的一个专门实验室中对其进行了模拟闪电力测试。
经过隔离高压影响的测试后，叶片尖端完好无损。在同一实验室进行的单独测试发现，隔离的高电流仍然具有破坏性。但Kumar正以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。
尽管雷电经常击中风力发电机，但其对风能产业的更广泛影响仍不明确。风机叶片经常遭受雷击，但很少造成灾难性后果。不过，雷击会削弱叶片，造成内部损坏，随着时间的推移，维修成本也会增加。例如，雷击是造成叶片停机的第二大原因。“我们还没有足够的数据来了解这一挑战的真正范围，但我们知道这是工业和公共设施领域所关注的问题。我们都清楚风能是支持能源安全的可靠电力来源，但我相信，任何我们能做到的使其更具灵活性和可靠性的事情都很重要。
该项目结合了Kumar在复合材料方面的专长和 ORNL 在碳纤维方面的能力。ORNL在能源部的碳纤维技术设施中制造的叶片尖端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在叶片表面分散电能的关键。随后，研究人员使用工业标准设备和方法展示了该技术可以轻松地与现有制造工艺集成。
ORNL研究员Vipin Kumar是航空复合材料雷击防护专家，在和他的团队将风力发电机叶片尖端从美国能源部碳纤维技术设施的模具中取出之前，检查了叶片尖端。来源| Carlos Jones/ORNL，美国能源部
库马尔解释说，碳纤维的高昂成本通常使其只能用于风叶的承重结构--翼梁帽。但是，ORNL 为降低碳纤维成本所做的努力可能会使其在叶片尖端取代玻璃纤维变得经济实惠，而玻璃纤维正是雷击最频繁的部位。“ORNL先进纤维制造小组负责人Merlin Theodore说："这是朝着正确方向迈出的一步。“我们很高兴能证明这可以大规模实现。虽然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 的风电叶片尖端可完全回收利用，最近荣获了 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。“库马尔说："我们计划在ORNL的制造示范设施中，通过重复使用碳纤维和用于3D打印的树脂，展示该叶片的完全可回收性。
电光火石的职业生涯
库马尔的职业生涯始于2018年在ORNL进行的博士后研究，他一直在不懈地寻找保护飞机、无人机和风力发电机免受雷击的方法，因为雷击会威胁到结构的完整性和可靠的电力。“他说："我试图让天空中任何由复合材料制成的物体免受雷击破坏。
碳纤维的强度使其成为飞机复合材料的不二之选，但它也具有半导电性。“库马尔解释说："要保护复合材料免受雷击破坏，就必须切实提高其导电性。“你不能依靠绝缘或将雷电引向特定位置"。
风能行业已经尝试过这种方法，即使用金属受体连接到叶片中的杆上，就像地表下的避雷针一样，将电能输送到地面。然而，当雷电击中复合材料时，避雷针并不总能吸引电流。“他指出："近几十年来，其他风力发电机技术有了长足的发展，但该行业的雷击防护方法却没有这么快。
为了提高导电性，库马尔使用了不同的材料，如导电外涂层或碳纳米填料矩阵，以形成导电 “表皮”，从而消散能量，防止雷击点的燃烧或内部损坏。库马尔的每项实验都在雷电实验室中进行测试，并不断改进，最终研制出一种使用多层低成本碳纤维的压缩成型复合材料。“库马尔说："我没想到它的性能会这么好。“我对它进行了五次雷击测试，雷击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，以获得更高的导电性。
满足未来的风力发电需求
碳纤维是航空航天工业的主要材料，预计五年内将供不应求，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工作，他表示，ORNL 相信，这种更经济的配方可以让风能行业有能力竞争这种材料。“它可以帮助匹配当今的成本，同时提供更高的叶片单位重量强度"。
库马尔补充说，混合碳纤维复合材料叶尖比纯玻璃纤维叶尖轻41%。“这意味着我们可以制造出相同重量的更大叶片，从而产生更多电力。
使用 ORNL 研发的碳纤维制成的风力发电机叶片尖端在实验室接受模拟闪电的高压冲击测试时完好无损。
风电叶片的长度增加一倍，发电量就能增加四倍，因此叶片的长度有时超过一个足球场。这种尺寸的大幅增加使现代风机能够输出更多的能量。“但叶片越大，被闪电击中的几率就越大，"库马尔补充道。
叶片和一组较小的复合材料板同时由相同的材料制成，分别经过了电压和电流测试，以模拟雷电的破坏力。电流是电力流动的速度，电压则是两点之间驱动电力的力量。高压测试用于了解雷电附着的进入和退出位置，而大电流测试的电阻热对复合材料层压板的破坏力更大。
库马尔的团队随后使用超声波成像技术来评估材料是否受损。完整的风力叶片尖端在高压电击下完好无损，但在强电流冲击下却不尽如人意。库马尔说，然而，原型样板没有受到任何可见或内部损伤，并保持了机械性能，显示出对雷击 “非凡的复原力”。同样的测试在使用标准商用碳纤维制造的面板上炸出了一个洞。
尽管采用的是同一种材料，为什么 ORNL 测试面板的性能要优于完整的叶尖？一个可能的原因是，面板是压缩成型的，这就在复合材料中产生了更多的碳纤维。此外，它们还经过了热固化，而叶片尖端则在室温下固化。热固化可以利用热量强化材料结构，提高材料的热特性和性能。
但库马尔并不指望能轻松解决问题。由于树脂占刀尖的最大部分，他希望尝试使用导电性更强的树脂。此外，还可以用聚合物中的纳米填料制成一种经济实惠、用途广泛的涂层。库马尔表示，即使没有碳纤维，使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。
库马尔对其研究的经济可行性进行了探讨，这是能源部 2024 能源 I-Corps 计划的一部分，该计划帮助国家实验室科学家确定将其创新成果推向市场的途径。库马尔采访了 82 位风能行业的专业人士，包括风电叶片制造商、风电场运营商和叶片维修公司，以了解他们所面临的挑战以及他们愿意接受的解决方案。他的纳米填料涂层引发了最大的兴趣。库马尔正在与潜在的行业合作伙伴商讨在风力发电场进行实地测试，以便对其效果进行长期监测。
这项研究由能源部能效与可再生能源办公室下属的先进材料与制造技术办公室资助。