保护风能未来：科学家研发新型防雷系统保护风力涡轮机

来自 实验室仪器网

研究人员团队使用新材料制造了整个6.5英尺长的涡轮叶片尖端，取得了重大进展。随后，该团队在专门实验室中对叶片尖端进行了模拟雷电强度测试，在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，隔离高电流仍然具有破坏性。但Kumar正在用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。

尽管雷电经常袭击风力涡轮机，但它对风电行业的更广泛影响仍不清楚。雷击涡轮机叶片很常见，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。

我们没有足够的数据来了解挑战的真正范围，但我们知道这对工业和公用事业来说是一个问题，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。

该项目将库马尔在复合材料方面的专业知识与ORNL在碳纤维方面的独特能力相结合。复合材料是一种将聚合物与玻璃纤维或碳纤维等坚固纤维结合在一起的材料，可形成一种坚硬、轻质的材料。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。

研究人员使用了行业标准的设备和方法来证明该技术可以很容易地与现有的制造工艺相结合。碳纤维的成本通常限制了它在风力叶片的承载结构（称为翼梁帽）中的应用。但ORNL努力降低碳纤维成本，可能使它成为最容易遭受雷击的叶片尖端中玻璃纤维的替代品，而且成本较低。

这是朝着正确方向迈出的一步，证明这一技术可以大规模应用。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，有助于推动风电行业实现更大的可持续性。该项目最近获得了美国复合材料制造商协会颁发的“绿色复合材料设计创新”类别的ACE复合材料卓越奖。

研究人员计划通过在ORNL的制造演示设施中重新使用碳纤维和重新使用3D打印树脂来展示该叶片的完全可回收性，碳纤维的强度使其成为飞机复合材料的不二之选，但碳复合材料是半导体材料。“为了保护复合材料免受雷击损坏，必须提高其导电性，你不能依赖绝缘或将雷电引导到特定位置。

风电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，就像表面下的避雷针一样，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最近几十年取得了长足的发展，但该行业的防雷方法并没有那么快发展。

为了提高导电性，科研人员使用了不同的材料，例如导电外部涂层或碳纳米填料基质，以创建导电“皮肤”，以消散能量，防止击中点燃烧或内部损坏。ORNL的碳纤维可以定制以提高导电性，这启发在整个叶片尖端进行测试。

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。
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是经过压缩成型的，这在复合材料中产生了更高的碳纤维含量。它们还经过热固化，这是风能行业的常见做法，而叶片尖端则在室温下固化。热固化利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。用聚合物中的纳米填料可以制成价格实惠、用途广泛的涂层。Kumar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得非常出色。

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