眾所周知，高高矗立的風力發(fā)電機像樹木、建筑和電信發(fā)射塔一樣，容易遭受雷電襲擊。因此，傳統(tǒng)的風機葉片一般會設(shè)有雷電保護設(shè)施。
日前，美國能源部可再生能源實驗室（NREL）為熱塑性復合材料風機葉片開發(fā)了采用熱焊接技術(shù)制造的防雷電系統(tǒng)。
與目前風機葉片常用的熱固性樹脂基體不同，熱塑性樹脂能夠被輕松回收。同時，與熱固性材料需要加熱固化的工藝不同，熱塑性復合材料可在室溫下固化，大幅降低了風機葉片的生產(chǎn)成本，縮短了工藝周期。
雷電保護
為了給熱塑性風機葉片建立有效的防雷擊系統(tǒng)，研究團隊為葉片增加了鋁箔層（左），并在連接處增設(shè)碳纖維加熱元件（右），方便采用熱焊接技術(shù)將葉片上下半殼連接為一體。
NREL的熱塑性葉片熱焊接工藝已申請專利，并已代替膠黏劑用于葉片部件的粘接，能夠有效避免重量增加，防止?jié)撛诹鸭y的產(chǎn)生。
熱焊接工藝要求在葉片內(nèi)部安裝金屬加熱元件來實施加熱工序。因此，NREL團隊在GE和LM的資助下，配套發(fā)明了新型防雷擊系統(tǒng)來確保熱塑性復合材料的安全。該項目于2018年啟動。
新葉片分上下半殼分別制造，液態(tài)熱塑性樹脂在真空輔助條件下被導入鋪設(shè)于模具內(nèi)的玻璃纖維材料。為了能將上下半殼順利焊接為一體，研究者將擴展型金屬箔或碳纖維以類似三明治結(jié)構(gòu)夾在葉片上下半殼之間，并將電線連接到電源上構(gòu)成加熱元件。當電流流經(jīng)該元件，熱塑性樹脂隨之融化。而樹脂一旦融化，系統(tǒng)將立即斷電，熔融樹脂隨即在壓力作用下冷卻凝固。
雷擊實驗
研究者采用雷電模擬技術(shù)嘗試尋找葉片易遭雷擊的區(qū)域，結(jié)果發(fā)現(xiàn)電流通常會電擊葉片的尖端或邊緣，而非葉片內(nèi)部或焊接區(qū)等容易出現(xiàn)過度損傷的區(qū)域。
熱焊接技術(shù)對于熱塑性復合材料風機葉片的商業(yè)化至關(guān)重要，但該技術(shù)在葉片上下半殼連接處設(shè)置的加熱元件卻為遭遇雷擊埋下了隱患。因此對連接線進行雷擊保護就顯得尤為重要。
2019年，項目團隊獲得了美國能源部技術(shù)商業(yè)化基金提供的15萬美元的資金資助，GE公司也為該項目提供了15萬美元的配套資金。
研究者將擴展性鋁箔埋入葉片蒙皮，從而將雷擊電流導出金屬加熱元件。隨后的模擬實驗也證實了該方法能夠有效保護葉片免遭雷擊破壞。
大電流物理損傷試驗表明，80%的電流能夠通過擴展鋁箔層導出，并沒有進入葉片蒙皮。同時，葉片尖端受損區(qū)下層的碳纖維也安然無恙。
實驗結(jié)果充分證實了該防雷擊系統(tǒng)能夠保護葉片免受雷擊破壞。
下一步，研究團隊或?qū)⒃诿髂陮岷附尤~片連接線和葉片尖端區(qū)域進行結(jié)構(gòu)驗證。
