眾所周知，高高矗立的風力發電機像樹木、建筑和電信發射塔一樣，容易遭受雷電襲擊。因此，傳統的風機葉片一般會設有雷電保護設施。

 

　　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了采用熱焊接技術制造的防雷電系統。

 

　　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，研究團隊為葉片增加了鋁箔層（左），并在連接處增設碳纖維加熱元件（右），方便采用熱焊接技術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，防止潛在裂紋的產生。

 

　　熱焊接工藝要求在葉片內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，配套發明了新型防雷擊系統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，液態熱塑性樹脂在真空輔助條件下被導入鋪設于模具內的玻璃纖維材料。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構夾在葉片上下半殼之間，并將電線連接到電源上構成加熱元件。當電流流經該元件，熱塑性樹脂隨之融化。而樹脂一旦融化，系統將立即斷電，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嘗試尋找葉片易遭雷擊的區域，結果發現電流通常會電擊葉片的尖端或邊緣，而非葉片內部或焊接區等容易出現過度損傷的區域。

 

　　熱焊接技術對于熱塑性復合材料風機葉片的商業化至關重要，但該技術在葉片上下半殼連接處設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商業化基金提供的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，葉片尖端受損區下層的碳纖維也安然無恙。

 

　　實驗結果充分證實了該防雷擊系統能夠保護葉片免受雷擊破壞。

 

　　下一步，研究團隊或將在明年對熱焊接葉片連接線和葉片尖端區域進行結構驗證。