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美國開發(fā)熱塑性風(fēng)機(jī)葉片雷擊保護(hù)系統(tǒng)

2021-10-12 來源：中國復(fù)材展組委會瀏覽數(shù)：542

眾所周知，高高矗立的風(fēng)力發(fā)電機(jī)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(fēng)機(jī)葉片一般會設(shè)有雷電保護(hù)設(shè)施。

　　日前，美國能源部可再生能源實(shí)驗(yàn)室（NREL）為熱塑性復(fù)合材料風(fēng)機(jī)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(fēng)機(jī)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(fù)合材料可在室溫下固化，大幅降低了風(fēng)機(jī)葉片的生產(chǎn)成本，縮短了工藝周期。

雷電保護(hù)

　　為了給熱塑性風(fēng)機(jī)葉片建立有效的防雷擊系統(tǒng)，研究團(tuán)隊(duì)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(shí)施加熱工序。因此，NREL團(tuán)隊(duì)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(fù)合材料的安全。該項(xiàng)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(dǎo)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(kuò)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(dāng)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(shí)驗(yàn)

　　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(fù)合材料風(fēng)機(jī)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(jìn)行雷擊保護(hù)就顯得尤為重要。

　　2019年，項(xiàng)目團(tuán)隊(duì)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(xiàng)目提供了15萬美元的配套資金。

　　研究者將擴(kuò)展性鋁箔埋入葉片蒙皮，從而將雷擊電流導(dǎo)出金屬加熱元件。隨后的模擬實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了該方法能夠有效保護(hù)葉片免遭雷擊破壞。

　　大電流物理損傷試驗(yàn)表明，80%的電流能夠通過擴(kuò)展鋁箔層導(dǎo)出，并沒有進(jìn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果充分證實(shí)了該防雷擊系統(tǒng)能夠保護(hù)葉片免受雷擊破壞。

　　下一步，研究團(tuán)隊(duì)或?qū)⒃诿髂陮岷附尤~片連接線和葉片尖端區(qū)域進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)證。

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