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美國(guó)開(kāi)發(fā)熱塑性風(fēng)機(jī)葉片雷擊保護(hù)系統(tǒng)

2021-10-12 來(lái)源:中國(guó)復(fù)材展組委會(huì) 瀏覽數(shù):588

眾所周知,高高矗立的風(fēng)力發(fā)電機(jī)像樹(shù)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(huì)設(shè)有雷電保護(hù)設(shè)施。

  眾所周知,高高矗立的風(fēng)力發(fā)電機(jī)像樹(shù)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(huì)設(shè)有雷電保護(hù)設(shè)施。
 
  日前,美國(guó)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(kāi)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(shù)脂基體不同,熱塑性樹(shù)脂能夠被輕松回收。同時(shí),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(qǐng)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(lái)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(lái)確保熱塑性復(fù)合材料的安全。該項(xiàng)目于2018年啟動(dòng)。
 
  新葉片分上下半殼分別制造,液態(tài)熱塑性樹(shù)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(lèi)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(shù)脂隨之融化。而樹(shù)脂一旦融化,系統(tǒng)將立即斷電,熔融樹(shù)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(huì)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(guò)度損傷的區(qū)域。
 
  熱焊接技術(shù)對(duì)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(duì)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(guó)能源部技術(shù)商業(yè)化基金提供的15萬(wàn)美元的資金資助,GE公司也為該項(xiàng)目提供了15萬(wàn)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?yè)p傷試驗(yàn)表明,80%的電流能夠通過(guò)擴(kuò)展鋁箔層導(dǎo)出,并沒(méi)有進(jìn)入葉片蒙皮。同時(shí),葉片尖端受損區(qū)下層的碳纖維也安然無(wú)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?duì)熱焊接葉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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