風(fēng)電葉片雷擊防護(hù)的研究進(jìn)展

謝惠，李曉旻，李子威，陸書(shū)建

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所洛陽(yáng)雙瑞風(fēng)電葉片有限公司，河南洛陽(yáng)471039)

風(fēng)電葉片雷擊防護(hù)的研究進(jìn)展

謝惠，李曉旻，李子威，陸書(shū)建

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七二五研究所洛陽(yáng)雙瑞風(fēng)電葉片有限公司，河南洛陽(yáng)471039)

風(fēng)力發(fā)電是一種清潔能源，近年來(lái)受到全球范圍的關(guān)注。隨著陸上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)趨于飽和，風(fēng)力發(fā)電逐漸向海上擴(kuò)張。海上風(fēng)電雖與陸上風(fēng)電有所不同，但雷電襲擊對(duì)于海陸風(fēng)電力發(fā)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，都是威脅其運(yùn)行安全的嚴(yán)重問(wèn)題。風(fēng)電葉片作為風(fēng)電機(jī)組的重要組成部件之一，其受雷擊后會(huì)導(dǎo)致風(fēng)機(jī)停運(yùn)，帶來(lái)嚴(yán)重的經(jīng)濟(jì)損失。葉片的雷擊防護(hù)已引起人們的重視，成為風(fēng)電領(lǐng)域和防雷領(lǐng)域的熱點(diǎn)問(wèn)題。本文闡述了風(fēng)電葉片防雷系統(tǒng)的現(xiàn)狀和問(wèn)題，風(fēng)電葉片雷擊防護(hù)的研究進(jìn)展，并結(jié)合復(fù)合材料雷電實(shí)驗(yàn)的研究成果，為海上風(fēng)電葉片防雷系統(tǒng)的研究提供新思路和新方向。

風(fēng)電葉片;碳纖維復(fù)合材料;防雷系統(tǒng);海上風(fēng)電

1 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)增長(zhǎng)和不可再生能源的日益枯竭，風(fēng)能作為一種清潔能源受到世界各國(guó)的關(guān)注。近年來(lái)，我國(guó)陸上風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的單機(jī)容量越來(lái)越大，輪轂高度和葉輪直徑也不斷提升，使得風(fēng)電機(jī)組在運(yùn)行過(guò)程中受雷擊的風(fēng)險(xiǎn)變得更高。風(fēng)電葉片因處于風(fēng)電機(jī)組最高位，成為風(fēng)電機(jī)組中受雷擊概率最大的零部件之一。對(duì)于海上風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的建設(shè)，風(fēng)電葉片處于濕度大、鹽分高的海洋大氣區(qū)，潮濕的空氣和鹽分極易在葉片表面聚集，相比于陸上風(fēng)電葉片，葉片自身的絕緣能力較低，此外，風(fēng)電葉片所處環(huán)境比陸上風(fēng)電場(chǎng)更為空曠，因而海上風(fēng)電葉片更易受到雷電襲擊。海上風(fēng)機(jī)葉片的雷擊損壞后果十分嚴(yán)重，會(huì)導(dǎo)致高昂的葉片維修費(fèi)和風(fēng)力發(fā)電系統(tǒng)長(zhǎng)時(shí)間的停機(jī)，嚴(yán)重影響風(fēng)場(chǎng)的正常運(yùn)行。因此，亟需對(duì)陸上和海上風(fēng)電葉片防雷擊系統(tǒng)展開(kāi)進(jìn)一步的研究。

2 風(fēng)電葉片防雷系統(tǒng)現(xiàn)狀及問(wèn)題

風(fēng)電葉片的防雷保護(hù)一般是按照IEC61400進(jìn)行設(shè)計(jì)的，IEC61400-24對(duì)風(fēng)電葉片的防雷推薦了多種方案。目前常用的方案是通過(guò)在葉片尖部，葉片中部，葉片表面和內(nèi)部安裝金屬接閃器，讓雷擊電流通過(guò)金屬接閃器和下引導(dǎo)線傳至葉片根部，從而保護(hù)風(fēng)電葉片免受損壞，如圖1所示。現(xiàn)階段我國(guó)風(fēng)電葉片的設(shè)計(jì)主要依托國(guó)外公司，葉片實(shí)際生產(chǎn)時(shí)完全按照設(shè)計(jì)文件的要求安裝葉片防雷系統(tǒng)。而國(guó)外設(shè)計(jì)公司在設(shè)計(jì)風(fēng)電葉片防雷系統(tǒng)時(shí)并未考慮我國(guó)地域的雷電活動(dòng)情況及實(shí)際風(fēng)電機(jī)組裝機(jī)密度，有資料表明德國(guó)地區(qū)的雷電活動(dòng)總體分布特點(diǎn)是南多北少，與中國(guó)向比，其最高累計(jì)密度處于較低水平。德國(guó)統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)表明風(fēng)電葉片雷擊損壞率不高，設(shè)計(jì)人員在葉片防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)方面重視程度不足［1］。對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)，其葉片防雷系統(tǒng)的設(shè)計(jì)大多也是按照IEC61400進(jìn)行，但海上風(fēng)電葉片長(zhǎng)期處于潮濕環(huán)境，葉片表面附著的水分和鹽分會(huì)降低葉片接閃器的有效接閃率，海上風(fēng)電葉片僅采用與陸上風(fēng)電葉片類似的防雷系統(tǒng)是不夠的。因此，在風(fēng)電葉片的實(shí)際制作中，應(yīng)當(dāng)考慮在設(shè)計(jì)文件所提供的葉片防雷系統(tǒng)方案的基礎(chǔ)上增加新的防雷保護(hù)措施。

圖1 葉片接閃器及下引導(dǎo)線示意圖

3 風(fēng)電葉片雷擊防護(hù)研究進(jìn)展

3.1 風(fēng)電葉片防雷技術(shù)研究方向

對(duì)于陸上風(fēng)電葉片防雷系統(tǒng)的研究，現(xiàn)階段研究對(duì)象多為單體風(fēng)機(jī)，而對(duì)風(fēng)電場(chǎng)整體研究的較少。隨著陸上風(fēng)電機(jī)組葉片長(zhǎng)度的增長(zhǎng)，輪轂高度的增高，風(fēng)電場(chǎng)裝機(jī)密度的增大，如何提高風(fēng)電機(jī)組之間的屏蔽性應(yīng)成為研究的方向之一。對(duì)于海上風(fēng)電場(chǎng)的防雷研究，現(xiàn)階段缺少能為海上風(fēng)機(jī)防雷保護(hù)設(shè)計(jì)提供支持的海上風(fēng)電場(chǎng)先導(dǎo)概率模型。此模型的建立首先需要獲得一系列海上雷電物理參數(shù)，如雷電電荷密度、海上環(huán)境的電場(chǎng)強(qiáng)度、先導(dǎo)通道長(zhǎng)度及發(fā)展速度等，但目前國(guó)內(nèi)外對(duì)此類數(shù)據(jù)的探測(cè)和積累十分欠缺。此外，目前已知海上風(fēng)電葉片表面附著的水分、鹽分會(huì)對(duì)葉片自身接閃器性能產(chǎn)生影響，但與此相關(guān)的具體研究開(kāi)展較少。因此，應(yīng)加強(qiáng)海上風(fēng)電場(chǎng)雷擊演化物理機(jī)制，葉片接閃器效率及布置優(yōu)化的理論研究，為海上風(fēng)電葉片防雷技術(shù)的發(fā)展提供理論基礎(chǔ)。就當(dāng)前研究進(jìn)展情況而言，雷擊防護(hù)已經(jīng)在防雷增效和新興防雷擊材料兩方面開(kāi)展了研究。

3.2 葉片防雷擊系統(tǒng)增強(qiáng)措施的研究進(jìn)展

葉片防雷擊的總體思路是提高葉片的有效接閃率，增大葉片自身的導(dǎo)電能力。在發(fā)生雷擊時(shí)，葉片防雷系統(tǒng)的導(dǎo)電物質(zhì)可作為雷電行走通道將葉片上的雷電引入地下，或者是對(duì)雷電進(jìn)行攔截，防止雷電擊中葉片主體造成損害。一類方法是使用涂層提高葉片導(dǎo)電能力;另一類方法是將導(dǎo)電的材料添加進(jìn)葉片的表面材料部分，使得葉片自身就可以進(jìn)行導(dǎo)電，進(jìn)而將雷電流經(jīng)葉片傳到根部［2］。對(duì)于第一類方法，大多是在表面增加導(dǎo)電功能層，通過(guò)將葉片表面靜電荷或電流及時(shí)排放的方式來(lái)保護(hù)葉片，防止雷電擊壞葉片。根據(jù)報(bào)道［3］，國(guó)外有些葉片防雷系統(tǒng)使用外表面粘貼鋁箔的方法，葉片外表面粘貼導(dǎo)電金屬箔，該金屬條形成分段式避雷帶，雷擊后，起粘接作用的環(huán)氧基膠料汽化，可方便撕去損壞的金屬條，快速更換新導(dǎo)電金屬條。對(duì)于第二類方法可以將金屬材料或其他導(dǎo)電材料直接噴在葉片的表面上，也可以將金屬纖維加入到葉片外層制造材料的內(nèi)部，或是將金屬網(wǎng)放置在葉片的表面，或者是將導(dǎo)電物質(zhì)引入表面的復(fù)合材料之中［2］。

3.3 新型防雷擊材料的研究進(jìn)展

面對(duì)風(fēng)電葉片原材料的變化及裝機(jī)量的迅速增長(zhǎng)，迫切需要研究新型防雷材料來(lái)提高葉片的防雷能力。碳纖維材料在風(fēng)電葉片的制造中已得到應(yīng)用［4-5］，隨著海上風(fēng)電的發(fā)展，碳纖維材料在葉片上的應(yīng)用會(huì)越來(lái)越多，本部分針對(duì)在風(fēng)電葉片領(lǐng)域使用日益增多的碳纖維，闡述碳纖維復(fù)合材料雷電實(shí)驗(yàn)的研究成果，為海上風(fēng)電防雷系統(tǒng)的研究提供新思路。

目前，碳纖維復(fù)合材料雷擊防護(hù)的研究主要集中在如何提高材料的電導(dǎo)率。在復(fù)合材料體系中添加導(dǎo)電納米材料，如碳納米管、石墨烯、金屬納米線等［6-7］方法研究最為廣泛。其中，碳納米管，碳納米纖維，石墨烯等碳系導(dǎo)電材料具有導(dǎo)電性能穩(wěn)定，耐腐蝕性強(qiáng)，密度小等優(yōu)點(diǎn)，近年成為導(dǎo)電填料的首選［8］。研究發(fā)現(xiàn)在樹(shù)脂基體中加入少量碳納米填料就可迅速降低涂膜的電阻率，這使得它們成為各國(guó)研究人員關(guān)注的新型導(dǎo)電材料。實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，當(dāng)添加到涂膜內(nèi)的導(dǎo)電填料超過(guò)一定值時(shí)，涂膜的電阻率會(huì)迅速降低表現(xiàn)出導(dǎo)電性，此種現(xiàn)象稱為滲流，這一臨界值稱為滲流閾值［9］。當(dāng)導(dǎo)電填料顆粒小到微納米級(jí)別時(shí)，填料的長(zhǎng)徑比，尺寸，形態(tài)等諸多因素會(huì)影響材料的滲流閾值，大量的研究報(bào)道了填料形態(tài)與滲流閾值的關(guān)系。Li ETTChunyu等人［10］研究發(fā)現(xiàn)，穿隧效應(yīng)(tunneling effect電子從一個(gè)碳納米管到另一個(gè)碳納米管)對(duì)提高材料的導(dǎo)電率有重要影響，尤其在滲流閾值附近［11］，增加碳納米管的長(zhǎng)徑比可降低其滲流閾值降低，特別在碳納米管長(zhǎng)徑比小的情況下。此外，Li C.等人［12］利用蒙特卡洛模擬證明碳有彎曲的碳納米管的電導(dǎo)率比直碳納米管的電導(dǎo)率小，滲流閾值隨著其波度最大角度增加而增加。由于碳納米管的長(zhǎng)徑比高，分散在樹(shù)脂基體中后更容搭接形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，因此用碳納米管作導(dǎo)電填料制備導(dǎo)電涂料，滲流閾值常小于5%，在某些體系中甚至可小于1%［8］。目前可得到的碳系填料已取得的最低滲流閾值是由Sandler等制備的碳納米管/環(huán)氧樹(shù)脂復(fù)合體系，其滲流閾值僅為0.0025%［13］。此外，文獻(xiàn)［14］報(bào)道，K.C.Divya［15］發(fā)現(xiàn)在碳纖維增強(qiáng)雙馬來(lái)酷亞胺復(fù)合材料中添加不同導(dǎo)電材料制成的復(fù)合材料具有更高的導(dǎo)電性，其中添加4wt%鎳單壁碳納米管后的電導(dǎo)率明顯比添加4wt%單壁碳納米管的電導(dǎo)率高;作者又人工模擬雷擊實(shí)驗(yàn)來(lái)檢測(cè)不同納米復(fù)合材料對(duì)雷擊防護(hù)的效果，該實(shí)驗(yàn)表明添加鎳單壁碳納米管是一種比較合適提高碳纖維雙馬復(fù)合體系雷電防護(hù)性能的方法; N.Yamamoto［16］在碳纖維上原位生長(zhǎng)碳納米管與熱固性樹(shù)脂復(fù)合，得到碳納米體積分?jǐn)?shù)3%的納米復(fù)合材料，其電導(dǎo)率比碳纖維復(fù)合材料的提高了6-8個(gè)數(shù)量級(jí)，這給碳纖維復(fù)合材料雷擊防護(hù)性能的提高提供了新思路;Jihua Gou［17］用碳納米纖維和鎳納米線制作納米纖維紙，通過(guò)樹(shù)脂傳遞模塑工藝使納米纖維紙與碳纖維復(fù)合材料層合板的表層貼合，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)此方法能夠提高碳纖維復(fù)合材料表層的導(dǎo)電性能，可以有效降低雷擊損傷。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)研究可以看出，碳納米材料加入碳纖維復(fù)合材料內(nèi)可以有效增強(qiáng)復(fù)合材料的防雷電性能，因此，碳納米材料可作為海上風(fēng)電防雷擊系統(tǒng)新材料加以進(jìn)一步深入研究。目前，碳納米復(fù)合材料制備的工藝穩(wěn)定性，批量化生產(chǎn)方法，以及如何應(yīng)用在海上風(fēng)電葉片等都是有待解決的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

(1)雷電是威脅風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行的危險(xiǎn)因素之一，隨著陸上風(fēng)電葉片長(zhǎng)度的增加和裝機(jī)量的增大，應(yīng)在兼顧葉片原始設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)風(fēng)場(chǎng)實(shí)際裝機(jī)密度、輪轂高度、風(fēng)場(chǎng)地區(qū)雷電統(tǒng)計(jì)等信息綜合性考慮風(fēng)電葉片雷擊防護(hù)，增加其他防雷措施，提高葉片的防雷能力。

(2)對(duì)于海上風(fēng)電葉片的雷擊防護(hù)技術(shù)，應(yīng)在現(xiàn)有雷擊防護(hù)技術(shù)基礎(chǔ)上，結(jié)合近海岸或潮間帶雷電發(fā)生情況，深入考慮海上高濕高鹽分運(yùn)行環(huán)境對(duì)葉片雷擊的影響，加強(qiáng)海上風(fēng)電葉片雷電演化物理機(jī)制的研究，在海上風(fēng)電葉片設(shè)計(jì)時(shí)優(yōu)化葉片接閃器安裝數(shù)量，安裝位置及接閃器的形式。

(3)碳纖維復(fù)合材料的雷擊防護(hù)新材料的研制在實(shí)驗(yàn)室取得了階段性的成果，為海上風(fēng)電葉片的雷擊防護(hù)技術(shù)的研究提供了新思路與新選擇。新型防雷材料制備工藝穩(wěn)定性的提高，新材料生產(chǎn)成品的控制，以及新材料在海上風(fēng)電葉片上的應(yīng)用方法等一系列問(wèn)題都有待進(jìn)一步解決。

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Research Development of Lightning Strike Protection for Wind Turbine Blade

XIE Hui，LI Xiaomin，LI Ziwei，LU Shujian
(The 725 Institute of China Shipbuilding Industry Corporation，Luoyang Sunrui Wind Turbine Blades Co.，Ltd.，Henan Luoyang China)

Wind energy，as one of ecological resources，has attracted global attention in recent years.The onshore wind farms witness the flourish of the offshore ones.Although there are differences between onshore wind turbines and offshore ones，they are particularly vulnerable to lightning strokes.Wind turbine blade is an important component to wind power.Lightning strike of blade has a bad influence on wind turbine operation，which can result in severe economic loss.Therefore lightning strike protection of blade becomes a hot issue in the wind power and lightening strike protection field.This review paper presents problems of current blade lightning strike protection system，the technology and research development of blade lightning strike protection，and advanced materials for lightning strike protection technology，in order to provide new options for lightning strike protection of offshore wind turbine blade.

wind turbine blade;CFRP;lightning protection system;offshore wind farm

2016-06-07)

謝惠(1988-)，女，河南人，碩士，助理工程師。研究方向:復(fù)合材料風(fēng)電葉片成型工藝研究。

E-mail:xiehui@725.com.cn.