提前預(yù)測(cè)“風(fēng)、光”裂紋？NIST這個(gè)操作有點(diǎn)神

:光伏組件的背板材料、風(fēng)機(jī)的葉片等都是聚合物材料，長(zhǎng)期戶外運(yùn)行時(shí)可能會(huì)產(chǎn)生疲勞，導(dǎo)致材料內(nèi)部出現(xiàn)微裂紋，并最終發(fā)展成裂紋引發(fā)質(zhì)量、財(cái)產(chǎn)及安全事故。

（來(lái)源：微信公眾號(hào)“光伏測(cè)試網(wǎng)”ID：TestPV）

如果能提前預(yù)測(cè)背板開(kāi)裂的時(shí)間，提前預(yù)測(cè)風(fēng)機(jī)葉片斷裂的可能，對(duì)于可再生能源兩大巨頭– “風(fēng)、光”將是巨大福祉。

而最近，美國(guó)國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)研究院（NIST）材料科學(xué)團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種工具，可以監(jiān)視戶外復(fù)合材料的內(nèi)部損傷變化，在材料內(nèi)部剛出現(xiàn)微裂紋時(shí)就發(fā)出提前預(yù)警，量化裂紋擴(kuò)展情況，特別是針對(duì)航天、風(fēng)力渦輪機(jī)等復(fù)合材料部件，對(duì)預(yù)防財(cái)產(chǎn)損失、安全事故的發(fā)生有及其重要的意義。

風(fēng)機(jī)是研究重點(diǎn)

風(fēng)機(jī)葉片是風(fēng)力發(fā)電機(jī)的核心部件之一，約占風(fēng)機(jī)總成本的15%-20%，它設(shè)計(jì)的好壞將直接關(guān)系到風(fēng)機(jī)的性能以及效益。近20年來(lái)，葉片直徑增加了近10倍，對(duì)材料要求不斷提高，不僅需要較輕的重量，還要有較高的強(qiáng)度、抗腐蝕、耐疲勞性能，風(fēng)機(jī)葉片由最初的亞麻布蒙著木板發(fā)展至鋼材、鋁合金，直至目前廣泛采用的復(fù)合材料。

葉片外殼常采用玻璃纖維增強(qiáng)樹(shù)脂（FRP聚合物），葉尖、葉片主梁則采用強(qiáng)度更高的碳纖維，前緣、后緣以及剪切勒部位常采用夾層結(jié)構(gòu)復(fù)合材料，符合材料占整個(gè)風(fēng)機(jī)葉片的比重甚至高達(dá)90%。

然而正如99.8%的光伏產(chǎn)品沒(méi)有經(jīng)過(guò)實(shí)證一樣，日新月異的風(fēng)機(jī)技術(shù)也讓“大葉片”缺乏實(shí)證。而一旦安裝運(yùn)行，很難在檢測(cè)風(fēng)機(jī)葉片的質(zhì)量，因而任何一個(gè)風(fēng)機(jī)的葉片都像一顆定時(shí)炸彈，萬(wàn)一在運(yùn)行中發(fā)生折斷，損失的不僅是財(cái)產(chǎn)，還有可能是生命安全。

在美國(guó)，風(fēng)力發(fā)電量在2019年首次超越水電，成為最大的可再生能源。因而NIST把風(fēng)機(jī)作為材料疲勞、隱裂預(yù)警研究的重點(diǎn)。

讓裂紋發(fā)光、可見(jiàn)

自風(fēng)機(jī)問(wèn)世以來(lái)，科學(xué)家一直在嘗試使FRP更輕，更堅(jiān)固的方法，也就意味著纖維和樹(shù)脂之間需要有足夠的粘合力。

NIST研究人員在整個(gè)復(fù)合樹(shù)脂體系中添加了能在受機(jī)械力影響后發(fā)出熒光的小分子 – 一種被稱為若丹明的熒光染料，添加量小于0.1％，并且不會(huì)引起材料物理性能的明顯變化。

這些被稱為“機(jī)械響應(yīng)基團(tuán)”的染料分子會(huì)改變顏色或變亮，當(dāng)樹(shù)脂材料發(fā)生損傷時(shí)，其斷裂點(diǎn)產(chǎn)生的震動(dòng)會(huì)傳遞到這些染料分子，染料分子對(duì)這些機(jī)械震動(dòng)發(fā)生響應(yīng)而改變顏色或變亮。盡管肉眼看不見(jiàn)，但當(dāng)用顯微鏡觀察結(jié)果時(shí)，裂紋周圍會(huì)出現(xiàn)光暈，顯示出機(jī)械力作用后的熒光，從而幫助識(shí)別纖維與樹(shù)脂之間微小納米級(jí)的開(kāi)口或裂縫。

如果將該材料嵌入FRP制成的葉片中，就可以廉價(jià)且定期地對(duì)疲勞進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試。像風(fēng)力渦輪機(jī)這樣的結(jié)構(gòu)，即使在運(yùn)行數(shù)年之后，也可以輕松地進(jìn)行內(nèi)部裂縫的掃描。而定期的掃描檢測(cè)可以幫助評(píng)估隨著時(shí)間推移發(fā)生的損壞，從而預(yù)測(cè)葉片可能的剩余工作壽命，有針對(duì)性地做好運(yùn)維工作。

裂紋不一定是斷裂點(diǎn)

以前人們常認(rèn)為，發(fā)生斷裂的點(diǎn)應(yīng)該先有裂紋。但科學(xué)家通過(guò)研究發(fā)現(xiàn)，葉片發(fā)生斷裂前裂紋產(chǎn)生的地方可能離斷裂點(diǎn)很遠(yuǎn)。

科學(xué)家稱，當(dāng)材料的纖維斷裂時(shí)，會(huì)發(fā)出一種在整個(gè)材料中移動(dòng)的“沖擊波”，就像大海中地震后的海嘯一樣。因此發(fā)現(xiàn)最后的折斷往往有時(shí)發(fā)生在距離纖維斷裂點(diǎn)很遠(yuǎn)的地方。

這些都有助于科學(xué)家開(kāi)展對(duì)斷裂機(jī)理的研究?？茖W(xué)家認(rèn)為，在設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)葉片時(shí)這些發(fā)光的染料分子就可以幫助在測(cè)試階段了解材料產(chǎn)生裂紋的過(guò)程，并進(jìn)行量化的評(píng)估，因此材料研發(fā)人員可以有針對(duì)性地進(jìn)行材料改性或結(jié)構(gòu)改進(jìn)，開(kāi)發(fā)出更好，更耐疲勞的復(fù)合材料，從而縮短研發(fā)周期并降低研發(fā)成本。

在光伏行業(yè)的應(yīng)用前景

由于可以在材料發(fā)生斷裂前就能檢測(cè)出材料內(nèi)部的隱裂或微裂紋，就像對(duì)太陽(yáng)能電池片進(jìn)行EL成像檢測(cè)微裂紋隱裂一樣，這一工具可以幫助材料開(kāi)發(fā)人員更早地了解材料開(kāi)裂的可能。

對(duì)于背板材料，通常是由多種結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料組成的三明治夾層結(jié)構(gòu)，這和風(fēng)機(jī)葉片的結(jié)構(gòu)有點(diǎn)相似。在背板材料的耐久性測(cè)試中，研究人員需要將背板放在紫外線、環(huán)境箱、鹽霧室等各種老化條件下進(jìn)行長(zhǎng)時(shí)間的試驗(yàn)，直到材料表面發(fā)現(xiàn)裂紋，或者三明治結(jié)構(gòu)出現(xiàn)分層。

在光伏實(shí)驗(yàn)室，這樣的試驗(yàn)通常都是數(shù)千小時(shí)。而如果是在戶外，背板的裂紋或分層可能需要數(shù)年才會(huì)出現(xiàn)，而這時(shí)很可能已經(jīng)過(guò)了產(chǎn)品的保障期限。

如果能夠在材料內(nèi)部產(chǎn)生微裂紋或微小分層的時(shí)候就能檢測(cè)出，并量化預(yù)測(cè)裂紋/分層擴(kuò)展直至開(kāi)裂，那么背板廠和組件廠就可以更早知道背板材料的可靠性，電站運(yùn)營(yíng)者也能更早地預(yù)見(jiàn)到組件失效的時(shí)間點(diǎn)。

這對(duì)于很難做超級(jí)加速老化試驗(yàn)的光伏材料來(lái)說(shuō)，絕對(duì)是一個(gè)非常有意義的創(chuàng)新。

或許對(duì)于光伏背板材料的研發(fā)將帶來(lái)一場(chǎng)革命性的創(chuàng)新。

原標(biāo)題:提前預(yù)測(cè)“風(fēng)、光”裂紋？NIST這個(gè)操作有點(diǎn)神