光伏組件的背板材料、風機的葉片等都是聚合物材料，長期戶外運行時可能會產生疲勞，導致材料內部出現微裂紋，並最終發展成裂紋引發質量、財產及安全事故。
如果能提前預測背板開裂的時間，提前預測風機葉片斷裂的可能，對於可再生能源兩大巨頭– “風、光”將是巨大福祉。
而最近，美國國家標準技術研究院(NIST)材料科學團隊開發了一種工具，可以監視戶外複合材料的內部損傷變化，在材料內部剛出現微裂紋時就發出提前預警，量化裂紋擴展情況，特別是針對航天、風力渦輪機等複合材料部件，對預防財產損失、安全事故的發生有及其重要的意義。
風機是研究重點
風機葉片是風力發電機的核心部件之一，約佔風機總成本的15%-20%，它設計的好壞將直接關係到風機的性能以及效益。近20年來，葉片直徑增加了近10倍，對材料要求不斷提高，不僅需要較輕的重量，還要有較高的強度、抗腐蝕、耐疲勞性能，風機葉片由最初的亞麻布蒙著木板發展至鋼材、鋁合金，直至目前廣泛採用的複合材料。
葉片外殼常採用玻璃纖維增強樹脂(FRP聚合物)，葉尖、葉片主樑則採用強度更高的碳纖維，前緣、後緣以及剪切勒部位常採用夾層結構複合材料，符合材料佔整個風機葉片的比重甚至高達90%。
然而正如99.8%的光伏產品沒有經過實證一樣，日新月異的風機技術也讓“大葉片”缺乏實證。而一旦安裝運行，很難在檢測風機葉片的質量，因而任何一個風機的葉片都像一顆定時炸彈，萬一在運行中發生折斷，損失的不僅是財產，還有可能是生命安全。
在美國，風力發電量在2019年首次超越水電，成為最大的可再生能源。因而NIST把風機作為材料疲勞、隱裂預警研究的重點。
讓裂紋發光、可見
自風機問世以來，科學家一直在嘗試使FRP更輕，更堅固的方法，也就意味著纖維和樹脂之間需要有足夠的粘合力。
NIST研究人員在整個複合樹脂體系中添加了能在受機械力影響後發出熒光的小分子 – 一種被稱為若丹明的熒光染料，添加量小於0.1%，並且不會引起材料物理性能的明顯變化。
這些被稱為“機械響應基團”的染料分子會改變顏色或變亮，當樹脂材料發生損傷時，其斷裂點產生的震動會傳遞到這些染料分子，染料分子對這些機械震動發生響應而改變顏色或變亮。儘管肉眼看不見，但當用顯微鏡觀察結果時，裂紋周圍會出現光暈，顯示出機械力作用後的熒光，從而幫助識別纖維與樹脂之間微小納米級的開口或裂縫。
如果將該材料嵌入FRP製成的葉片中，就可以廉價且定期地對疲勞進行現場測試。像風力渦輪機這樣的結構，即使在運行數年之後，也可以輕鬆地進行內部裂縫的掃描。而定期的掃描檢測可以幫助評估隨著時間推移發生的損壞，從而預測葉片可能的剩餘工作壽命，有針對性地做好運維工作。
裂紋不一定是斷裂點
以前人們常認為，發生斷裂的點應該先有裂紋。但科學家通過研究發現，葉片發生斷裂前裂紋產生的地方可能離斷裂點很遠。
科學家稱，當材料的纖維斷裂時，會發出一種在整個材料中移動的“衝擊波”，就像大海中地震後的海嘯一樣。因此發現最後的折斷往往有時發生在距離纖維斷裂點很遠的地方。
這些都有助於科學家開展對斷裂機理的研究。科學家認為，在設計開發葉片時這些發光的染料分子就可以幫助在測試階段瞭解材料產生裂紋的過程，並進行量化的評估，因此材料研發人員可以有針對性地進行材料改性或結構改進，開發出更好，更耐疲勞的複合材料，從而縮短研發週期並降低研發成本。
在光伏行業的應用前景
由於可以在材料發生斷裂前就能檢測出材料內部的隱裂或微裂紋，就像對太陽能電池片進行EL成像檢測微裂紋隱裂一樣，這一工具可以幫助材料開發人員更早地瞭解材料開裂的可能。
對於背板材料，通常是由多種結構的複合材料組成的三明治夾層結構，這和風機葉片的結構有點相似。在背板材料的耐久性測試中，研究人員需要將背板放在紫外線、環境箱、鹽霧室等各種老化條件下進行長時間的試驗，直到材料表面發現裂紋，或者三明治結構出現分層。
在光伏實驗室，這樣的試驗通常都是數千小時。而如果是在戶外，背板的裂紋或分層可能需要數年才會出現，而這時很可能已經過了產品的保障期限。
如果能夠在材料內部產生微裂紋或微小分層的時候就能檢測出，並量化預測裂紋/分層擴展直至開裂，那麼背板廠和組件廠就可以更早知道背板材料的可靠性，電站運營者也能更早地預見到組件失效的時間點。
這對於很難做超級加速老化試驗的光伏材料來說，絕對是一個非常有意義的創新。
或許對於光伏背板材料的研發將帶來一場革命性的創新。
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