本文來自微信公眾號：科學大院（ID：kexuedayuan），作者：城明辰，中國科學院計算機網(wǎng)絡信息中心監(jiān)制

近期，受強對流天氣影響，南方大范圍地區(qū)遭到暴雨、大風和雷電襲擊。高高的建筑物非常容易遭受雷擊，這是小學期間學到的常識。大家可能不禁要問，風電場的風力發(fā)電機那么高，那豈不是閃電眼中的“活靶子”？確實是這樣。

那風力發(fā)電機上會裝避雷針嗎？它們是如何防雷擊的呢？

可不要小瞧閃電，最大電壓能達十億伏特！

“我抓住了閃電！”

1752年5月，在雷鳴電閃的波士頓，本杰明·富蘭克林（Benjamin Franklin）緊握系著風箏線的鐵鑰匙對兒子威廉大聲喊到。富蘭克林借用風箏成為了第一個觸摸到閃電的人，但后來的物理學家卻發(fā)現(xiàn)，風箏不可能受到雷擊，否則富蘭克林會被當場擊斃，他只是幸運地摸到了風箏感應生成的環(huán)境電荷。事實上，目前認為，富蘭克林的風箏實驗很可能只是一個故事，并沒有確鑿的資料予以支撐。

富蘭克林的風箏閃電實驗 （圖片來源： benjamin-franklin-history）

雖然富蘭克林觸摸到的很可能不是閃電（雷電），但閃電確實是自然界中的?？停蚍秶鷥?nèi)平均每天會發(fā)生8百萬次閃電。其中，委內(nèi)瑞拉的卡塔通博（Catatumbo）河口每年平均就有297天會出現(xiàn)閃電，可謂是“雷神”在地球上的第二故鄉(xiāng)。

閃電不僅發(fā)生次數(shù)多，攜帶的電壓也非常大，目前統(tǒng)計到的閃電中最大電壓高達10億伏特，相當于串聯(lián)了10000只皮卡丘（單只皮卡丘的電壓是10萬伏特）。閃電發(fā)生頻率高，強度大，風力發(fā)電機在雷雨天氣將會面臨什么，我們可想而知。

皮卡丘施放技能：十萬伏特 （圖片來源：https://pokemon./wiki/Thunderbolt）

又高又尖的風力發(fā)電機，堪比閃電眼中的“活靶子”

大氣中各種帶電粒子分布極其混亂，雷電往往呈現(xiàn)出蜿蜒曲折的姿態(tài)。當其距離地面一百多米時，它會逐漸受到地面環(huán)境的影響。風力發(fā)電機具有纖細高聳的身軀，葉尖高度甚至超過了200米，它們通常位于開闊的荒漠、草原、淺海、丘陵等區(qū)域，毫無疑問，它們很容易就成為閃電眼中的“活靶子”。

風力發(fā)電機旁邊的閃電 （圖片來源：windpowerengineering）

隨著雷云逼近、雨水降臨，雷電會慢慢伸出魔爪，首當其沖的就是葉片。實際上，任何物體的表面都附著一定的靜電電荷，我們在冬天深有體會，脫個毛衣都會伴有“噼啪”作響的小火花。

晴天時的葉片中只存在有少量電荷，而雷雨前則會在表面富集大量電荷。當雨水浸潤葉片，被水膜包裹的葉片就變?yōu)榱丝涨粻顚w，在大氣電場的擾動下，葉片內(nèi)部的引下導線會感應出正電荷。為保持靜電平衡，葉片殼體內(nèi)層產(chǎn)生等電量的負電荷，這又使葉片外表面的水膜層感應出正電荷。隨著葉片的旋轉(zhuǎn)，存儲著正電荷的水膜也隨之移動。此時，一旦雷云激發(fā)出雷電，它就可以對臨近的葉片進行精準打擊。

高速攝像機拍攝到的風電葉片被雷擊的瞬間 （圖片來源：weatherguardwind）

沒有避雷針，怎么扛得住上億伏特的雷擊？

凡是高層建筑，都裝有肉眼可見的避雷針，它的保護范圍呈傘狀，在建筑最高點能有效地避免裸露在大氣中的設施遭受雷擊。早在1754年，避雷針就已經(jīng)在歐洲問世并開始應用，此后迅速擴展到全世界，成為了高層建筑的必需品。

避雷針利用尖端放電的特性，能吸引附近的雷電流，通過引下導線將其導入大地。因此，避雷針的“避”雷實際上是“引”雷。當然，避雷針只是民間通俗的說法，“接閃器”這個名字更接近于它的作用原理。在專業(yè)領域，避雷針是最常見的一種接閃器。

風電葉片是捕獲風能的關鍵部件，它氣動外形的好壞直接影響發(fā)電量的大小，但我們卻并未發(fā)現(xiàn)避雷針，葉片到底是如何防雷的呢？原來為了在不改變外形的前提下進行防雷保護，葉片并沒有安裝避雷針，而是采用了隱秘的保護措施，埋入了金屬葉尖以及多組圓柱狀接閃器。要說有多隱秘，接閃器的外部端面會與光滑的葉片表面平齊，甚至人眼距離葉片1米遠都難以發(fā)現(xiàn)它們的存在。

葉尖的接閃器（圓形）（圖片來源：weatherguardlightning）

金屬葉尖和接閃器并非是一種具有某種神奇原理的元件，與避雷針類似，它們只是一塊具有良好的導電性的純金屬（鋁、銅等）。

風力發(fā)電機防雷有多難？壞了可能都修不起

但安裝了接閃器是否就能高枕無憂了呢？

實際上，沒有任何接閃器能保證100%成功地攔截雷電，葉片防雷則需要面臨更多的挑戰(zhàn)，接閃器的有效性還會受到各方面的影響。葉片遭受雷擊的概率與風向有關，理論上來講，迎風面更容易“遭雷劈”，但早期葉片的雷擊統(tǒng)計數(shù)據(jù)顯示，葉片背面往往被閃電擊中。這是早期葉片的制造工藝導致的，葉片內(nèi)部的引向?qū)Ь€靠近在背風面，在一定程度上限制了接閃器準確“引”雷的能力。此外，與靜止的建筑物不同，風電機組在運行過程中，葉片會持續(xù)不斷地旋轉(zhuǎn)，這會對接閃的有效性造成顯著影響。

而一旦雷電直接打在葉片上，則會產(chǎn)生多種破壞現(xiàn)象，輕則使葉片表面焦化，形成孔洞，重則使葉片膨脹炸裂等。在大多數(shù)情況下，雷擊會在葉片表面留下肉眼難以發(fā)現(xiàn)的小孔洞，雖然沒有直接危害，但日積月累仍舊會影響葉片的性能。即使是運維人員及時發(fā)現(xiàn)了雷擊產(chǎn)生的黑斑，也并不會及時維修，因為葉片的維修任務實在過于昂貴。

被閃電擊斷的葉片(左)，被焦化的葉片（右） （圖片來源：weatherguardwind）

除了閃電直接擊中風力機葉片產(chǎn)生破壞之外，雷電流產(chǎn)生的感應電流、接地體在雷擊時產(chǎn)生瞬間高電位“反擊”也都會使電器設備受損。風力發(fā)電機組狹小的機艙內(nèi)裝有發(fā)電機、變頻器等電力設備，閃電是它們的致命威脅。雷電蘊含著的巨大能量，并且其破壞方式復雜多樣。風電機組的防雷保護涉及多種雷擊損傷方式。因此進行雷電分區(qū)，綜合規(guī)劃防雷保護措施，創(chuàng)建一個穩(wěn)定的電磁兼容性環(huán)境十分有必要。

摸著石頭過河，葉片防雷面臨諸多挑戰(zhàn)

葉片防雷在目前以及未來的風電葉片設計中至關重要，早期的葉片主要由歐美發(fā)達國家主導開發(fā)，這些地區(qū)的雷電活動并不頻繁。而我國風電的裝機區(qū)域涉及的地質(zhì)地貌復雜多樣，各區(qū)域雷暴活動差異大，國外成熟的產(chǎn)品在國內(nèi)面臨著水土不服的問題。隨著機組高度和葉片長度的不斷增加，葉片防雷迫在眉睫。

技術攻克路上不乏難關，但科技始終是突破困局的堅實力量，風力發(fā)電產(chǎn)業(yè)正如潮氣蓬勃的青年人，他正邁開矯健的步伐不斷追逐著朝陽；而偶爾出現(xiàn)在路途旁的荊棘，則為風電的創(chuàng)新發(fā)展提供了更多的可能。

參考文獻：

[1]Weather Guard Lightning Tech | We Protect Wind Turbines (weatherguardwind.com)

[2] Preparing turbines for lightning strikes

(windpowerengineering.com)

[3] Damage control: Effects of near-lightning strikes on turbine blades (windpowerengineering.com)

[4] Lightning Protection System for Wind Turbines: What You Should Know About it

[5] How are blade materials and manufacturing changing to keep up with larger turbines? (windpowerengineering.com)

本文來自微信公眾號：科學大院（ID：kexuedayuan），作者：城明辰