出品：科普中国
制作：城明辰
监制：中国科学院计算机网络信息中心
近期 ， 受强对流天气影响 ， 南方大范围地区遭到暴雨、大风和雷电袭击 。 高高的建筑物非常容易遭受雷击 ， 这是小学期间学到的常识 。 大家可能不禁要问 ， 风电场的风力发电机那么高 ， 那岂不是闪电眼中的“活靶子”？确实是这样 。
那风力发电机上会装避雷针吗？它们是如何防雷击的呢？
可不要小瞧闪电 ， 最大电压能达十亿伏特！
“我抓住了闪电！”
1752年5月 ， 在雷鸣电闪的波士顿 ， 本杰明·富兰克林（Benjamin Franklin）紧握系着风筝线的铁钥匙对儿子威廉大声喊到 。 富兰克林借用风筝成为了第一个触摸到闪电的人 ， 但后来的物理学家却发现 ， 风筝不可能受到雷击 ， 否则富兰克林会被当场击毙 ， 他只是幸运地摸到了风筝感应生成的环境电荷 。 事实上 ， 目前认为 ， 富兰克林的风筝实验很可能只是一个故事 ， 并没有确凿的资料予以支撑 。
富兰克林的风筝闪电实验 | benjamin-franklin-history虽然富兰克林触摸到的很可能不是闪电（雷电） ， 但闪电确实是自然界中的常客 ， 全球范围内平均每天会发生8百万次闪电 。 其中 ， 委内瑞拉的卡塔通博（Catatumbo）河口每年平均就有297天会出现闪电 ， 可谓是“雷神”在地球上的第二故乡 。
【防雷|风力发电机上有避雷针？！谁能告诉我它藏哪了……】闪电不仅发生次数多 ， 携带的电压也非常大 ， 目前统计到的闪电中最大电压高达10亿伏特 ， 相当于串联了10000只皮卡丘（单只皮卡丘的电压是10万伏特） 。 闪电发生频率高 ， 强度大 ， 风力发电机在雷雨天气将会面临什么 ， 我们可想而知 。
皮卡丘施放技能：十万伏特 | https://pokemon.fandom.com/wiki/Thunderbolt又高又尖的风力发电机 ， 堪比闪电眼中的“活靶子”
大气中各种带电粒子分布极其混乱 ， 雷电往往呈现出蜿蜒曲折的姿态 。 当其距离地面一百多米时 ， 它会逐渐受到地面环境的影响 。 风力发电机具有纤细高耸的身躯 ， 叶尖高度甚至超过了200米 ， 它们通常位于开阔的荒漠、草原、浅海、丘陵等区域 ， 毫无疑问 ， 它们很容易就成为闪电眼中的“活靶子” 。
风力发电机旁边的闪电 | windpowerengineering随着雷云逼近、雨水降临 ， 雷电会慢慢伸出魔爪 ， 首当其冲的就是叶片 。 实际上 ， 任何物体的表面都附着一定的静电电荷 ， 我们在冬天深有体会 ， 脱个毛衣都会伴有“噼啪”作响的小火花 。
晴天时的叶片中只存在有少量电荷 ， 而雷雨前则会在表面富集大量电荷 。 当雨水浸润叶片 ， 被水膜包裹的叶片就变为了空腔状导体 ， 在大气电场的扰动下 ， 叶片内部的引下导线会感应出正电荷 。 为保持静电平衡 ， 叶片壳体内层产生等电量的负电荷 ， 这又使叶片外表面的水膜层感应出正电荷 。 随着叶片的旋转 ， 存储着正电荷的水膜也随之移动 。 此时 ， 一旦雷云激发出雷电 ， 它就可以对临近的叶片进行精准打击 。
高速摄像机拍摄到的风电叶片被雷击的瞬间 | weatherguardwind没有避雷针 ， 怎么扛得住上亿伏特的雷击？
凡是高层建筑 ， 都装有肉眼可见的避雷针 ， 它的保护范围呈伞状 ， 在建筑最高点能有效地避免裸露在大气中的设施遭受雷击 。 早在1754年 ， 避雷针就已经在欧洲问世并开始应用 ， 此后迅速扩展到全世界 ， 成为了高层建筑的必需品 。
避雷针利用尖端放电的特性 ， 能吸引附近的雷电流 ， 通过引下导线将其导入大地 。 因此 ， 避雷针的“避”雷实际上是“引”雷 。 当然 ， 避雷针只是民间通俗的说法 ， “接闪器”这个名字更接近于它的作用原理 。 在专业领域 ， 避雷针是最常见的一种接闪器 。
风电叶片是捕获风能的关键部件 ， 它气动外形的好坏直接影响发电量的大小 ， 但我们却并未发现避雷针 ， 叶片到底是如何防雷的呢？原来为了在不改变外形的前提下进行防雷保护 ， 叶片并没有安装避雷针 ， 而是采用了隐秘的保护措施 ， 埋入了金属叶尖以及多组圆柱状接闪器 。 要说有多隐秘 ， 接闪器的外部端面会与光滑的叶片表面平齐 ， 甚至人眼距离叶片1米远都难以发现它们的存在 。
叶尖的接闪器（圆形） | weatherguardlightning金属叶尖和接闪器并非是一种具有某种神奇原理的元件 ， 与避雷针类似 ， 它们只是一块具有良好的导电性的纯金属（铝、铜等） ，
风力发电机防雷有多难？坏了可能都修不起
但安装了接闪器是否就能高枕无忧了呢？
发生在城市上空的闪电 | 中国气象科普公众号实际上 ， 没有任何接闪器能保证100%成功地拦截雷电 ， 叶片防雷则需要面临更多的挑战 ， 接闪器的有效性还会受到各方面的影响 。 叶片遭受雷击的概率与风向有关 ， 理论上来讲 ， 迎风面更容易“遭雷劈” ， 但早期叶片的雷击统计数据显示 ， 叶片背面往往被闪电击中 。 这是由于早期叶片的制造工艺导致的 ， 叶片内部的引向导线靠近在背风面 ， 在一定程度上限制了接闪器准确“引”雷的能力 。 此外 ， 与静止的建筑物不同 ， 风电机组在运行过程中 ， 叶片会持续不断地旋转 ， 这会对接闪的有效性造成显著影响 。
而一旦雷电直接打在叶片上 ， 则会产生多种破坏现象 ， 轻则使叶片表面焦化 ， 形成孔洞 ， 重则使叶片膨胀炸裂等 。 在大多数情况下 ， 雷击会在叶片表面留下肉眼难以发现的小孔洞 ， 虽然没有直接危害 ， 但日积月累仍旧会影响叶片的性能 。 即使是运维人员及时发现了雷击产生的黑斑 ， 也并不会及时维修 ， 因为叶片的维修任务实在过于昂贵 。
被闪电击断的叶片(左) ， 被焦化的叶片（右） | weatherguardwind除了闪电直接击中风力机叶片产生破坏之外 ， 雷电流产生的感应电流、接地体在雷击时产生瞬间高电位“反击”也都会使电器设备受损 。 风力发电机组狭小的机舱内装有发电机、变频器等电力设备 ， 闪电是它们的致命威胁 。 雷电蕴含着的巨大能量 ， 并且其破坏方式复杂多样 。 风电机组的防雷保护涉及多种雷击损伤方式 ， 因此进行雷电分区 ， 综合规划防雷保护措施 ， 创建一个稳定的电磁兼容性环境十分有必要 。
摸着石头过河 ， 叶片防雷面临诸多挑战
叶片防雷在目前以及未来的风电叶片设计中至关重要 ， 早期的叶片主要由欧美发达国家主导开发 ， 这些地区的雷电活动并不频繁 。 而我国风电的装机区域涉及的地质地貌复杂多样 ， 各区域雷暴活动差异大 ， 国外成熟的产品在国内面临着水土不服的问题 。 随着机组高度和叶片长度的不断增加 ， 叶片防雷迫在眉睫 。
技术攻克路上不乏难关 ， 但科技始终是突破困局的坚实力量 ， 风力发电产业正如潮气蓬勃的青年人 ， 他正迈开矫健的步伐不断追逐着朝阳 ， 而偶尔出现在路途旁的荆棘 ， 则为风电的创新发展提供了更多的可能 。
参考文献：
[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)
推荐阅读
- 硬件|纽约设计师展示“风力涡轮机墙”将发电变成一种美学特征
- 研制成功|卧龙首台永磁直驱风力发电机研制成功
- TSMC|台积电与德国供应商签署1.2GW风力能源购买协议
- 能源系统|全球首台钠离子太阳能发电机亮相
- 硬件|英国Hornsea 2海上风电场已启用首批发电机组 总装量世界第一
- 机组|二氧化碳有了新用途，取代水蒸汽驱动发电机发电，已正式投运
- 技术|CO2 新用途，我国首座大型二氧化碳循环发电机组投运
- 最新消息|总投资约4000万欧元 可供2.7万户家庭用电：大众投身风力发电建设
- 数据|工业数据分析案例｜发电机冷却系统异常
- 公司|柴油发电机品牌前十名排行表名单