风力发电机上有避雷针?!谁能告诉我它藏哪了……
发布时间:2021-05-12
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,那岂不闪电眼中的“活靶子”?确实是这样。

  风力发电机上装避雷针吗?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!”

  17525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。

  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雷击。早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(),被焦化的叶片 | 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)

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