风力发电机上有避雷针？谁能告诉我它藏哪了
本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：城明辰，中国科学院计算机网络信息中心监制，头图来自：视觉中国
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 （图片来源： 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 （图片来源：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 （图片来源：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 （图片来源：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）（图片来源：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？
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） （图片来源：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)
本文来自微信公众号：科学大院（ID：kexuedayuan），作者：城明辰
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