生活科普:風(fēng)力發(fā)電機上有避雷針?!誰能告訴我它藏哪了……
來源:科普中國
發(fā)布時間:2021-05-17
瀏覽次數(shù):623

  近期,受強對流天氣影響,南方大范圍地區(qū)遭到暴雨、大風(fēng)和雷電襲擊。高高的建筑物非常容易遭受雷擊,這是小學(xué)期間學(xué)到的常識。大家可能不禁要問,風(fēng)電場的風(fēng)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(fēng)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(dá)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(fēng)箏線的鐵鑰匙對兒子威廉大聲喊到。富蘭克林借用風(fēng)箏成為了第一個觸摸到閃電的人,但后來的物理學(xué)家卻發(fā)現(xiàn),風(fēng)箏不可能受到雷擊,否則富蘭克林會被當(dāng)場擊斃,他只是幸運地摸到了風(fēng)箏感應(yīng)生成的環(huán)境電荷。事實上,目前認(rèn)為,富蘭克林的風(fēng)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(fēng)箏閃電實驗| 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???,全球范圍內(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(dá)10億伏特,相當(dāng)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(fēng)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| https://pokemon.fandom.com/wiki/Thunderbolt

  又高又尖的風(fēng)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(dāng)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(fēng)力發(fā)電機具有纖細(xì)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(fēng)力發(fā)電機旁邊的閃電| windpowerengineering

  隨著雷云逼近、雨水降臨,雷電會慢慢伸出魔爪,首當(dāng)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(dāng)雨水浸潤葉片,被水膜包裹的葉片就變?yōu)榱丝涨粻顚?dǎo)體,在大氣電場的擾動下,葉片內(nèi)部的引下導(dǎo)線會感應(yīng)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(fù)電荷,這又使葉片外表面的水膜層感應(yīng)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(jìn)行精準(zhǔn)打擊。

  高速攝像機拍攝到的風(fēng)電葉片被雷擊的瞬間| 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(hù)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(shè)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(yīng)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(dǎo)線將其導(dǎo)入大地。因此,避雷針的“避”雷實際上是“引”雷。當(dāng)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(lǐng)域,避雷針是最常見的一種接閃器。

  風(fēng)電葉片是捕獲風(fēng)能的關(guān)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(jìn)行防雷保護(hù),葉片并沒有安裝避雷針,而是采用了隱秘的保護(hù)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(yuǎn)都難以發(fā)現(xiàn)它們的存在。

  葉尖的接閃器(圓形)| 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(dǎo)電性的純金屬(鋁、銅等),

  風(fēng)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?

  發(fā)生在城市上空的閃電|中國氣象科普公眾號

  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(fēng)向有關(guān),理論上來講,迎風(fēng)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。這是由于早期葉片的制造工藝導(dǎo)致的,葉片內(nèi)部的引向?qū)Ь€靠近在背風(fēng)面,在一定程度上限制了接閃器準(zhǔn)確“引”雷的能力。此外,與靜止的建筑物不同,風(fēng)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(wù)實在過于昂貴。

  被閃電擊斷的葉片(左),被焦化的葉片(右)| weatherguardwind

  除了閃電直接擊中風(fēng)力機葉片產(chǎn)生破壞之外,雷電流產(chǎn)生的感應(yīng)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(shè)備受損。風(fēng)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(shè)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(fù)雜多樣。風(fēng)電機組的防雷保護(hù)涉及多種雷擊損傷方式,因此進(jìn)行雷電分區(qū),綜合規(guī)劃防雷保護(hù)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(fēng)電葉片設(shè)計中至關(guān)重要,早期的葉片主要由歐美發(fā)達(dá)國家主導(dǎo)開發(fā),這些地區(qū)的雷電活動并不頻繁。而我國風(fēng)電的裝機區(qū)域涉及的地質(zhì)地貌復(fù)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(shù)攻克路上不乏難關(guān),但科技始終是突破困局的堅實力量,風(fēng)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(fēng)電的創(chuàng)新發(fā)展提供了更多的可能。

  參考文獻(xiàn):

  [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)


關(guān)注【深圳科普】微信公眾號,在對話框:
回復(fù)【最新活動】,了解近期科普活動
回復(fù)【科普行】,了解最新深圳科普行活動
回復(fù)【研學(xué)營】,了解最新科普研學(xué)營
回復(fù)【科普課堂】,了解最新科普課堂
回復(fù)【科普書籍】,了解最新科普書籍
回復(fù)【團(tuán)體定制】,了解最新團(tuán)體定制活動
回復(fù)【科普基地】,了解深圳科普基地詳情
回復(fù)【觀鳥知識】,學(xué)習(xí)觀鳥相關(guān)科普知識
回復(fù)【博物學(xué)院】,了解更多博物學(xué)院活動詳情

聽說,打賞我的人最后都找到了真愛。
做科普,我們是認(rèn)真的!
掃描關(guān)注深i科普公眾號
加入科普活動群
  • 參加最新科普活動
  • 認(rèn)識科普小朋友
  • 成為科學(xué)小記者