富蘭克林風(fēng)箏實驗

“我抓住了閃電！”

1752年5月，在電閃雷鳴的波士頓，富蘭克林緊握系著風(fēng)箏線的鐵鑰匙對兒子大聲喊道。富蘭克林借用風(fēng)箏成了第一個觸摸到閃電的人，但后來的物理學(xué)家發(fā)現(xiàn)：風(fēng)箏不可能受到雷擊，否則富蘭克林就會被當(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。

每天有數(shù)千萬次閃電光顧地球

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常客，全球范圍內(nèi)平均每天會發(fā)生800萬次閃電。其中，委內(nèi)瑞拉的卡塔通博河口每年就有297天會出現(xiàn)閃電，可謂“雷神”在地球的第二故鄉(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)計到的閃電最大電壓高達(dá)10億伏特。

“活靶子”風(fēng)力發(fā)電機(jī)怎么避開雷電

大氣中各種帶電粒子分布極其混亂，雷電往往呈現(xiàn)蜿蜒曲折的姿態(tài)。當(dāng)其距離地面100多米時，會逐漸受到地面環(huán)境的影響。風(fēng)力發(fā)電機(jī)具有纖細(xì)高聳的身軀，葉尖高度甚至超過200米，它們通常位于開闊的荒漠、草原、淺海、丘陵等區(qū)域，很容易成為閃電眼中的“活靶子”。

隨著雷云逼近、雨水降臨，雷電會慢慢伸出魔爪，首當(dāng)其沖的雷擊對象就是葉片。晴天時的葉片中只有少量電荷，而雷雨前則會在表面富集大量電荷。

那葉片是如何防雷的呢？原來，在不改變外形的前提下，風(fēng)力發(fā)動機(jī)進(jìn)行了防雷保護(hù)——葉片埋入了金屬葉尖以及多組圓柱狀的“避雷針”，從而對風(fēng)力發(fā)動機(jī)進(jìn)行保護(hù)。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉尖的接閃器

風(fēng)力發(fā)電機(jī)旁邊的閃電

小鏈接：高層建筑的“保護(hù)神”——避雷針

凡是高層建筑都裝有肉眼可見的避雷針，能有效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(kuò)展到全世界，成為高層建筑的必需品。

避雷針利用尖端放電的特性，吸引附近的雷電流，再通過引下導(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”是它的專業(yè)名字。

風(fēng)力發(fā)電機(jī)防雷有多難？

但是，安裝了接閃器是否能高枕無憂呢？

實際上，沒有任何接閃器能保證100%成功攔截雷電。從理論上講，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，葉片背面常常被閃電擊中。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，與靜止建筑物不同，風(fēng)電機(jī)組在運行過程中，葉片會持續(xù)不斷旋轉(zhuǎn)，這會對接閃的有效性造成顯著影響。

左邊被閃電擊壞的葉片，右側(cè)為雷擊燒焦的葉片

除了閃電直接擊中風(fēng)力機(jī)葉片造成了破壞，雷電流產(chǎn)生的感應(yīng)電流、接地體在雷擊時產(chǎn)生的瞬間高電位“反擊”都會使電器設(shè)備受損。因此，對于風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)艙內(nèi)的發(fā)電機(jī)、變頻器等電力設(shè)備來說，閃電是它們的致命威脅。

葉片防雷在風(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。而我國安裝風(fēng)力發(fā)電機(jī)區(qū)域的地質(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。隨著新型風(fēng)力發(fā)電機(jī)機(jī)組高度和葉片長度的不斷增加，葉片防雷已經(jīng)迫在眉睫。