隨著全世界不斷減少對(duì)化石燃料的依賴(lài)，全球的風(fēng)力發(fā)電機(jī)市場(chǎng)迎來(lái)蓬勃發(fā)展，在未來(lái)幾年，其年均市場(chǎng)規(guī)模預(yù)計(jì)可達(dá)到 700 億美元。風(fēng)力發(fā)電規(guī)模如此之大，可謂是一項(xiàng)偉大的成就；然而，一股強(qiáng)大的力量正在成為該產(chǎn)業(yè)發(fā)揮全部潛力的障礙：雷電，這是自然界最具破壞性的力量之一。

雷擊是引起風(fēng)力發(fā)電機(jī)意外停機(jī)的最主要原因，它不僅帶來(lái)數(shù)以兆瓦計(jì)的電力損耗，還會(huì)產(chǎn)生巨大的運(yùn)行和維護(hù)成本。

由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)擁有巨大的旋轉(zhuǎn)葉片、高聳入云，并且長(zhǎng)期暴露在自然環(huán)境中，因此特別容易遭受雷擊。閃電幾乎可以直接或間接地對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的所有組件造成嚴(yán)重破壞，包括葉片、控制系統(tǒng)和其他電子元器件。然而，由于后勤條件的限制，不僅維修費(fèi)用高，對(duì)實(shí)際的維修操作也提出了巨大考驗(yàn)。

NTS 的子公司 Lightning Technologies 是復(fù)雜防雷系統(tǒng)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證的全球領(lǐng)導(dǎo)者，主要面向航空航天領(lǐng)域，包括飛機(jī)、航天器和發(fā)射設(shè)備；同時(shí)還為風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)、工業(yè)中心、高爾夫球場(chǎng)、主題公園以及其他高風(fēng)險(xiǎn)場(chǎng)所提供專(zhuān)業(yè)服務(wù)。國(guó)際電工委員會(huì)（International Electrotechnical Commission，簡(jiǎn)稱(chēng) IEC）是國(guó)際性電工標(biāo)準(zhǔn)化機(jī)構(gòu)，他們制定了葉片的耐雷擊水平和防雷擊要求；NTS 工程師一直是其分委員會(huì)的積極成員。工業(yè)標(biāo)準(zhǔn) IEC 62305 要求風(fēng)力發(fā)電機(jī)制造商在葉片制造中加入雷擊防護(hù)設(shè)計(jì)。為了提供最有效的保護(hù)，工程師必須能夠判斷當(dāng)葉片遭受雷擊時(shí)，其中流過(guò)大電流，以及準(zhǔn)確的電流流向。但問(wèn)題是，對(duì)雷擊電流特性的簡(jiǎn)單假設(shè)得出的結(jié)論往往并不準(zhǔn)確。

深入剖析雷電流

在美國(guó)馬薩諸塞州皮茨菲爾德，一棟約 1672 平方米的建筑設(shè)施中，NTS 運(yùn)營(yíng)著世界上功能最齊全的雷電模擬實(shí)驗(yàn)室之一，高約 4.3 米和 7.6 米的閃電發(fā)生器佇立其中，可產(chǎn)生高達(dá) 2.4 MV 的電壓（圖 1）。

圖 1. NTS 運(yùn)營(yíng)的高壓發(fā)生器（2.4 MV 的馬克思發(fā)生器）。

幾十年來(lái)，NTS 一直致力于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片保護(hù)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和研發(fā)。由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片為翼型，該公司可以將航空航天應(yīng)用方面的深厚知識(shí)基礎(chǔ)直接應(yīng)用到這一領(lǐng)域。

NTS 皮茨菲爾德分公司模擬分析團(tuán)隊(duì)的負(fù)責(zé)人 Justin McKennon 表示，傳統(tǒng)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)是通過(guò)添加表面保護(hù)層（surface protection layer，簡(jiǎn)稱(chēng) SPL）覆蓋采用輕質(zhì)、高強(qiáng)度碳纖維復(fù)合材料制成的葉片，以此實(shí)施保護(hù)措施。SPL一般由導(dǎo)電網(wǎng)構(gòu)成，可將葉片上雷電“附著”（雷擊）點(diǎn)的電流安全引至地面。

“很多葉片結(jié)構(gòu)都包含與表面保護(hù)層平行排列的碳纖維結(jié)構(gòu)層，它們疊加起來(lái)形成碳層，并沿葉片長(zhǎng)度在碳堆疊層和 SPL 之間建立了周期性電連接。這樣做是為了防止在兩者之間產(chǎn)生過(guò)高的電壓差，因?yàn)橐坏┏霈F(xiàn)高壓差，就可能產(chǎn)生電弧，進(jìn)而損壞葉片。電連接雖然可以降低電壓差，但也會(huì)使電流流入碳纖維復(fù)合材料，這無(wú)形中增加了葉片的設(shè)計(jì)難度。” McKennon 解釋說(shuō)。

確定碳堆疊層對(duì)不同電流的負(fù)載能力，預(yù)測(cè)可能出現(xiàn)的雷電附著點(diǎn)和擊穿的可能性等因素，這些并不是無(wú)關(guān)緊要的小問(wèn)題。McKennon解釋說(shuō)，葉片物理測(cè)試的成本（有些葉片長(zhǎng)達(dá) 70 米甚至更長(zhǎng)）十分昂貴，對(duì)雷電效應(yīng)進(jìn)行數(shù)值模擬已經(jīng)成為設(shè)計(jì)過(guò)程中的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié)。

McKennon表示：“由于雷電現(xiàn)象涉及的物理場(chǎng)非常復(fù)雜，工程師很容易做出不恰當(dāng)?shù)募僭O(shè)，從而在很大程度上影響模型的準(zhǔn)確性。”

仿真減少過(guò)度設(shè)計(jì)

人們常常容易做出這樣一個(gè)錯(cuò)誤假設(shè)：碳堆疊層的電導(dǎo)率在各個(gè)方向都是相同的。而實(shí)際上，碳纖維的電導(dǎo)率在不同方向上可能截然不同。

在圖 2 顯示的幾何結(jié)構(gòu)中，碳堆疊層上方 5 mm 處覆蓋了由鋁片制成的 SPL 導(dǎo)電網(wǎng)，其厚度約為 500μm，電導(dǎo)率根據(jù)實(shí)驗(yàn)測(cè)量值進(jìn)行設(shè)置；碳纖維的電導(dǎo)率同樣采用了實(shí)驗(yàn)值。工程師在 COMSOL 模型中同時(shí)分析了理想各向同性特性和實(shí)際各向異性特性?xún)煞N情況。

圖 2. 碳堆疊層上方覆蓋的薄型鋁表面保護(hù)層（SPL）的幾何結(jié)構(gòu)。圖注：SPL-表面保護(hù)層；CARBON-碳層；DOWN CONNECTORS - 引下線(xiàn)連接；Connection between carbon and SPL - 碳層與 SPL 之間的電連接

工程師使用 IEC 標(biāo)準(zhǔn)電流波形的解析表達(dá)式，將電流注入 SPL 的一端，電流會(huì)通過(guò)銅質(zhì)引線(xiàn)從另一端流出。SPL 與碳層之間的所有電連接均由銅材料制成。在研究設(shè)計(jì)和模擬電磁脈沖傳播的過(guò)程中，McKennon 使用 COMSOL 軟件求解了磁矢勢(shì)的時(shí)域波動(dòng)方程。他根據(jù)仿真結(jié)果確定了雷電附著點(diǎn)處的相關(guān)電流、電場(chǎng)和其他數(shù)據(jù)值，從而深入分析了整個(gè)結(jié)構(gòu)中電流的總體特性。

各向同性假設(shè)低估了流經(jīng) SPL 的電流量，據(jù)此得出的結(jié)論是：碳層中流過(guò)的電流更多，而 SPL 中的電流更少（圖 3）。碳層由許多獨(dú)立的纖維層組成。纖維層內(nèi)沿纖維方向具有極強(qiáng)的導(dǎo)電性，但要使電流在其中流入和流出，卻是一項(xiàng)極具挑戰(zhàn)的工作。如果碳層與其他物質(zhì)的交界面通過(guò)大電流，則許多獨(dú)立的碳纖維會(huì)因?yàn)檫^(guò)熱和/或電弧而燒毀（圖 4）。由于碳層承受著主要的結(jié)構(gòu)載荷，這種損壞會(huì)大幅縮短葉片的使用壽命，嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)?dǎo)致葉片出現(xiàn)災(zāi)難性故障。這就是為什么工程師一直希望盡力避免碳層中存在過(guò)多電流的原因。

圖 3. 仿真結(jié)果顯示，SPL 在各向同性理想情況下的電流量明顯小于各向異性實(shí)際情況的電流量。

圖 4. 仿真結(jié)果顯示了由碳纖維復(fù)合材料制成的風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片樣品中的電流密度。

各向同性假設(shè)嚴(yán)重高估了碳層中的電流量，這是因?yàn)樗雎粤颂祭w維中的電阻實(shí)際上具有很強(qiáng)的方向性（圖 5）。如果忽略這種特性，僅考慮碳層在體積和長(zhǎng)度上的優(yōu)勢(shì)，碳層似乎比 SPL 更適合作為電流路徑，然而這與事實(shí)完全不符。這種錯(cuò)誤的高估很可能使工程師面臨一些其實(shí)根本不存在的問(wèn)題，延緩開(kāi)發(fā)進(jìn)程，造成產(chǎn)品過(guò)度設(shè)計(jì)。

圖 5. 繪圖顯示了各向同性和各向異性碳纖維中的電流水平。

McKennon 總結(jié)道：“在模擬復(fù)雜的物理場(chǎng)時(shí)，你必須明確哪些是關(guān)鍵因素，哪些是干擾項(xiàng)，然后循序漸進(jìn)地逐步建立模型，才能避免引入錯(cuò)誤或采用不恰當(dāng)?shù)募僭O(shè)，確保仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性和可靠性。”

根據(jù)精確結(jié)果做出明智的商業(yè)決策

“現(xiàn)在，我們已經(jīng)具備了快速建立并優(yōu)化仿真模型的能力，這不僅幫助我們大大降低了項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)，還讓隨需應(yīng)變地獲取工程級(jí)數(shù)據(jù)變成了現(xiàn)實(shí)。” McKennon 評(píng)論道，“我們無(wú)需花費(fèi)大量時(shí)間和資金來(lái)制作復(fù)雜的測(cè)試樣品，而是使用 COMSOL 模擬各種物理現(xiàn)象，這明顯縮小了項(xiàng)目中潛在問(wèn)題涉及的范圍。在很多情況下，我們無(wú)法使用實(shí)物樣品測(cè)得關(guān)鍵數(shù)據(jù)，此時(shí)就需要利用數(shù)值仿真分析來(lái)彌補(bǔ)這些不足。”

“時(shí)間就是金錢(qián)，在我們行業(yè)尤其如此。借助軟件提供的強(qiáng)大功能，我們能夠?yàn)榭蛻?hù)提供優(yōu)質(zhì)高效的服務(wù)。事實(shí)上，一些客戶(hù)對(duì)仿真的有效性充滿(mǎn)信心，他們甚至?xí)耆蕾?lài)我們的仿真結(jié)果來(lái)制定大批量生產(chǎn)的業(yè)務(wù)決策，很少再進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。面對(duì)如此的利害關(guān)系和客戶(hù)的高度信任，我們不允許自己犯錯(cuò)，也無(wú)法承擔(dān)任何錯(cuò)誤造成的后果。COMSOL 作為一款建模仿真工具，為我們帶來(lái)了無(wú)窮的價(jià)值。我們也相信，COMSOL 模型能夠準(zhǔn)確地反映真實(shí)世界。”