隨著全世界不斷減少對化石燃料的依賴，全球的風力發電機市場迎來蓬勃發展，在未來幾年，其年均市場規模預計可達到 700 億美元。風力發電規模如此之大，可謂是一項偉大的成就；然而，一股強大的力量正在成為該產業發揮全部潛力的障礙：雷電，這是自然界最具破壞性的力量之一。

雷擊是引起風力發電機意外停機的最主要原因，它不僅帶來數以兆瓦計的電力損耗，還會產生巨大的運行和維護成本。

由于風力發電機擁有巨大的旋轉葉片、高聳入云，并且長期暴露在自然環境中，因此特別容易遭受雷擊。閃電幾乎可以直接或間接地對風力發電機的所有組件造成嚴重破壞，包括葉片、控制系統和其他電子元器件。然而，由于后勤條件的限制，不僅維修費用高，對實際的維修操作也提出了巨大考驗。

NTS 的子公司 Lightning Technologies 是復雜防雷系統設計與驗證的全球領導者，主要面向航空航天領域，包括飛機、航天器和發射設備；同時還為風力發電場、工業中心、高爾夫球場、主題公園以及其他高風險場所提供專業服務。國際電工委員會（International Electrotechnical Commission，簡稱 IEC）是國際性電工標準化機構，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的積極成員。工業標準 IEC 62305 要求風力發電機制造商在葉片制造中加入雷擊防護設計。為了提供最有效的保護，工程師必須能夠判斷當葉片遭受雷擊時，其中流過大電流，以及準確的電流流向。但問題是，對雷擊電流特性的簡單假設得出的結論往往并不準確。

深入剖析雷電流

在美國馬薩諸塞州皮茨菲爾德，一棟約 1672 平方米的建筑設施中，NTS 運營著世界上功能最齊全的雷電模擬實驗室之一，高約 4.3 米和 7.6 米的閃電發生器佇立其中，可產生高達 2.4 MV 的電壓（圖 1）。

圖 1. NTS 運營的高壓發生器（2.4 MV 的馬克思發生器）。

幾十年來，NTS 一直致力于風力發電機葉片保護系統的設計和研發。由于風力發電機葉片為翼型，該公司可以將航空航天應用方面的深厚知識基礎直接應用到這一領域。

NTS 皮茨菲爾德分公司模擬分析團隊的負責人 Justin McKennon 表示，傳統的風力發電機是通過添加表面保護層（surface protection layer，簡稱 SPL）覆蓋采用輕質、高強度碳纖維復合材料制成的葉片，以此實施保護措施。SPL一般由導電網構成，可將葉片上雷電“附著”（雷擊）點的電流安全引至地面。

“很多葉片結構都包含與表面保護層平行排列的碳纖維結構層，它們疊加起來形成碳層，并沿葉片長度在碳堆疊層和 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生過高的電壓差，因為一旦出現高壓差，就可能產生電弧，進而損壞葉片。電連接雖然可以降低電壓差，但也會使電流流入碳纖維復合材料，這無形中增加了葉片的設計難度。” McKennon 解釋說。

確定碳堆疊層對不同電流的負載能力，預測可能出現的雷電附著點和擊穿的可能性等因素，這些并不是無關緊要的小問題。McKennon解釋說，葉片物理測試的成本（有些葉片長達 70 米甚至更長）十分昂貴，對雷電效應進行數值模擬已經成為設計過程中的一個關鍵環節。

McKennon表示：“由于雷電現象涉及的物理場非常復雜，工程師很容易做出不恰當的假設，從而在很大程度上影響模型的準確性。”

仿真減少過度設計

人們常常容易做出這樣一個錯誤假設：碳堆疊層的電導率在各個方向都是相同的。而實際上，碳纖維的電導率在不同方向上可能截然不同。

在圖 2 顯示的幾何結構中，碳堆疊層上方 5 mm 處覆蓋了由鋁片制成的 SPL 導電網，其厚度約為 500μm，電導率根據實驗測量值進行設置；碳纖維的電導率同樣采用了實驗值。工程師在 COMSOL 模型中同時分析了理想各向同性特性和實際各向異性特性兩種情況。

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

工程師使用 IEC 標準電流波形的解析表達式，將電流注入 SPL 的一端，電流會通過銅質引線從另一端流出。SPL 與碳層之間的所有電連接均由銅材料制成。在研究設計和模擬電磁脈沖傳播的過程中，McKennon 使用 COMSOL 軟件求解了磁矢勢的時域波動方程。他根據仿真結果確定了雷電附著點處的相關電流、電場和其他數據值，從而深入分析了整個結構中電流的總體特性。

各向同性假設低估了流經 SPL 的電流量，據此得出的結論是：碳層中流過的電流更多，而 SPL 中的電流更少（圖 3）。碳層由許多獨立的纖維層組成。纖維層內沿纖維方向具有極強的導電性，但要使電流在其中流入和流出，卻是一項極具挑戰的工作。如果碳層與其他物質的交界面通過大電流，則許多獨立的碳纖維會因為過熱和/或電弧而燒毀（圖 4）。由于碳層承受著主要的結構載荷，這種損壞會大幅縮短葉片的使用壽命，嚴重時甚至會導致葉片出現災難性故障。這就是為什么工程師一直希望盡力避免碳層中存在過多電流的原因。

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

圖 4. 仿真結果顯示了由碳纖維復合材料制成的風力發電機葉片樣品中的電流密度。

各向同性假設嚴重高估了碳層中的電流量，這是因為它忽略了碳纖維中的電阻實際上具有很強的方向性（圖 5）。如果忽略這種特性，僅考慮碳層在體積和長度上的優勢，碳層似乎比 SPL 更適合作為電流路徑，然而這與事實完全不符。這種錯誤的高估很可能使工程師面臨一些其實根本不存在的問題，延緩開發進程，造成產品過度設計。

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 總結道：“在模擬復雜的物理場時，你必須明確哪些是關鍵因素，哪些是干擾項，然后循序漸進地逐步建立模型，才能避免引入錯誤或采用不恰當的假設，確保仿真結果的準確性和可靠性。”

根據精確結果做出明智的商業決策

“現在，我們已經具備了快速建立并優化仿真模型的能力，這不僅幫助我們大大降低了項目風險，還讓隨需應變地獲取工程級數據變成了現實。” McKennon 評論道，“我們無需花費大量時間和資金來制作復雜的測試樣品，而是使用 COMSOL 模擬各種物理現象，這明顯縮小了項目中潛在問題涉及的范圍。在很多情況下，我們無法使用實物樣品測得關鍵數據，此時就需要利用數值仿真分析來彌補這些不足。”

“時間就是金錢，在我們行業尤其如此。借助軟件提供的強大功能，我們能夠為客戶提供優質高效的服務。事實上，一些客戶對仿真的有效性充滿信心，他們甚至會完全依賴我們的仿真結果來制定大批量生產的業務決策，很少再進行實驗驗證。面對如此的利害關系和客戶的高度信任，我們不允許自己犯錯，也無法承擔任何錯誤造成的后果。COMSOL 作為一款建模仿真工具，為我們帶來了無窮的價值。我們也相信，COMSOL 模型能夠準確地反映真實世界。”