Influence of electrostatic charge on lightning interactions with aircraft and wind turbines: an experimental approach to an active charge control application
Authors:   , Fontanes Molina Pol 
Published: June 2024

(English) Lightning strikes to aircraft and wind turbines can lead to substantial repair expenses. These structures often trigger lightning strikes, in the form of bidirectional leaders in the case of aircraft and upward leaders in the case of wind turbines. For airplanes and specific wind turbine blades, isolation from the ground enables the accumulation of an electrostatic charge, which can be further enhanced by their movement.
This thesis studies the influence of electrostatic charge on the lightning interactions with aircraft and wind turbines. The study builds from a collaboration between two research groups and industry, synergistically enhancing research capabilities. The outcome is the development of the Hammer system, an active electrostatic charge control system designed specifically for aircraft and wind turbines.
The electrification of wind turbine blades and aircraft under fair weather conditions is examined, along with artificial charge compensation techniques to mitigate its effects. This involves developing field methods for studying induced currents in wind turbine blades and conducting experimental studies on ion release from aircraft to control electrostatic charge.
The Hammer system, wirelessly controls the net charge of a floating conductor. Through a high-voltage generator connected to a floating corona electrode, the system captures or releases ions to the ambient. The system's successful implementation is demonstrated by achieving bipolar ion emission from an aircraft surface during flight. The duration of the transient state of ion emission is linked to the airspeed and its interplay with ion advection and electrostatic attraction.
Regarding wind turbine blades, electrostatic polarization of electrically isolated blades in laboratory conditions reveals a two-step process: rapid polarization of the down conductor followed by gradual charge accumulation at the glass fiber enclosure. The Hammer system effectively neutralizes the potential gradient at the blade root when exposed to intense electric fields.
The research also explores the application of vertical conductors with drones to measure atmospheric electricity effects, simulating current induction in wind turbines. A validated model combining partial discharge and vertical motion contributions to current induction is proposed, adaptable for wind turbine use. This model aligns well with field measurements of real wind turbine currents under fair weather conditions.
The investigation extends beyond its immediate scope by considering the transferability of results to other fields like geoengineering.
In summary, this research delves into the intricate relationship between electrostatic charge, lightning attachment, and protection mechanisms for aircraft and wind turbines. The collaborative effort results in the Hammer system, offering a pioneering solution to mitigate risks and enhance the safety and efficiency of these structures.
(Català) Els llamps a aeronaus i turbines eòliques poden comportar despeses de reparació substancials. Aquestes estructures sovint desencadenen llamps, en forma de líders bidireccionals en el cas dels avions i caps ascendents en el cas dels aerogeneradors.
Per als avions i les pales específiques d'aerogeneradors, l'aïllament del terra permet l'acumulació d'una càrrega electrostàtica, que es pot millorar encara més pel seu moviment.
Aquesta tesi estudia la influència de la càrrega electrostàtica en les interaccions del llamp amb aeronaus i aerogeneradors. L'estudi revela una col·laboració entre dos grups de recerca i la indústria, millorant de manera sinèrgica les capacitats de recerca. El resultat és el desenvolupament del sistema Hammer, un sistema actiu de control de càrrega electrostàtica dissenyat específicament per a aeronaus i aerogeneradors.
S'examina l'electrificació de pales d'aerogeneradors i aeronaus en condicions meteorològiques favorables, juntament amb tècniques de compensació de càrrega artificial per mitigar-ne els efectes. Això implica crear mètodes de camp per estudiar els corrents induïts a les pales dels aerogeneradors i realitzar estudis experimentals sobre l'alliberament d'ions de les aeronaus per controlar la càrrega electrostàtica.
El sistema Hammer controla inal·lambricament la càrrega neta d'un conductor flotant. A través d'un generador d'alta tensió connectat a un elèctrode de corona flotant, el sistema captura o allibera ions a l'ambient. L'èxit d'implementació del sistema es
demostra aconseguint l'emissió d'ions bipolars de la superfície d'una aeronau durant el vol. La durada de l'estat transitori d'emissió d'ions està relacionada amb la velocitat de l'aire i la seva interacció amb l'advecció iònica i l'atracció electrostàtica.
Pel que fa a les pales de les turbines eòliques, la polarització electrostàtica de les pales aïllades elèctricament en condicions de laboratori revela un procés de dos passos: polarització ràpida del conductor de baixada seguida d'una acumulació gradual de càrrega al recinte de fibra de vidre. El sistema Hammer neutralitza eficaçment el gradient potencial a l'arrel de la fulla quan s'exposa a camps elèctrics intensos.
La investigació també explora l'aplicació de conductors verticals amb drons per mesurar els efectes de l'electricitat atmosfèrica, simulant la inducció de corrent a les turbines eòliques. Es proposa un model validat que combina descàrrega parcial i contribucions de moviment vertical a la inducció actual, adaptable per a l'ús de turbines eòliques. Aquest model s'alinea bé amb les mesures de camp dels corrents reals de les turbines eòliques en temps bons.
La investigació va més enllà del seu abast immediat considerant la transferibilitat dels resultats a altres camps com la geoenginyeria.
En resum, aquesta investigació aprofundeix en la intricada relació entre la càrrega electrostàtica, la connexió de llamps i els mecanismes de protecció per a aeronaus i aerogeneradors. L'esforç col·laboratiu dóna com a resultat el sistema Hammer, que
ofereix una solució pionera per mitigar riscos i millorar la seguretat i l'eficiència d'aquestes estructures.