黑龍江省極端最低氣溫對(duì)風(fēng)電工程的影響評(píng)估分析

王鳳玲，李亞濱，劉春生

（黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030）

黑龍江省極端最低氣溫對(duì)風(fēng)電工程的影響評(píng)估分析

王鳳玲，李亞濱，劉春生

（黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國(guó)的重視。其蘊(yùn)藏量巨大，全球風(fēng)能資源總量約為2.74×109MW，其中可利用的風(fēng)能為2×107MW。中國(guó)風(fēng)能儲(chǔ)量大、分布面廣，僅陸地上的風(fēng)能儲(chǔ)量就有約2.53×109KW，開發(fā)利用潛力巨大[1]。黑龍江省屬中溫帶、寒溫帶大陸性季風(fēng)氣候，風(fēng)能資源非常豐富，目前正在積極開發(fā)利用風(fēng)能資源。

在風(fēng)電工程建設(shè)中，由于風(fēng)力發(fā)電機(jī)組作為一種野外自然環(huán)境下的發(fā)電設(shè)備，高低溫、雷暴、風(fēng)沙、冰凍等惡劣氣候條件都會(huì)給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行和維護(hù)帶來很大的困難[2]。其中低溫對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響極為重要。

研究表明，如果風(fēng)電場(chǎng)的環(huán)境溫度<-20℃和<-30℃時(shí)，機(jī)組的運(yùn)行狀況、零部件的性能、機(jī)組的可維護(hù)性等方面將發(fā)生變化，可能會(huì)造成風(fēng)力發(fā)電機(jī)組超出設(shè)計(jì)允許范圍，情況嚴(yán)重時(shí)甚至?xí)饑?yán)重的安全事故[2]。黑龍江省地處祖國(guó)的最北端，冬季漫長(zhǎng)而寒冷，在每年冬季的四個(gè)月中，全省平均有78 d極端最低氣溫<-20℃，而黑龍江省北部地區(qū)全年平均有42 d氣溫<-30℃，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)影響極大。

2 資料來源及說明

本文采用黑龍江省77個(gè)臺(tái)站1961年至今48 a來的逐日極端最低氣溫資料進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析，通過5 d滑動(dòng)平均法找出各臺(tái)站穩(wěn)定通過-20℃的初、終日，從而得出黑龍江省各臺(tái)站由于低溫對(duì)風(fēng)電工程有影響的分布和變化情況。

3 全省極端最低氣溫≤-20℃日數(shù)多年變化情況

3.1 全省代表站極端最低氣溫≤-20℃日數(shù)多年變化對(duì)比分析

隨著全球氣候變暖，黑龍江省的氣溫也隨之變暖，其中增幅最明顯的是冬季，從數(shù)據(jù)資料分析得出，全省各臺(tái)站逐年的極端最低氣溫均明顯上升，但升溫幅度的變率卻各有不同，其每年出現(xiàn)≤-20℃的日數(shù)也逐年減少。選取風(fēng)電工程有顯著代表性的15個(gè)站的極端最低氣溫日數(shù)進(jìn)行逐年變化分析。

從圖1中可看出，極端最低氣溫≤-20℃的日數(shù)多年來均呈現(xiàn)減少趨勢(shì)，但變化曲率不同，北部大興安嶺一帶的極端最低氣溫日數(shù)減少幅度較小，顯著低于全省多年平均值，尤其是漠河，減少幅度僅為0.275；而西部地區(qū)臺(tái)站的日數(shù)減少幅度較大，其中泰來、富裕均高于全省多年平均值，富裕多年來的極端最低氣溫日數(shù)變化幅度為0.8369；中、東部地區(qū)的臺(tái)站除通河的減少幅度明顯低于全省平均值外，其它各站均在全省多年平均值左右，但海林多年來極端最低氣溫升溫異常明顯，其≤-20℃的日數(shù)減少幅度為15個(gè)代表站中最高的一個(gè)，達(dá)0.9861。

圖1 黑龍江省各臺(tái)站48 a平均極端最低氣溫日數(shù)變率圖

3.2 各地域臺(tái)站極端最低氣溫≤-20℃日數(shù)變化分析

按東南西北四個(gè)區(qū)域分別選取11個(gè)代表站，其中北部代表站為漠河、黑河、嫩江；西部代表站為泰來、富裕；中南部代表站為伊春、通河、依蘭；東部代表站為海林、撫遠(yuǎn)、饒河。

從圖2可看出，北部地區(qū)的極端最低氣溫≤-20℃日數(shù)較多，在70～160 d，其中以漠河站最多，北部地區(qū)48 a來的極端最低氣溫≤-20℃日數(shù)減少幅度較小，尤其是漠河；西部地區(qū)低溫日數(shù)較少，尤其是80年代中期后，低溫日數(shù)減少的幅度明顯加大，2007年泰來極端最低氣溫≤-20℃日數(shù)僅為7 d，雖然泰來低溫日數(shù)很少，但和富裕相比，48 a來變率不如富裕大，富裕48 a來的低溫日數(shù)變率達(dá)到0.8369；中北部地區(qū)的3個(gè)代表站，依蘭低溫日數(shù)最少，伊春最多，通河次之，從日數(shù)減少變率來看，依蘭的低溫日數(shù)減少的最多；東部3個(gè)代表站48 a來極端最低氣溫≤-20℃日數(shù)變化幅度均較大，其中海林最大，達(dá)到0.9861，主要是由70年代末期后低溫日數(shù)迅速減少而導(dǎo)致的。

圖2 代表站極端最低氣溫≤-20℃日數(shù)曲線圖

4 黑龍江省極端最低氣溫≤-20℃臺(tái)站的空間分布及對(duì)風(fēng)電工程的影響

研究表明：如果風(fēng)電場(chǎng)的環(huán)境溫度<-20℃，風(fēng)速超過額定點(diǎn)以后（大約16～18 m/s），在風(fēng)力發(fā)電機(jī)組正常運(yùn)行過程中，會(huì)發(fā)生無規(guī)律的、不可預(yù)測(cè)的葉片瞬間振動(dòng)現(xiàn)象，即葉片在旋轉(zhuǎn)平面內(nèi)的振動(dòng)，這種振動(dòng)有時(shí)會(huì)發(fā)散，導(dǎo)致機(jī)組振動(dòng)迅速增加，造成機(jī)組停機(jī)，影響機(jī)組的正常發(fā)電。同時(shí)，這種振動(dòng)對(duì)葉片也是有害的，它會(huì)在葉片最大弦長(zhǎng)位置產(chǎn)生橫向裂紋，嚴(yán)重威脅葉片結(jié)構(gòu)安全[3]。

圖3 黑龍江省各臺(tái)站極端最低氣溫≤-20℃初、終日分布圖

從圖3可看出，大興安嶺大部地區(qū)在11月上、中旬至3月中、下旬期間內(nèi)日極端最低氣溫穩(wěn)定≤-20℃，低溫時(shí)段長(zhǎng)達(dá)近5個(gè)月，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)正常運(yùn)行極為不利；黑河、伊春、齊齊哈爾北部、綏化北部等地則在11月下旬至2月下旬期間極端最低氣溫穩(wěn)定≤-20℃，比北部地區(qū)低溫日數(shù)減少1個(gè)月左右；而松嫩平原西南部、三江平原南部及牡丹江大部地區(qū)的極端最低氣溫穩(wěn)定≤-20℃，持續(xù)時(shí)間在12月中旬左右至2月中旬，低溫日數(shù)較少，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的影響也較低，尤其是佳木斯、依蘭、雙鴨山、鶴崗一帶的臺(tái)站極端最低氣溫穩(wěn)定≤-20℃的初終日在12月下旬至1月下旬，時(shí)間僅為1個(gè)月左右，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片的影響極低。從圖4可看出，黑龍江省各臺(tái)站極端最低氣溫≤-20℃日數(shù)分布，北部日數(shù)最多，松嫩平原大部、三江平原大部及牡丹江地區(qū)的低溫日數(shù)較少，雙鴨山、雞西等地的低溫日數(shù)最少，對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)的正常運(yùn)行影響較小。

圖4 黑龍江省各臺(tái)站極端最低氣溫≤-20℃日數(shù)分布圖

5 黑龍江省極端最低氣溫≤-30℃臺(tái)站的空間分布及對(duì)風(fēng)電工程的影響

研究表明，當(dāng)風(fēng)力發(fā)電場(chǎng)的環(huán)境溫度≤-30℃時(shí)，風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片可能不運(yùn)轉(zhuǎn)，發(fā)電機(jī)中承受循球載荷的金屬部件將出現(xiàn)低溫疲勞問題，它將隨著溫度的降低而增大，敏感性增大，易出現(xiàn)斷裂情況。風(fēng)力發(fā)電機(jī)組所使用的潤(rùn)滑油在極低的溫度環(huán)境下流動(dòng)性將變差，機(jī)組在這種情況下難以運(yùn)轉(zhuǎn)，需要潤(rùn)滑的部位可能得不到充分的潤(rùn)滑油供給，危及設(shè)備的安全運(yùn)行。根據(jù)這一指標(biāo)，對(duì)黑龍江省的臺(tái)站出現(xiàn)極端最低氣溫≤-30℃做出評(píng)估，隨著近年來氣候的逐漸變暖，黑龍江省只有北部大興安嶺地區(qū)等臺(tái)站出現(xiàn)極端最低氣溫穩(wěn)定≤-30℃的時(shí)間段，其中漠河出現(xiàn)在11月下旬至2月下旬，其它臺(tái)站均在12月下旬至1月下旬左右。由此可以說明，除北部地區(qū)外，黑龍江省其它各地的風(fēng)電工程建設(shè)均不會(huì)受到極端最低氣溫≤-30℃的嚴(yán)重影響。

圖5 黑龍江省1961年以來各臺(tái)站出現(xiàn)極端最低氣溫≤-30℃日數(shù)分布圖

從圖5可看出，大興安嶺、黑河地區(qū)極端最低氣溫≤-30℃日數(shù)最多，為50～100 d，松嫩平原西部、三江平原大部及牡丹江部分地區(qū)極端最低氣溫≤-30℃日數(shù)在10～25 d，雙鴨山、雞西等地出現(xiàn)日數(shù)＜10 d，其它地區(qū)在25～50 d。由此說明，松嫩平原西部、三江平原及牡丹江一帶的極端最低氣溫≤-30℃日數(shù)出現(xiàn)概率極小，對(duì)風(fēng)電工程的建設(shè)十分有利。

6 結(jié)論

（1）北部地區(qū)的極端最低氣溫≤-20℃日數(shù)減少幅度較小，西部松嫩平原一帶低溫日數(shù)減少幅度較大。

（2）大興安嶺、黑河一帶的低溫時(shí)段較長(zhǎng)，對(duì)風(fēng)電工程建設(shè)極為不利，松嫩平原西南部、三江平原南部及牡丹江大部地區(qū)的低溫時(shí)段較短，對(duì)風(fēng)電工程影響較小，雙鴨山、雞西、鶴崗一帶的低溫時(shí)段非常短，對(duì)風(fēng)電工程極為有利。

（3）黑龍江省除北部大興安嶺地區(qū)臺(tái)站的極端最低氣溫出現(xiàn)≤-30℃時(shí)段，不適合風(fēng)電工程的建設(shè)外，其它各臺(tái)站全年中出現(xiàn)極端最低氣溫出現(xiàn)≤-30℃日數(shù)的概率極小，對(duì)風(fēng)電工程建設(shè)較為有利。

［1］2008-2009年中國(guó)風(fēng)能產(chǎn)業(yè)行業(yè)市場(chǎng)深度分析及發(fā)展趨勢(shì)研究報(bào)告[R].2009.

［2］王相明.低溫環(huán)境對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的影響初探[J].風(fēng)力發(fā)電,2005,(3):37-39.

［3］張禮達(dá)，任臘春.惡劣氣候條件對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響風(fēng)析[J].水力發(fā)電，2007,33(10):67-69.

S426

A

1002-252X(2012)02-0023-04

2012-2-1

王鳳玲(1964-)，女，黑龍江省五常市人，氣象職工中專，大專生，工程師.