冬季氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響綜述

馬星辰

摘 要：在資源約束趨緊、環(huán)境污染嚴(yán)重的嚴(yán)峻形勢(shì)下，風(fēng)能作為一種清潔的可再生能源，越來(lái)越受到世界各國(guó)的重視。隨著風(fēng)電場(chǎng)的大量興建，風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行問(wèn)題也備受人們的關(guān)注[1]。在影響風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行的諸多因素中，冬季氣象災(zāi)害對(duì)機(jī)組的危害是一個(gè)不容忽視的問(wèn)題。

文章結(jié)合我國(guó)風(fēng)能資源分布及冬季氣候特點(diǎn)，分析了低溫，結(jié)冰等典型冬季氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響，然后根據(jù)相關(guān)研究現(xiàn)狀，提出了包含優(yōu)化評(píng)估在內(nèi)的幾種應(yīng)對(duì)解決方案。

0引言

我國(guó)風(fēng)能資源主要分布在華東、華北、東南地區(qū)。目前全國(guó)約 75%左右的風(fēng)機(jī)裝機(jī)容量在“三北”（東北、華北、西北）地區(qū)[2]。這些地區(qū)冬季氣候相對(duì)寒冷，降雪頻繁，又由于風(fēng)電場(chǎng)及輸電線路普遍設(shè)置在空曠的自然環(huán)境中，低溫、結(jié)冰，暴雪等冬季災(zāi)害性天氣都會(huì)對(duì)風(fēng)電場(chǎng)及電網(wǎng)安全造成影響，使風(fēng)電設(shè)備遭到損壞，甚至沖擊電網(wǎng)的線路安全。為此，開(kāi)展氣候變化背景下冬季氣象災(zāi)害對(duì)我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)的影響分析，提出防御對(duì)策與建議，對(duì)提高我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)防御氣象災(zāi)害的能力、有效保障風(fēng)電場(chǎng)安全運(yùn)行起到積極的作用。

1冬季氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響分析

1.1低溫

寒潮天氣出現(xiàn)時(shí)帶來(lái)的大風(fēng)天氣過(guò)程也是豐富的風(fēng)資源，但隨之而來(lái)的冬季低溫也都會(huì)給風(fēng)電場(chǎng)造成一定的影響。我國(guó)的低溫災(zāi)害主要分布在東部地區(qū)和北部地區(qū)，且北部地區(qū)尤為嚴(yán)重，這些地區(qū)風(fēng)能資源較豐富，但是冬季寒潮入侵時(shí)氣溫較低，對(duì)風(fēng)機(jī)影響較大，低溫成為影響風(fēng)電場(chǎng)安全穩(wěn)定運(yùn)行的因素之一。

低溫時(shí)空氣密度增大，導(dǎo)致風(fēng)電機(jī)組特別是失速型風(fēng)電機(jī)組的額定輸出轉(zhuǎn)矩增加，出現(xiàn)過(guò)載現(xiàn)象；同時(shí)也會(huì)引起風(fēng)輪葉片產(chǎn)生空氣彈性振動(dòng)，導(dǎo)致葉片后緣結(jié)構(gòu)失效[3]而產(chǎn)生裂紋，因?yàn)槿~片失速后氣動(dòng)阻尼會(huì)變?yōu)樨?fù)值而結(jié)構(gòu)阻尼會(huì)下降[4] [5]。研究表明，幾乎所有的金屬材料的疲勞極限都隨溫度的降低而提高，因此在風(fēng)機(jī)設(shè)計(jì)中，一般當(dāng)環(huán)境溫度低于30℃時(shí)，風(fēng)機(jī)將自動(dòng)停機(jī)。

此外，風(fēng)電機(jī)組所使用的潤(rùn)滑油受溫度的影響也較大，因?yàn)椋簻囟仍降?，油的黏度越大，其流?dòng)性變差，需要潤(rùn)滑的部位可能得不到充分的油量供應(yīng)，從而危及設(shè)備的安全。就好比人體流淌著血液，油液之于風(fēng)機(jī)也是如此，風(fēng)力機(jī)的運(yùn)作離不開(kāi)油液的潤(rùn)滑，低溫造成的油量供應(yīng)不足等問(wèn)題確實(shí)亟待解決。

1.2覆冰

覆冰是指地面樹(shù)木、設(shè)施等物體表面產(chǎn)生的結(jié)冰現(xiàn)象，是雨凇、霧凇及二者混合體凝附或濕雪凍結(jié)在物體上形成的。就全國(guó)范圍而言，覆冰的季節(jié)變化比較一致，一般秋季開(kāi)始出現(xiàn)，冬季最頻繁也最為嚴(yán)重，春季逐漸減少，3、4 月相繼結(jié)束。在東北，春初短時(shí)季節(jié)氣候變化頻繁、溫差幅度較大，處于臨界狀態(tài)的雨雪、霧、露遇到低溫的設(shè)備體和金屬結(jié)構(gòu)體表面時(shí)會(huì)結(jié)冰。

對(duì)于風(fēng)電場(chǎng)來(lái)說(shuō)，覆冰是不容忽視的氣象災(zāi)害，當(dāng)風(fēng)機(jī)葉片表面大量覆冰時(shí)，由于冰載荷的不平衡而增加機(jī)組零部件的疲勞[4] [5]，當(dāng)葉片上冰的厚度較大時(shí)，冰塊會(huì)脫落，可能帶來(lái)意外傷害和損壞，同時(shí)使粗糙度增大，從而降低機(jī)翼的氣動(dòng)性，影響機(jī)組的正常運(yùn)行；由于覆冰厚度不一，使葉片原有的翼型改變，造成風(fēng)機(jī)的發(fā)電功率降低[6]；風(fēng)機(jī)常規(guī)測(cè)風(fēng)儀中的風(fēng)杯被結(jié)成冰球，可導(dǎo)致測(cè)風(fēng)數(shù)據(jù)不準(zhǔn)，影響風(fēng)機(jī)正常發(fā)電；風(fēng)向出現(xiàn)偏差會(huì)影響風(fēng)機(jī)主動(dòng)偏航。

另外，輸電線路覆冰，會(huì)因電線增加負(fù)重甚至導(dǎo)致電線斷裂，影響電力的輸送。文獻(xiàn)[7]對(duì)上述問(wèn)題進(jìn)行了分析和探討結(jié)冰對(duì)能量損失的影響見(jiàn)表1。

類(lèi)似的氣象問(wèn)題，如暴雪天氣，其本質(zhì)是降水，只不過(guò)是降雪晶體和其聚合物雪團(tuán)。暴雪是指24h降雪量（融化成水）超過(guò)10mm的降雪。和葉片覆冰一樣，雪載荷的存在也會(huì)增加機(jī)組零部件的疲勞程度，可能帶來(lái)意外傷害和損壞，影響機(jī)組正常運(yùn)行。

2研究現(xiàn)狀

目前，國(guó)內(nèi)外的相關(guān)的研究?jī)H限于從定性的角度分析風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)的自然災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)。

國(guó)外對(duì)于低溫結(jié)冰對(duì)風(fēng)電場(chǎng)的影響主要是針對(duì)監(jiān)測(cè)手段、除冰和抗冰設(shè)備等進(jìn)行研究（Clausen，2003；Clausen，2007；Hochart，2008）。如：如何來(lái)判斷葉片是否結(jié)冰、冰的厚度等，并取得了一些成績(jī)，但尚未研制出一種行之有效的傳感器；而國(guó)內(nèi)則注重低溫結(jié)冰對(duì)于風(fēng)電機(jī)組影響的探討，在低溫天氣下，空氣密度增大，風(fēng)電機(jī)在同風(fēng)速下的輸出功率增大，控制系統(tǒng)如處理不當(dāng)，容易出現(xiàn)超發(fā)甚至超負(fù)荷的情況（張健等，2008；孫鵬，2008；張禮達(dá)和張彥南，2009）。

3解決辦法

3.1優(yōu)化評(píng)估

國(guó)內(nèi)外關(guān)于風(fēng)電開(kāi)發(fā)、災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究己取得了一定的進(jìn)展，但還存在一些亟待開(kāi)展研究的科學(xué)問(wèn)題，比如：從災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估模型方法來(lái)看，大多針對(duì)單一災(zāi)種以概率統(tǒng)計(jì)為基礎(chǔ)的指標(biāo)體系靜態(tài)評(píng)估，而對(duì)多災(zāi)種復(fù)合的自然災(zāi)害動(dòng)態(tài)風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估研究較少，為數(shù)很少的幾篇文獻(xiàn)簡(jiǎn)單提及自然災(zāi)害綜合風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估可以采取單災(zāi)種風(fēng)險(xiǎn)疊加的方法，有待進(jìn)一步深入探討等。

可以通過(guò)分析我國(guó)主要冬季氣象災(zāi)害特征，揭示風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)的主要?dú)庀鬄?zāi)害影響，將層次分析法應(yīng)用于風(fēng)電場(chǎng)的冬季氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)評(píng)估[8]，建立主要冬季氣象災(zāi)害對(duì)我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)風(fēng)險(xiǎn)性評(píng)價(jià)模型，評(píng)估得到我國(guó)各區(qū)域建風(fēng)電場(chǎng)所承受的綜合氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)大小，提出預(yù)防措施，為我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)開(kāi)發(fā)與管理提供參考.

3.2低溫和覆冰、雪問(wèn)題

針對(duì)低溫和覆冰問(wèn)題對(duì)風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的不利影響，可以采取以下方法來(lái)加以解決：① 利用特殊的阻尼材料來(lái)提高復(fù)合材料葉片的結(jié)構(gòu)阻尼；②改變翼型局部形狀來(lái)改變翼型的氣動(dòng)性能；③ 在葉片內(nèi)部安裝阻尼器和減振器來(lái)降低葉片的振動(dòng)；④ 安裝局部加熱系統(tǒng) （如葉片、齒輪箱、發(fā)電機(jī)、控制柜等加熱系統(tǒng)），其中葉片加熱系統(tǒng)可以在葉片表面附近加入碳纖維成分來(lái)達(dá)到目的；⑤研制一種能除冰、抗冰的裝置[9]；⑥在盡可能靠近葉片尖端部位安裝先進(jìn)的傳感器來(lái)對(duì)葉片結(jié)冰情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)分析，并采取相應(yīng)措施 （如在葉片內(nèi)部通入熱的空氣） 來(lái)使冰融化等[10]。應(yīng)從提高風(fēng)力機(jī)用材料的性能著手，進(jìn)行技術(shù)上的改進(jìn)， 而不僅僅停留在對(duì)國(guó)外機(jī)組的簡(jiǎn)單改進(jìn)層面上。另外，要盡快研究適用于低溫環(huán)境條件的風(fēng)電機(jī)組技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)和設(shè)計(jì)規(guī)范，從設(shè)計(jì)的源頭做起，降低技術(shù)風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

本文對(duì)冬季幾種典型氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電機(jī)組的影響進(jìn)行了分析總結(jié)，并給出了相應(yīng)的解決措施；但由于氣候條件的多變性、隨機(jī)性，還有很多挑戰(zhàn)性問(wèn)題的工作需要業(yè)內(nèi)人士探討。

總之，冬季氣象災(zāi)害，如低溫，覆冰，暴雪均會(huì)影響風(fēng)電場(chǎng)的安全，在風(fēng)電場(chǎng)選址和可行性研究中要予以充分的關(guān)注，在風(fēng)電場(chǎng)的運(yùn)行過(guò)程中要有完備的防范措施，以免帶來(lái)不必要的經(jīng)濟(jì)損失。

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