摘要：风力发电因其绿色清洁低碳、运行维护成本低等优点正逐渐成为各能源大国的主流过渡替代能源，伴随风电的大力发展，部分风电场在选址时风电机组的装机位置离居民区很近，导致机组运行时产生的噪声遭到居民投诉，类似案例近几年呈明显上升趋势，噪声扰民因此成为很多风电场业主亟待解决的问题之一。不同国家和地区对环境噪声排放都有明确要求，国外在噪声标准上的要求均高于国内。
关键词：锯齿降噪结构；风力发电机组；叶片
1风力发电机机械结构分析与工作过程
1.1风力发电机机械结构分析
目前占市场主流的是水平轴风力发电机，平时说的风力发电机通常也是指水平轴风力发电机。垂直轴风力发电机虽然最早被人类利用，但是用来发电还是近10多年的事。与传统的水平轴风力发电机相比，垂直轴风力发电机具有不用对风向，转速低，无噪音等优点，但同时也存在起动风速高，结构复杂等缺点，这都制约了垂直轴风力发电机的应用。所以本文就只对水平轴风力发电机的结构进行了分析。大型水平轴风力发电机的结构组成成分包括：塔架、风轮、机舱、控制系统等部件。塔架：塔架的作用在于对整个风力发电机的安装与支撑，由于不同的需要，塔架的结构主要有如下三种，分别是：1）型钢桁架结构。2）混凝土结构。3）圆锥型钢管结构。其中桁架式塔架造价虽低但维护不方便，钢管结构由钢板卷制焊接而成，有结构紧凑、安全可靠、维护方便、外形美观等优点，已逐渐广泛应用。
1.2风轮
风轮的作用在于接受风能，其组成主要是由2~3个叶片安装在轮毂上，经过相关技术人员的研究与大量的实验数据可知：对于大型风力发电机而言，当其叶片的直径在60m以上或者100m以上时，其接受风能的能力会更好。在技术方面，由于叶片的角速度是相同的，但是其距离旋转中心不同半径处叶片的线速度是不相同的，所以叶片不同处接受风的能量也是不相同，但是具有一一对应关系。通过对大量实验数据的对比，最终将叶片的结构制造成了从叶片根部至叶片尖部是渐缩的，同时扭转了一定角度的机翼型扭曲叶片。由于风电发电机组经常被使用在具有风沙的地方，所以风轮叶片都具有一定的承受沙暴侵袭的能力，同时其也具备防雷的效果。
2锯齿降噪结构研究现状
近年来，诸多学者对仿生学翼型尾缘进行了研究，发现猫头鹰翅膀后部的柔软羽毛能够增加流体的可穿透性，从而降低其在捕猎飞行时产生的声音，研究也证实了锯齿形尾缘能够降低翼型的尾缘宽带噪声。大型风力发电机组叶片气动噪声主要由叶片后缘区域的涡流产生，这类噪声在频域上呈现宽频的特点。叶片气动噪声的降噪原理是将尾缘边界层处较大的涡流被打散成较小的涡流。针对锯齿形翼型尾缘噪声控制这一课题，进行了平板单元翼型在全消声风洞中的实验研究，通过在翼型尾缘附加锯齿的方法降低中低频段的远场气动噪声，且基本不影响翼型的气动性能。
3风力发电机的工作过程
1由于风向风的不定，所以风轮必须时刻正对风的方向，而大型的风轮是不能由人力来控制其转向的，进而在风力发电机的机舱转盘底座上安装了调向机构，以便可以随时根据需要调整风轮的转向，使发电机可以正常的工作，为人们提供能量。2由于风有大小之分，并且风轮的直径比较大，所以在运行时，风轮的转速是比较低的。为了使其满足发电机的转速要求，技术人员便在低速的风轮轴和高速的发电机轴之间安装了增速器，增速器的功能在于使转速可以达到额定转速，这样发电机才可以正常的工作。
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4风力发电机组控制策略
对于不同区域，可以将变速恒频双馈风电机组的基本控制目标分为两类：1）当风速低于额定风速时，可以利用最大风功率系数Cpmax，以便可以获得最大的风能效果。2）当风速高于额定风速时，可以利用风的最大输出功率PTmax，以便获得稳定的功率输出，以达到好的工作效果。根据其运行原理可以这样来描述变速恒频双馈风电机组：1）风速由零开始变大时，发电机的转速和Cp都不断的上升，并且在切入风速之前，风力发电机组不发出电能而只是做机械转动。2）但是当风速逐渐达到切入风速时，发电机转速便可以逐渐地达到允许的最高转速，此时发电机组便开始进行发电，发出电能。如果风速逐渐地增大，那么发电机的转速也会不断地增大，致使其最终达到允许的最值，此时，只要功率低于允许的最大功率，风电机组便会于转速恒定区运行。于转速恒定时，如果风速还是继续地增大，此时的Cp值便不会再继续增加而是略有减小，但是风力发电机的功率不会降低而是持续地增大。但是需要注意的是：一旦风力发电机的功率达到功率极限时，机组便会进入功率恒定区，如果此时的风速还是继续地增大，发电机的转速便会以最高转速运行，而不会再增速。
5测试数据分析
现场进行噪声测试时，被测机组处于正常运行状态，测试所得数据中包含了机组运行时的所有声音信号，这里假设采集到的数据中叶片气动噪声占主要成分，后续分析均基于这一假设条件。数据对比分析时，选择相同风速区间的数据进行对比，尽量避免其他因素的干扰，对比数据的不同之处仅在于叶片上是否安装锯齿降噪结构，故可以认为噪声辐射值的变化效果是由锯齿降噪结构产生。测试期间共采集了约3500个10s数据文件，经过统计计算得到各规格化风速下的平均A计权声压级，即测点噪声。如表5所示，表中节选列出了叶片在加装锯齿结构前后，4m/s～8m/s风速区间的测点噪声。其中ΔL（A）为对应风速下叶片无锯齿结构时的测点噪声值减去有锯齿结构时的测点噪声值。由表可知，在5m/s左右的风速区间内，锯齿降噪结构的降噪效果最好，平均降噪幅度达到5.9dB；在5m/s～8m/s的风速范围内，随着风速的增大，锯齿降噪结构的降噪效果逐渐减弱。对风力发电机组叶片气动噪声的控制主要针对额定风速以下的风速区间，当风速达到额定风速以后，叶片的自动变桨策略即可实现噪声不再增加。
6结论
（1）现场实测数据分析结果验证了锯齿结构尾缘叶片气动降噪的原理，通过打散叶片后缘边界层的大涡能够达到降低叶片气动噪声的效果。（2）锯齿形降噪结构在大型风力发电机组机型上的现场实际应用取得初步成效，对比安装降噪结构前后的噪声值，在5m/s～6m/s的风速段降噪明显；进一步频谱分析表明，在下风向水平距离机组135m远测点处的大部分频段噪声值可降低2dB～8dB。考虑到目前国内大部分风电场的年平均风速基本小于8m/s，故对于有降噪需求的风电场而言，在风机叶片上加装降噪结构不失为一项有效的技术手段，既可以在一定程度上缓解噪声扰民的问题，又避免了因投诉停机甚至拆除风机而产生的经济损失。
参考文献：
[1]惠鹏，郭永刚，鞠伟.风电场风力发电机组叶片失效断裂分析[J].科技创新导报，2017，14（33）：80-81.
[2]解玉平.2MW风力发电机叶片的设计建模和疲劳寿命分析[D].烟台大学，2017.
[3]金晓航，孙毅，单继宏，吴根勇.风力发电机组故障诊断与预测技术研究综述[J].仪器仪表学报，2017，38（05）：1041-1053.
[4]岳萍，彭娟，张慧.流固耦合的风力发电机组叶片振动特性分析[J].机械设计与制造工程，2017，46（04）：99-102.
论文作者:王健
论文发表刊物:《基层建设》2018年第26期
论文发表时间:2018/10/1
标签：叶片论文; 风速论文; 噪声论文; 结构论文; 风轮论文; 锯齿论文; 降噪论文; 《基层建设》2018年第26期论文;