淺析低溫環境對風力發電機組的影響

孫西寧

摘 要：在我國北方地區的風電場，冬季的寒冷氣候對風力發電機組性能有比較大的影響。本文在分析低溫條件下機組特性某些變化的基礎上，以及已經取得的一些運行經驗，嘗試提出了針對低溫條件風力發電機組設計時所應采取的針對性措施。

關鍵詞： 低溫；風力發電機組

前言：我國“三北”地區風資源豐富，目前全國裝機總容量的76%分布在這一區域。這些地區有一個共同特征就是冬季溫度比較低，最低溫度低于-30℃，低溫問題是這些風電場所面臨的一個共同問題。這種情況下機組的運行工況、零部件的性能、機組的可維護性等方面都將發生變化，可能會造成風力發電機組的某些性能超出了設計允許范圍，情況嚴重時甚至會引起嚴重的安全事故。

針對低溫環境的技術標準在風電行業中還是個空白。大多數安裝在低溫地區的風力發電機組是在其標準產品設計的基礎上，采取一些專項的技術改進措施，期望能保證機組的正常安全運行。根據國外一些報道，根據在加拿大北部一些風電場的經驗，這些措施起到了一定的作用，但要達到預期要求還需要進行更多富有挑戰性的創新工作。本文在總結金風科技近年來在我國北方風電場的安裝、建設以及維護經驗的基礎上，從風力發電機組的出力特性變化、對零部件性能的影響以及運行維護等方面，對某些低溫影響因素進行了初步探討和分析，拋磚引玉，期望能有更多的業內人士關注研究風力發電機組的低溫問題，提高我國風電技術應用和開發水平。

一、低溫條件下風力發電機組出力特性的變化

我們知道，風力發電機組風輪的輸出功率P與風輪的風能利用率Cp、空氣密度ρ、風輪的掃風面積A以及風速V 之間的關系可用下式表示： 顯然，隨著冬季溫度的降低，空氣密度將增大。風力發電機組特別是失速型機組的額定出力將增加，可能出現過發過載現象；夏天氣溫上升，空氣密度將下降，將導致機組的出力下降，應有的效益不能完全發揮。另外一個不容忽視的因素是葉片翼型的空氣動力也受到表面粗糙度和流體雷諾數的影響。冬季容易出現霧凇現象，葉片表面“結晶”，粗糙度增加，會降低翼型的氣動性能；另外在某些特殊天氣如風雪交加的條件下，空氣的粘性作用和雷諾數將發生很大變化，翼型的最大升力系數和失速臨界攻角等特性均會發生較大變化。這些現象和對機組的長期影響有待于進一步研究。

二、低溫對主要零部件的影響

客觀上因為低溫的應用范圍比較有限，此類設備的經驗和知識遠沒有常溫和高溫環境那樣受到廣泛的關注。不同種類的零部件受低溫的影響是不同的，對于金屬機件應根據承受載荷的形式予以區別對待。當然避免在低溫情況下出現較大的沖擊載荷也是非常關鍵的。

受循環載荷的部件如機艙底板和塔架，一般是大型焊接件，此類零件在高寒地區存在低溫疲勞問題。大量試驗結果表明，幾乎所有的金屬材料的疲勞極限均隨溫度的降低而提高，但材料的缺口敏感性增大。因此，焊縫將成為影響低溫疲勞強度的關鍵環節。如果焊縫中存在大的缺陷，非常容易引起低溫脆斷破壞。所以應針對焊縫采取必要的防止低溫脆斷技術措施，包括避免焊縫應力集中，采取預熱和焊后熱處理改善焊縫、熱影響區、熔合線部位的性能，避免未焊透，加強無損探傷檢驗，定期檢查等技術措施，保障設備的安全工作。

復合材料如玻璃纖維增強樹脂具有較好的耐低溫性能，選用適合低溫環境的結構膠生產葉片，就能滿足葉片在-30℃運行的要求。但需要注意由不同材料制作的機構，由于熱膨脹系數不同，常溫狀態下裝配正常，但在低溫時配合狀態會發生變化，可能影響機構的正常功能，需要在設計時予以充分考慮。

一般電子電氣器件功能受溫度影響較大，選用耐低溫的元器件成本昂貴甚至無法做到。但可以采取在柜體內加熱，保持局部環境溫度的方法，實踐表明這一方法簡單有效。

風力發電機組所使用的油品受到溫度的影響也比較大。一般要求潤滑油在正常的工作溫度條件下需具備適當的粘度以保持足夠的油膜形成能力，但另一方面溫度越低，油的粘度越大。例如目前普遍采用的Mobilgear SHC XMP320潤滑油，40℃粘度為 320cSt，傾點-38℃，低溫時油的流動性很差，機組在這種情況下難以運轉，需要潤滑的部位可能得不到充分的潤滑油供給，這會危及設備的安全運行，可以通過加熱使油溫維持到正常水平。若采取直接加熱方式使被加熱油保持流動，否則加熱效果不均勻，可能造成其他不利影響。

基礎需要考慮的低溫影響主要是凍土問題。凍土中因有冰和未凍水存在，故在長期載荷下有強烈的流動性。長期載荷作用下的凍土極限抗壓強度比瞬時載荷下的抗壓強度要小很多倍，且與凍土的含冰量及溫度有關，這些情況應在基礎設計施工時進行考慮。凍土層基礎的要求可參考《凍土地區建筑地基基礎設計規范》。

結束語：隨著風力發電事業的發展，我們應越來越重視低溫對風力發電機組的影響問題。目前非常有必要投入更多的力量，研究適用于低溫環境條件的風力發電機組技術標準和設計規范，從設計的源頭做起，才能有效控制和降低技術風險，促進行業的健康發展。

參考文獻：

[1] 賀德馨、張維智，風力機翼型大攻角氣動力手冊，1988

[2] 蔡為侖，復合材料設計，科學出版社，1989。