風電場噪聲的主要來源及降噪技術

徐明軍

（江蘇龍源風力發電有限公司，江蘇 南通 226300）

隨著化石能源的日益枯竭，能源的發展逐漸轉向可再生能源的高效開發和利用，風能具有儲量豐富、污染小、便于獲取等優點，而被眾多國家所利用。風能主要通過風力發電機將風能轉變成電能的，依據風力資源的強弱建立相應規模的風電場，進行集中發電，同時，風電也可以實現與太陽能進行結合，實現風光互補的形式對在電網難以到達的偏遠地區進行供電，降低整個電網的投入。然而，風能即使可大規模開發利用，但其在運行過程中也帶來了一定的環境影響，19世紀中后期，德國一些研究人員對風電廠運行的風力機噪聲對居民生活及鳥類遷徙的影響進行了研究，并得出風力機組產生的一些非特異性噪聲對當地居民的身心健康產生了一定的影響，低頻率的噪聲會對鳥類的遷徙產生影響。隨著單臺風力機發電量的增加，風力機的尺寸要比當時尺寸更大，噪聲的影響也增大了數倍。

大功率、低噪聲污染的風力發電機是風力發電未來的發展方向，本文分別對風力機葉片噪音、風力機塔架噪音、風力機啟停振動噪音產生及其抑制技術進行了歸納總結，并提出不同規模的電廠，主要控制噪聲源的對策，真正實現風力發電的清潔能源化。

1 風力機氣動噪聲及其抑制技術

1.1 氣動噪聲的產生原因

風力發電廠主要由機械噪聲和氣動噪聲組成，其中運行中的風力機主要的噪聲以氣動噪聲為主，氣動噪聲主要是風力機葉尖的高速繞流、風力機葉片與塔架產生的結構失穩流動以及各個風力機之間相互干擾造成的氣流擾動組成的。葉與塔架耦合作用形成的低頻噪聲，該種類噪聲的強弱取決于與風輪掠過塔架時產生的特征頻率，水平軸風力發電機在順風時，噪音傳播遠、噪音強，逆風時，噪音有所減弱，這主要是順風時，葉輪掠過塔架形成多重復合繞流，渦流強度較大，噪聲明顯。風力機葉尖噪聲風力機葉尖在運行過程中產生的湍流渦之間與葉片的相互作用引起的，該種噪聲產生高頻和低頻兩種噪聲，高頻噪音是由小于風力機葉片弦長的渦流產生的，低頻噪聲是由直徑大于葉片弦的湍流渦之間產生的，高低頻噪聲的相互疊加，促使噪聲更強。

1.2 氣動噪聲抑制技術

風電機組的氣動噪聲主要由葉片結構、風場風速、風向以及風力機葉片參數等決定，在諸多因素中，葉尖結構形式，對整個噪音的組成影響最大，為有效控制葉尖噪聲對環境造成的影響，現有的葉尖降噪技術主要有改變葉尖形狀、葉尖打孔、優化葉尖翼型、半圓形葉片葉尖、等寬葉片等，這幾種優化方式的主要原理是，降低運行葉尖前后的壓差，進而改善葉尖尾部渦量強度。這些方法可以使部分氣流自葉片高壓面流向葉片低壓面，氣流分離點向流動下方移動，降低了葉片出口截面的分離區，分離區渦流強度和尺寸減少，噪聲也隨之減少。雖然產生的噪音得到了有效的控制，但是，需要對葉片葉尖處的強度進行校核，確定其是否經受住長期的風載荷的作用。

2 風力機機械噪聲、啟停噪聲及其抑制技術

2.1 機械噪聲、啟停噪聲產生的原因

機械噪聲是由風電廠中發電機、液力輸送設備、冷卻風機、風機的機械旋轉部件在運轉過程中產生的，并通過葉輪、塔架的結構傳遞，在以塔架為噪聲源對周邊環境進行輻射。機械噪聲的頻率特征主要決定于液力輸送設備的齒輪嚙合頻率和冷卻風機的固有頻率，機械噪聲是由各個設備及零部件在運行過程中的產生的集合。風力機在啟停過程中，易造成塔架的自振頻率與葉輪旋轉的諧波頻率相同，產生共振，引起風力機擺幅過大，促使風力機產生較大的嚙合噪音，影響風力發電機正常運行，而風力機在停機時，共振現象不明顯。

2.2 機械噪聲、啟停噪聲抑制技術

機械噪聲的抑制技術主要是通過對產生振動的設備進行噪音的隔離和吸收，然而，在進行噪音隔離時，易引起機械結構傳輸效率降低，經濟性變差等情況。如若對葉輪、塔架、液力傳輸設備產生的振動噪音不進行防治，振動產生的總疊加噪音會隨著塔架傳播到周圍環境中，表現為空氣噪音。針對傳統旋轉機械、液力傳送設備的減振、降噪的方法較成熟，常規的降噪方式有加裝保險杠、安裝消聲器和吸聲器，加裝消聲棉進行隔音等。

3 風電廠規模與降噪對策

3.1 風電廠規模及其主要噪聲

風電廠的規模主要由風力發電機容量與發電機數量決定，現有運行的各類風力發電機按發電量劃分主要有四種：小型風力發電機0.1～1kW、中型風力發電機1～100kW、大型風力發電機100～1000kW、兆瓦級風力發電機1000kW以上。不同發電量的風力發電機的主要噪音不同，中小型風力發電機的噪音的主要來源為機械噪音，而大型和兆瓦級發電機的噪聲來源多為氣動噪聲。因此，針對不同規模的風電廠需要進行不同的降噪策略，或者組合降噪策略。

3.2 降噪對策

針對中小型風力發電機的機械噪聲，降噪的常用方式有：吸收聲能的材料、加裝消音器、進行隔聲結構設置、進行隔振和減振設置。針對大型風力機和兆瓦級風力機的噪音主要為氣動噪音，氣動噪音的控制原理是改善湍流形成的漩渦強度，常用的改善氣動噪聲的方式為改變翼型、改變葉尖形狀、改善葉輪掠過塔架的頻率、合理布局風力機組的位置，降低各風力機組的影響。結合機械降噪和氣動降噪策略，進行不同規模風電廠的組合降噪策略，可實現風力發電機組噪聲聲功率級降低2～8dB，減少年發電量損失2%～8%左右，風力機壽命延長2～5年左右。

4 結語

隨著不可再生資源的短缺及新能源技術的崛起，風力發電對新技術的不斷被重視，風力發電的噪聲污染對環境的影響已成為擺在當前要解決的重要議題上，單純地解決機械噪聲和氣動噪聲很難收到較好的效果，需依據風電廠的現有規模進行組合降噪策略的實施，才能真正達到風能的清潔利用。