低温式风力发电机

二、低温式风力发电机

(一)低温环境对风力发电机组的影响

我国“三北”地区风能资源丰富，全国风电装机总容量的76%分布在这一区域。这些地区有一个共同特征，就是冬季温度低，最低温度低于－30℃，低温问题是这些风力发电场的共同问题。低温工况机组运行、零部件性能、机组可维护性等都将发生变化，可能会造成风力发电机组超出设计能力，情况严重时甚至会引起严重的安全事故。

装在低温地区的风力发电机组的设计还没有标准，一般按标准设计加上专项技术措施，以保持机组低温安全运行。

1．风力发电机组出力特性的变化

随冬季温度降低，空气密度将增大。风力发电机组，特别是失速型机组的额定出力将增加，可能出现过载现象。夏天气温上升，空气密度下降，将导致机组的出力下降。在冬、夏温度变化比较大的地区，需要对影响出力的叶片安装角等参数进行优化设置和必要的处理，尽量降低因空气密度变化带来的不利影响。

叶片翼型的气动力也受到表面粗糙度和流体雷诺数的影响。冬季容易出现雾凇，在叶片表面“结晶”，粗糙度增加，会降低翼型的气动性能。在风雪交加的气候，空气的黏性和雷诺数都将发生很大变化，翼型的最大升力系数和失速临界攻角等特性均会发生较大变化。

2．低温对主要零部件的影响

不同种类材料的零部件受低温的影响是不同的，对于金属机件，应根据载荷、应力予以区别。例如，传动系统中的齿轮箱、主轴等承受冲击载荷，这类零部件须重点防止低温时的脆性断裂，提高材料和机件的多次冲击抗力。材料的化学成分、冶炼方法、晶粒尺寸、扎制方向、应变时效以及冶金缺陷等是影响冲击韧度和冷脆转变温度的主要因素，在设计时应重点考虑。

承受循环载荷的部件，如机舱底板和塔架，一般是大型焊接件，此类零件在高寒地区环境温度下存在低温疲劳问题。实验结果表明，所有的金属材料的疲劳极限均随温度的降低而提高，缺口敏感性增大。因此，焊缝将成为影响低温疲劳强度的关键环节。焊缝的抗疲劳能力主要取决于焊接质量和焊缝形式，焊缝中存在大的缺陷，非常容易引起低温脆断破坏。

因此，在考虑低温塔架的设计选材时，如果过分强调材料的低温冲击性能，选择D等级甚至E等级的钢，而焊缝仍按常规设计，就达不到预期效果。采用价格贵的高韧性钢也不经济。中等韧性的低合金结构钢，如16MN及Q345C，低温性能和焊接性能都好，用途广泛、大批量生产、质量稳定可靠，已广泛应用在重要的大型焊接结构和设备上。选择这个等级的钢材制作塔架等结构件，能够满足我国低温环境的要求，但焊缝要采取防止低温脆断的技术措施，包括避免焊缝应力集中、采取预热和焊后热处理等，以改善焊缝、热影响区、熔合线部位的性能，避免未焊透，加强无损探伤检验、定期检查等技术措施，保障设备的安全工作。

复合材料，如玻璃纤维增强树脂，具有较好的耐低温性能，选用适合低温环境的结构胶生产叶片就能满足叶片在－30℃运行的要求。但要注意，由不同材料制作的零部件由于热膨胀系数不同，在低温时配合状态会发生变化，可能影响机构的正常功能，在设计时考虑胀差。电子电气元器件功能受温度影响也大，选用耐低温的元器件成本昂贵甚至难做到。可采取在柜体内加热的方式，以保持局部环境温度。

风力发电机组所使用的油品受温度的影响也较大。一般要求润滑油在正常的工作温度条件下需具备适当的黏度，以保持足够的油膜形成能力。温度越低，油的黏度越大。低温时油的流动性很差，需要润滑的部位得不到充分的润滑油供给，会危及设备的安全运行。可以通过加热，使油温维持到正常水平。

基础需要考虑的低温影响主要是冻土问题。冻土中因有冰和未冻水存在，故在长期载荷下有强烈的流变性。长期载荷作用下的冻土极限抗压强度比瞬时载荷下的抗压强度要小很多倍，且与冻土的含冰量及温度有关，这些情况应在基础设计施工时考虑。

(二)低温环境对风轮叶片的影响

风力发电机组面临特殊自然环境条件如高温、低温、台风、雷击、风沙和各种腐蚀等影响，这给风力发电机组的设计、制造、运行和维护等带来很多特殊问题。风轮叶片是风力发电机组的核心部件，有成本高昂、环境恶劣和维护困难等诸多问题。特别是低温环境，对风轮叶片的影响更大。由低温诱导失速型风轮叶片产生的不可预测的振动，将导致叶片结构发生破坏、影响机组正常运行等。

1．失速控制型风力发电机叶片损坏

对于定桨距失速控制型风力发电机组，如果风力发电场的环境温度低于－20℃，风速超过额定点(16～18m/s)以后，风力发电机组会发生无规律的、不可预测的叶片瞬间振动现象，即叶片在旋转平面内的振动。这种振动有时会发散，导致机组振幅迅速增加，造成机组停机，影响机组正常发电。这种振动对叶片有害，会导致叶片后缘结构失效，产生裂纹。这种叶片损坏占总量的1%左右。600kW风力发电机叶片也发生过这种损坏。

2．原因分析

这种振动导致的后果是严重的，国际上特别是欧洲几个开发定桨距失速型风力发电机组的制造商，如Bonus、NEG—Micon等，荷兰的ECN、Delft技术大学，丹麦Riso国家实验室等，对此投入了大量的研究工作。

大量的计算、实验分析证明，横振方向振动的根源是由于失速运行时的气动激振力产生的。原因是叶片失速后，气动阻尼变为负值，振动系统总阻尼为负值，系统发作不稳定的气动弹性振动。这种振动是发散的，它与叶片翼型的静态、动态空气动力特性、叶片型线分布、叶片结构特性(结构阻尼)等有关。复合材料叶片在低温时，因为材料的阻尼也下降，最后导致总的阻尼下降。

对全尺寸气动弹性的有关分析计算和实测比较显示，机组的支撑机构(如机舱和塔架等)特性对叶片横振方向的振动也很重要。振动叶片与支撑结构交换能量，在这种能量交换过程中，叶片固有频率相对于机组俯仰—偏航耦合模态频率影响大。

3．解决措施

横振方向上的振动是由失速运行时的空气动力产生的，气动阻尼变负，结构阻尼下降。因此，解决此问题的主要措施就是增加系统的阻尼，通过阻尼消耗掉这部分能量。

(1)局部改善措施

1)增加叶片结构阻尼。阻尼是减振的最有效措施。研究表明，叶片结构阻尼达到5%以上时，可以有效减缓横振方向上振动的发生。因此，最根本的办法是提高复合材料叶片结构本身在低温时的结构阻尼。低温对复合材料叶片结构阻尼影响较大，特别是环境温度低于－20℃时，叶片自身的结构阻尼会下降，必须用特殊的阻尼材料提高复合材料叶片低温时的结构阻尼。

对不同的阻尼材料、阻尼结构、阻尼位置等，对叶片结构阻尼的影响进行的大量实验分析证明，通过选用合适的阻尼材料、阻尼结构及合理的阻尼结构，可以有效提高叶片的结构阻尼，结构阻尼在3%～5%，这种形式的阻尼结构证明是有效的。

2)改变叶片气动阻尼。可通过改变翼型局部形状，使翼型的气动性能发生改变，来增加翼型的气动阻尼。最有效的方法是在叶片局部前缘加装失速条。这种方法可以有效降低叶片横振方向振动，使叶片横振方向振动延迟到切出风速以后。安装失速条的同时也降低了风轮的功率输出。可以利用涡流发生器来提高风轮的输出功率。

3)叶片内部加装阻尼器。可以利用在叶片内部安装阻尼器的方式来降低叶片横振方向的振动。这种阻尼器可以是机械的，也可以是流体的。缺点是结构复杂，而且这种结构阻尼器只能在很窄的频率范围内起作用。

(2)总体改善措施

1)利用减振器消除机舱横振。可利用在机舱尾部加装机械减振器的方法消除或降低叶片横振方向的振动，但结构较复杂。NEG—Micon公司在其600kW机组上采取此种方式。

2)合理设计支撑结构。机组总体设计时，合理确定支撑结构特性以达到避免横振方向振动的目的。使用同样型号叶片的不同机组，对低温失速导致的振动是不同的。例如，德国Nordex公司的600kW定桨距失速型机组就没有这一问题。