風(fēng)電機(jī)組部件損壞與風(fēng)電場微觀選址

　　湍流強(qiáng)度是指10 分鐘內(nèi)風(fēng)速隨機(jī)變化幅度的大小，是10 分鐘內(nèi)平均風(fēng)速的標(biāo)準(zhǔn)偏差與同期平均風(fēng)速的比值。上表中的湍流強(qiáng)度應(yīng)按照IEC61400-1標(biāo)準(zhǔn)中的規(guī)定計算獲得。根據(jù)IEC61400-1 要求，每一個風(fēng)速區(qū)間下，風(fēng)電機(jī)組所承受的有效湍流強(qiáng)度（機(jī)組之間尾流產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度與環(huán)境湍流強(qiáng)度疊加）均不能超過設(shè)計湍流強(qiáng)度。
　　湍流強(qiáng)度是風(fēng)電場的重要特性指標(biāo)，它的計算、分析是風(fēng)電場資源評估的重要內(nèi)容，通過風(fēng)電場區(qū)域內(nèi)風(fēng)電機(jī)組輪轂高度處50 年一遇10 分鐘最大風(fēng)速以及輪轂高度處湍流強(qiáng)度大小來判斷風(fēng)電場的安全等級，依據(jù)此等級來選擇風(fēng)電機(jī)組機(jī)型。
　　在中國風(fēng)能資源主要分布在三北地區(qū)和近海區(qū)域，例如新疆、內(nèi)蒙區(qū)域，平均風(fēng)速較大，風(fēng)電場安全等級通常為IEC Ⅰ或IEC Ⅱ，風(fēng)電場湍流強(qiáng)度通常為B、C；山西、河北區(qū)域，因地形起伏較大，風(fēng)電場安全等級通常為IEC Ⅱ或IEC Ⅲ，風(fēng)電場湍流強(qiáng)度通常為A、B；江蘇、浙江沿海區(qū)域受季風(fēng)的影響，風(fēng)電場安全等級通常為IEC Ⅰ或IEC Ⅱ，風(fēng)電場湍流強(qiáng)度通常為B、C。
　　湍流對風(fēng)電機(jī)組性能的不利影響主要是減少功率輸出，增加風(fēng)電機(jī)組的疲勞載荷，最終削弱和破壞風(fēng)電機(jī)組。
　　為了減少葉片的脈動和破壞力較強(qiáng)的動態(tài)載荷，在湍流強(qiáng)度較大的地區(qū)，應(yīng)慎建、或不建風(fēng)電場，若風(fēng)電場的湍流強(qiáng)度超過機(jī)組的安全設(shè)計等級時，在選機(jī)型時應(yīng)與機(jī)組生產(chǎn)廠家充分交流，對設(shè)備的承受能力進(jìn)行充分地論證和評估。
1.3 交變載荷與機(jī)組部件損壞
　　風(fēng)電機(jī)組容易受到疲勞載荷的嚴(yán)重影響。在600KW 機(jī)組中，葉輪在20 年的壽命期內(nèi)會旋轉(zhuǎn)2×108次，每轉(zhuǎn)一周都會產(chǎn)生于低速軸和葉片重力完全相反的力，以及由風(fēng)剪切力、偏航誤差、軸傾斜、塔架陰影和湍流引起循環(huán)的葉片平面載荷。因此，許多風(fēng)電機(jī)組部件的設(shè)計都取決于疲勞載荷而不是極限載荷。
　　短期平均風(fēng)速的波動或湍流對載荷設(shè)計產(chǎn)生主要的影響，因?yàn)椋@是極端陣風(fēng)載荷和大部分疲勞載荷的來源。葉輪轉(zhuǎn)動會不斷產(chǎn)生局部剪切陣風(fēng)，使葉片的疲勞載荷加劇。
　　由于風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行在非常復(fù)雜和多變惡劣的環(huán)境下，所以，機(jī)組所承受的載荷情況也是非常復(fù)雜的，不同的載荷情況對于機(jī)組的各個部件的受力情況都有不同的影響，而確定載荷情況對于后續(xù)的設(shè)計來說是非常重要和基礎(chǔ)性的工作。
　　不同的機(jī)位，因風(fēng)況和環(huán)境條件不同，機(jī)組所受到的動態(tài)載荷差異很大。環(huán)境湍流強(qiáng)度是指風(fēng)電場中單獨(dú)一臺風(fēng)電機(jī)組承受的正常湍流強(qiáng)度，該湍流強(qiáng)度沒有受其他機(jī)組或者障礙物的尾流影響。確定風(fēng)電機(jī)組湍流強(qiáng)度等級不僅取決于環(huán)境湍流強(qiáng)度，更應(yīng)考慮因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組尾流產(chǎn)出的湍流強(qiáng)度。風(fēng)電場中機(jī)組承受的有效湍流強(qiáng)度由環(huán)境湍流強(qiáng)度和因機(jī)組彼此之間尾流產(chǎn)生的湍流強(qiáng)度兩部分組成。
　　不同設(shè)計湍流強(qiáng)度等級對等效疲勞載荷的影響相對來說要大很多，基本上降一個湍流強(qiáng)度等級，等效疲勞載荷就會相應(yīng)的降低10％。湍流強(qiáng)度對等效疲勞載荷的影響非常大。另外，風(fēng)輪直徑越大，降低湍流強(qiáng)度等級對降低等效疲勞載荷的作用越明顯。因此，葉輪直徑和機(jī)組的設(shè)計湍流強(qiáng)度等級對機(jī)組交變載荷的承受能力影響很大。
　　為了使風(fēng)電機(jī)組能長期安全穩(wěn)定運(yùn)行，我們在設(shè)計和制造時要重點(diǎn)考慮機(jī)組的抗疲勞載荷能力；在風(fēng)電場微觀選址時，充分考慮風(fēng)況和環(huán)境條件對機(jī)組的影響，以避免部件的損壞，延長風(fēng)電機(jī)組的使用壽命。
2. 微觀選址的主要影響因素
　　工作在自然環(huán)境狀態(tài)下的風(fēng)電機(jī)組，由于湍流產(chǎn)生的機(jī)理和原因很復(fù)雜，對設(shè)備的影響也是多方面的。在風(fēng)電場微觀選址時，通過對各種影響因素的綜合考慮，減少湍流強(qiáng)度對設(shè)備的影響和破壞，實(shí)現(xiàn)風(fēng)電場的最優(yōu)選址。
2.1 地面粗糙度的影響
　　在近地層中，風(fēng)速隨高度有顯著變化，但由于地面粗糙度不同，風(fēng)速隨高度的變化也就不同。大氣低層常用指數(shù)公式表示風(fēng)速和高度與地面粗糙度的變化關(guān)系：
　　
　　式中，V_h：為在高度X_h 處的風(fēng)速；V₀：為在高度X₀ 處的風(fēng)速；α：為指數(shù)，它與地面粗糙度有關(guān)。我國常用的α 值分為三類：0.12、0.16、0.20。按公式計算，見表2。