浅析低温环境对风力发电机组的影响

孙西宁

摘 要：在我国北方地区的风电场，冬季的寒冷气候对风力发电机组性能有比较大的影响。本文在分析低温条件下机组特性某些变化的基础上，以及已经取得的一些运行经验，尝试提出了针对低温条件风力发电机组设计时所应采取的针对性措施。

关键词： 低温；风力发电机组

前言：我国“三北”地区风资源丰富，目前全国装机总容量的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比较低，最低温度低于-30℃，低温问题是这些风电场所面临的一个共同问题。这种情况下机组的运行工况、零部件的性能、机组的可维护性等方面都将发生变化，可能会造成风力发电机组的某些性能超出了设计允许范围，情况严重时甚至会引起严重的安全事故。

针对低温环境的技术标准在风电行业中还是个空白。大多数安装在低温地区的风力发电机组是在其标准产品设计的基础上，采取一些专项的技术改进措施，期望能保证机组的正常安全运行。根据国外一些报道，根据在加拿大北部一些风电场的经验，这些措施起到了一定的作用，但要达到预期要求还需要进行更多富有挑战性的创新工作。本文在总结金风科技近年来在我国北方风电场的安装、建设以及维护经验的基础上，从风力发电机组的出力特性变化、对零部件性能的影响以及运行维护等方面，对某些低温影响因素进行了初步探讨和分析，抛砖引玉，期望能有更多的业内人士关注研究风力发电机组的低温问题，提高我国风电技术应用和开发水平。

一、低温条件下风力发电机组出力特性的变化

我们知道，风力发电机组风轮的输出功率P与风轮的风能利用率Cp、空气密度ρ、风轮的扫风面积A以及风速V 之间的关系可用下式表示： 显然，随着冬季温度的降低，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，可能出现过发过载现象；夏天气温上升，空气密度将下降，将导致机组的出力下降，应有的效益不能完全发挥。另外一个不容忽视的因素是叶片翼型的空气动力也受到表面粗糙度和流体雷诺数的影响。冬季容易出现雾凇现象，叶片表面“结晶”，粗糙度增加，会降低翼型的气动性能；另外在某些特殊天气如风雪交加的条件下，空气的粘性作用和雷诺数将发生很大变化，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。这些现象和对机组的长期影响有待于进一步研究。

二、低温对主要零部件的影响

客观上因为低温的应用范围比较有限，此类设备的经验和知识远没有常温和高温环境那样受到广泛的关注。不同种类的零部件受低温的影响是不同的，对于金属机件应根据承受载荷的形式予以区别对待。当然避免在低温情况下出现较大的冲击载荷也是非常关键的。

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存在低温疲劳问题。大量试验结果表明，几乎所有的金属材料的疲劳极限均随温度的降低而提高，但材料的缺口敏感性增大。因此，焊缝将成为影响低温疲劳强度的关键环节。如果焊缝中存在大的缺陷，非常容易引起低温脆断破坏。所以应针对焊缝采取必要的防止低温脆断技术措施，包括避免焊缝应力集中，采取预热和焊后热处理改善焊缝、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。但需要注意由不同材料制作的机构，由于热膨胀系数不同，常温状态下装配正常，但在低温时配合状态会发生变化，可能影响机构的正常功能，需要在设计时予以充分考虑。

一般电子电气器件功能受温度影响较大，选用耐低温的元器件成本昂贵甚至无法做到。但可以采取在柜体内加热，保持局部环境温度的方法，实践表明这一方法简单有效。

风力发电机组所使用的油品受到温度的影响也比较大。一般要求润滑油在正常的工作温度条件下需具备适当的粘度以保持足够的油膜形成能力，但另一方面温度越低，油的粘度越大。例如目前普遍采用的Mobilgear SHC XMP320润滑油，40℃粘度为 320cSt，倾点-38℃，低温时油的流动性很差，机组在这种情况下难以运转，需要润滑的部位可能得不到充分的润滑油供给，这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。若采取直接加热方式使被加热油保持流动，否则加热效果不均匀，可能造成其他不利影响。

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动性。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进行考虑。冻土层基础的要求可参考《冻土地区建筑地基基础设计规范》。

结束语：随着风力发电事业的发展，我们应越来越重视低温对风力发电机组的影响问题。目前非常有必要投入更多的力量，研究适用于低温环境条件的风力发电机组技术标准和设计规范，从设计的源头做起，才能有效控制和降低技术风险，促进行业的健康发展。

参考文献：

[1] 贺德馨、张维智，风力机翼型大攻角气动力手册，1988

[2] 蔡为仑，复合材料设计，科学出版社，1989。