高层建筑屋顶风力机叶片安全预警系统的研究

陈涛+吕成

摘 要：针对现有风力发电机实时监控的不足，基于PLC提出了一种结合高层建筑屋顶特点的风力机叶片安全预警设计思路。本文在更多地考虑人的安全因素基础上，设计风力机叶片安全预警系统，有利于风力发电的推广应用，提高可再生能源的利用率，为工程师进行高层建筑屋顶风力发电系统设计提供了参考，具有一定借鉴意义。

关键词：风力机；PLC；安全预警；高层建筑；可再生能源

中图分类号：TM61 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2017）09-0088-02

目前，我国对风能的利用主要集中在西部开阔地域和东部沿海一带，风力发电机组的安装也通常在远离城市的郊区地带。自21世纪以来，西方等发达国家先后展开了对城市和高层建筑风能利用的研究和实践。高层建筑屋顶风力发电系统具有不用大幅度改变建筑物原有结构等方面的优势，但也面临着新的安全问题。传统的风力发电机组通常安装在人烟稀少的地带，而高层建筑屋顶风力发电系统周围人流量较大，不得不更多地考虑人的安全因素。现在我国对风力发电机故障的应对大多采用实时监控方式，而高层建筑屋顶风力发电机工作环境特殊，仅仅依靠现有的实时监控系统显然无法满足人们对高层建筑屋顶风力发电机的安全需求，因此，能否做到“防患于未然”直接影响着风力发电机组能否在高层建筑的安装和运行。

本文主要以水平轴风力发电机叶片为研究对象，设计以PLC为基础的安全预警系统。可以提高高层建筑屋顶风力发电机运行的安全可靠性，从而增加我国风资源的利用率，达到节能减排、清洁环保的目的。

1 高层建筑风速分布规律

随着城乡一体化进程的推进，高层建筑越来越多，高层建筑周围的风资源越来越丰富。利用高层建筑带来的风资源优势进行发电，可实现风力发电的就地消化，减少输电成本和不必要的电量浪费。

高层建筑分布在近地层中，其风速大小与高层建筑风机所处的高度有关。造成风在近地层中垂直差异有动力因素和热力因素两个原因。动力因素主要源于地表的摩擦效应；热力因素主要由于它与近地层大气垂直稳定度的关联性。

2 风力机叶片故障缺陷和诊断机理

2.1 叶片根部出现裂纹、断层

风力发电机运行机理决定了叶根处容易形成应力集中现象。风机在运行过程中，气流在相邻两叶片间被“挤压”，在切线方向产生加速，叶间间距减小了该影响，但气流离叶根处越近，叶片对气流的阻塞越明显，这就导致了在叶根处形成较大的切向速度。

2.2 叶片裂痕、变形断裂隐患

高层建筑风力机在运行过程中，有可能有鸟禽、昆虫等撞击叶片的情况发生，加上风力机工作环境恶劣，叶片面临断痕、变形断裂等隐患。

2.3 雷击等天灾安全隐患

虽然现在大多数风力机采用了防雷保护系统，但是，我国沿海地区地形相对复杂，雷暴天气较多，雷电等天灾依然给风力发电机组带来巨大的威胁，一些电场自投产建成到现在发生了多起雷击事件。

3 叶片安全预警系统

基于PLC实现对叶片工作状态的监控，在叶片发生故障将要脱落时提前动作停机，从而预防叶片伤及高层建筑周围人群的事故发生。

3.1 叶片根部探伤预警

在风力机机舱能探测叶根处布置无损探伤传感器组，将伤损情况严重大小分为三个等级，一级伤损情况最轻，在程序流程图中用C1表示；二级伤损情况中等，在程序流程图中用C2表示；三级伤损情况最重，在程序流程图中用C3表示。之所以将伤损情况分为三级是为了让工作人员按伤损情况的紧急更好地协调维修工作。在程序流程图中，我们设置自锁程序，故障发生时可让系统保持警示状态，待工作人员处理好叶根故障可通过手动解除警报按钮解除警报。如图1所示。

3.2 叶尖间端弧长差异常预警

由于风力机叶片分布是均匀的，所以理想状态下，叶尖间端弧长均为S。风力机叶片是同轴运转，它们的转速是相同，所以，相邻叶尖通过塔架上传感器的时间差T与S成正比关系。风力机叶片大多为柔性叶片，且运行中叶片会出现挥舞振动、扭振、摆振等诸多因素干扰，两叶尖端之间弧长会有误差，因此也要在T上增加一定的裕量。在编制程序时，设定不同两组相邻叶尖时间差之间的差值大于较小一组时间差的8%时设置为A1叶片故障一级预警，大于10%时设置为A2叶片故障二级预警，大于12%时设置为A3叶片故障三级预警。如图2所示。

4 结语

风力发电与高层建筑相结是个新生事物，设计理念和实践经验相当匮乏，对其进行研究和探讨十分有必要。传统的火力发电导致煤炭等能源储备消耗严重，对环境污染大，高层建筑屋顶风力发电可以减少环境污染、提高新能源利用率，有着就近消化、节约成本等诸多优点，因此，对高层建筑屋顶风力机叶片安全预警系统的研究探讨，不仅可以有效预防叶片脱落、断裂等故障的發生，保护人们的生命财产的安全，更符合我们可持续发展的基本国情，在新能源利用、保护环境等方面有着重大的意义。

参考文献

[1]王业昊.恶劣环境下大型风力机叶片稳定性问题研究[D].南京航空航天大学，2014.

[2]艾志刚.形式随风-高层建筑与风力发电一体化设计策略[J].建筑学报，2009.05.

[3]陈建平，李星，赵春晓，王亚丽.风力发电叶片实时监控故障预警系统研究[J].机械设计与制造，2014.08.

[4]赵丹平，徐宝情.风力机设计理论及方法[M].北京大学出版社，2012年1月第1版.

[5]Tony Burto等.风能技术[M].科学出版社，2007.