貓頭鷹翅膀給風電機組降噪帶來的啟發

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貓頭鷹翅膀給風電機組降噪帶來的啟發

文章出處：技術資訊網責任編輯admin 閱讀量：發表時間：2020-09-14 11:26

近年來風電場開發逐步拓展到人口密度較大的區域，由于風電場靠近居民區，不可避免地會對當地居民產生噪聲輻射影響。一面是綠色可再生能源的高速蓬勃發展，一面是噪聲輻射影響，如何攻破噪音難題，實現風電產業的和諧發展，成為擺在風電整機廠商面前的難題。
風電機組噪音形成原因
風力發電機組噪聲源有槳葉噪聲及艙內噪聲，艙內噪聲包括齒輪箱噪聲、發電機噪聲、偏航系統噪聲等（見圖1）。由于齒輪箱、發電機等噪聲源位于機艙罩內，機艙罩具很強的隔聲吸聲性能，而槳葉完全暴露在空氣中，所以對風電場居民的噪聲干擾，槳葉噪聲占據主導。

圖1 風電機組噪聲源示意圖

風輪在旋轉過程中，槳葉與空氣產生較大的相對速度，葉尖線速度約80m/s，空氣從槳葉的前緣流向后緣，受槳葉弦長、槳矩角、相對風速、大氣壓等因素的影響，槳葉后緣附近產生不同尺度、不同強度的渦流（見圖2），這是槳葉噪聲的根本來源。不同尺度渦流的存在導致槳葉掃風噪聲呈寬頻特性，渦流的強度則決定了噪聲的強度。

圖2 槳葉尾流示意圖

圖3 槳葉掃風噪聲1/3倍頻譜

槳葉降噪技術研究與應用
仿真分析發現槳葉掃風噪聲主要來源于槳葉尾緣，而模仿貓頭鷹翅膀的鋸齒尾緣可以有效的降低氣動噪聲，鋸齒尾緣可產生反向渦流，改變槳葉后緣的尾跡渦的脫落位置及尺度，抑制脫落渦的擾動，進而減少槳葉后緣附近的非定常壓力脈動和尾跡渦引起的氣動噪聲。

圖4 鋸齒結構風洞試驗

圖5為對某風電場的1.5MW機組進行了批量降噪優化，按照《IEC61400-11 Acoustic noise measurement techniques》進行了技改前后噪聲測試。測試結果表明：降噪鋸齒條可有效降低風力發電機組噪聲，不同風速下的A計權聲功率級降低1.7～3.2dB，同時噪聲脈動 (AM) 降低約1dB (A)，極大地降低了風力發電機組對附近居民的噪聲影響強度和煩惱程度。

圖5 尾緣鋸齒結構

圖6 鋸齒條降噪效果
可控噪聲運行模式研究與應用
研究表明，槳葉旋轉噪聲與轉速的5次方成正比，故降低風輪轉速可有效降低風電機組噪聲。通過研究和仿真，我們開發了可控噪聲運行模式控制系統，每個運行模式設置一個額定轉速，可根據不同時間、不同季節、不同地域的政策要求和噪聲限值要求實現噪聲的主動控制，同時優化槳矩角控制策略，最大限度降低發電功率的損失。