風電機組噪聲分析及檢測

謝金濤，劉前衛

（1.濱州供電公司，山東 濱州 256610；2.國家電網公司，北京 100031）

0 引言

長期以來，風力發電一直都被認為是綠色、清潔的環境友好型能源，但實際上，風電機組對環境并不是絕對的沒有影響。風電機組的環境問題主要集中在三個方面：風電機組的噪聲問題；風電機組葉片的光影效應；風電機組對風電場周圍生物的影響。

其中，人們微詞最多的是風電機組的噪聲問題。風電機組長期運行中輻射的噪聲，給風電場周圍居住的人們帶來持續性的健康侵害。美國紐約的醫生尼娜·皮爾龐特（Dr Nina Pierpont）在五年的時間里，對美國、英國、意大利、愛爾蘭和加拿大居住在風電場附近居民的健康狀況進行調查和監控，大量的調查結果證實，“風力發電機組綜合征”已經成為一種新的病癥。盡管風電機組輻射噪聲的分貝并不高，但是風電機組輻射噪聲會對人耳前庭系統產生持續性刺激，導致人產生耳鳴、眩暈、恐慌、睡眠障礙、心動過速、增加心臟病的危險和其他健康問題［1］。

隨著全球風電裝機容量的增加，遠離人群居住地帶的空曠地帶越來越少，風電機組的安裝位置距離人群越來越近，導致噪聲的問題日益突出。尤其是那些風電發展較快的歐洲國家，由于其國土面積的限制，現在很多新建的風電場只能建在居民區周圍，使得噪聲矛盾更加尖銳。噪聲輻射也就成為了風電機組出口的一個重要指標，關系到風電機組能否在國際市場競爭中占有一席之地。

1 風電機組噪聲產生的原因

風電機組輻射噪聲按照其時頻特性分為四類：寬帶噪聲、低頻噪聲、脈沖噪聲和音調［2］。這些噪聲產生的來源主要有以下幾個方面：

1.1 機械噪聲及結構噪聲

齒輪箱噪聲。嚙合的齒輪在運轉過程中產生相互振動和摩擦，通過固體結構輻射出噪聲；

軸承噪聲。軸承內相對運動元件之間的撞擊及摩擦所引起的振動輻射出噪聲；

周期作用力激發的噪聲。由轉動軸等旋轉機械部件產生周期作用力激發的噪聲；

電機噪聲。不平衡的電磁力使電機產生電磁振動，并通過固體結構輻射電磁噪聲。

1.2 空氣動力噪聲

空氣動力噪聲由葉片與空氣之間的相互作用產生，這個噪聲的大小與風速相關，風速越大，空氣動力噪聲越大，并且不同的湍流情況下，噪聲往往也不同。這個噪聲通常是風電機組輻射噪聲的主要組成部分。

空氣動力噪聲的控制與風電機組的葉片有很大關系。風電機組產生的空氣動力噪聲通常由葉片的空氣動力特性決定，包括葉片的翼型，扭轉、幾何外形等；還與葉片的運行狀態相關，包括葉片的清潔程度、是否結冰、以及風電機組的變槳控制策略等。

1.3 通風設備噪聲

通風用的風扇、散熱器等設備產生的噪聲。

2 歐洲各國風電機組輻射噪聲標準

風電在歐洲開始早，發展也較快，并且歐洲各國普遍存在國土面積小的問題，所以他們對于風電機組輻射噪聲的認識和研究開始得也比較早，水平也處于國際領先。每隔兩年，風電機組噪聲國際大會 （InternationalConference on Wind Turbine Noise）都會在歐洲舉行，目前已舉辦至第三屆。最近的一次是2009年6月在丹麥奧爾堡召開的“Wind Turbine Noise 2009”,會議涉及風電機組噪聲的各個方面，包括風電機組噪聲的影響，噪聲限值的制定、如何改變葉片的翼型以降低噪聲、噪聲的測試、以及噪聲的預測等。

歐洲各個風電發達國家大都根據自身的情況，制定了本國的風電機組噪聲輻射限值，下面對此做簡單介紹。

2.1 丹麥噪聲輻射標準

早在1991年，丹麥環境部（Department of Environment）就頒布了風電機組噪聲輻射計算方法和限值。導則中給出了根據聲功率級計算聲壓級的計算方法和不同地區的限值。

對于居民住宅區，風電機組的噪聲影響不得超過45 dB（A）；對于療養區和其他噪聲敏感區域，風電機組的噪聲影響不得超過40 dB（A）。如果風電機組輻射噪聲中有音調，這個限值要下降5 dB（A），即分別為40 dB（A）和35 dB（A）。這里所指的輻射噪聲都是在風速為8 m/s（10 m高度）時。

到了2006年，丹麥環境署 (Danish Environmental Agency)又頒布了新的風電機組噪聲輻射導則。

居民住宅區：風速為8 m/s（10 m高度)時，風電機組的噪聲影響不得超過44 dB（A）；風速為6m/s（10 m高度）時，風電機組的噪聲影響不得超過42 dB（A）。

療養區：風速為8 m/s（10 m高度）時，風電機組的噪聲影響不得超過39 dB（A）；風速為6 m/s（10 m高度）時，風電機組的噪聲影響不得超過37 dB（A）。

如果風電機組輻射噪聲中有音調，這個限值要下降 5 dB（A）。

2.2 瑞典噪聲輻射標準

瑞典較早的噪聲輻射導則1992年頒布。導則中規定，風速為8 m/s時，風電機組對不同類型區域的最大噪聲影響。

輕工業區：50dB；住宅區：40dB；療養區：35dB。

2002年，瑞典頒布了新的風電機組噪聲輻射導則。新的導則對陸上風場和海上風場分別給出了詳細的噪聲級計算方法。總的來說，40dB(A)是新導則對住宅區風電機組噪聲影響的最大允許聲級，對于噪聲敏感區域，這個限值還要更加嚴格。

2.3 德國噪聲輻射標準

德國使用風電機組噪聲輻射計算方法為ISO9613-2 Germany。這是ISO9613-2通用標準的一個特殊版本，ISO9613-2規定了室外聲傳播的一般計算方法。德國的這個導則規定，計算風電機組噪聲輻射時，使用的風速為風電機組95%額定功率對應的風速。通常情況下，在德國風電機組噪聲輻射影響的最大限值為45 dB，如果噪聲有音調，需要降低限值，具體數值由當地管理部門決定。

3 風電機組噪聲檢測

隨著各個國家逐漸意識到風電機組噪聲輻射對環境的影響，并且也都陸續推出了風電機組噪聲輻射標準，風電機組的噪聲輻射指標也成為評估風電機組的一個重要參數。為了保證風電機組噪聲評估的一致性和結果的可信性，國際上頒布了一系列的風電機組噪聲檢測標準。

1988年，IEA（國際能源署）頒布了關于風電機組噪聲測試的推薦辦法，這是風電機組噪聲測試標準的雛形。1994年，IEA又對這個推薦辦法進行了改版升級。1996年，IEC（國際電工委員會）頒布了正式的風電機組噪聲測試標準——IEC 61400-11，ed.1，成為國際通用標準。2002年，IEC對該標準改版，頒布 IEC 61400-11，ed.2；2006 年，IEC 又對該標準進行了修訂，頒布 IEC 61400-11，ed.2.1［3］，這個標準是當今國際上最新的通用正式標準。

另外，有些國家還有自己的噪聲測試標準，由多個國際風電測試權威機構組成的國際風能測試組織（MEASNET）也陸續頒布過一系列噪聲測試標準，但這些標準大都基于IEC 61400-11，只是針對自身情況稍作修改。下面對IEC 61400-11，ed.2.1的內容做簡單介紹。

IEC 61400-11，ed.2.1規范了對風力機噪聲測量儀器要求，給出了數據采集和處理過程詳細的步驟，而且對影響噪聲的非聲學測量進行了說明，從而保證了聲學和非聲學測量的精確性和一致性。

IEC 61400-11，ed.2.1中規定的風電機組噪聲測試內容包括：A計權視在聲功率級、1/3倍頻程頻譜和音值（必選測試內容）；指向性、次聲、低頻噪聲和脈沖噪聲等（可選測試內容）。

視在聲功率級是指與風電機組向下風向輻射的能量相同，位置在風輪中心的點聲源的A計權聲功率級，通過測量聲壓級計算得到。這個參數指示風電機組噪聲輻射能量的絕對值。

風電機組1/3倍頻程頻譜是指風電機組輻射噪聲的聲壓級與1/3倍頻程中心頻率的函數關系，頻率范圍覆蓋50～10 kHz。這個指示風電機組噪聲輻射的頻率特性，可以用來分析風電機組的機械特性，查找故障位置，改善機械結構。

音值是指音調附近的臨界帶寬內的音調聲級與掩蔽聲級的差，用來評估風電機組噪聲中的某些頻率分量給人帶來的煩惱程度。

最終所有的結果要覆蓋到一個比較寬的風速范圍：6 m/s～10 m/s。這里的風速都是標準情況下的風速：10 m高度，0.05 m地形粗糙長度，101.3 kPa的大氣壓和288 K的溫度。

標準中規定，測試需要同步測量風速和風電機組的輻射噪聲。但是與其他風電機組測試不同的是，由于噪聲信號的測量位置相對風機較遠，所以使用常規的方法來測量風速會導致風速信號和噪聲信號的不同步。標準中給出了一個方法來得到風速，并且規定進行型式試驗的風電機組噪聲測試必須使用這種方法。即，同步測試風電機組的輸出功率和風電機組的輻射噪聲，然后通過功率曲線將輸出功率轉化為風速信號，以實現信號的同步。

圖1是一個的風電機組噪聲的音值檢測結果。可以看到，某些頻率成分非常突出，這樣的噪聲持續輻射會給人帶來很大的煩惱，影響人的心情和健康。

圖1 風電機組噪聲的音值檢測結果

4 結論

風電機組的輻射噪聲對人的健康影響很大，國外其他風電發達國家對此認識和研究較早，并且很早就制定了相關的標準。國內的風電發展對此認識一直不足，研究和檢測相對滯后，目前也沒有就此制定針對性的標準。但是隨著風電裝機容量的迅速增加，關于風電機組噪聲擾民的投訴也在不斷增多，并且還會越來越多。這種投訴在一定程度上會影響風電的發展。

國內的風電行業和環境行業應當及早對風電機組的噪聲輻射提起重視，開展相關的研究和檢測，并且制定噪聲排放的標準，以尋求風電發展和噪聲防護的平衡點，保證風電行業健康發展。

［1］ www.022net.com/2009/8-12/447128222990073.html.

［2］ Anon.Turbine noise and the environment ［J］.Noise and Vibration Worldwide.，2004，35(2)：20—21.

［3］ IEC 61400-11,ed.2.1,2006,wind turbine generator systems-Part 11:Acoustic noise measurement techniques.