黑龍江省極端最低氣溫對風電工程的影響評估分析

王鳳玲，李亞濱，劉春生

（黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030）

黑龍江省極端最低氣溫對風電工程的影響評估分析

王鳳玲，李亞濱，劉春生

（黑龍江省氣候中心，黑龍江 哈爾濱 150030）

1 引言

風能作為一種清潔的可再生能源，越來越受到世界各國的重視。其蘊藏量巨大，全球風能資源總量約為2.74×109MW，其中可利用的風能為2×107MW。中國風能儲量大、分布面廣，僅陸地上的風能儲量就有約2.53×109KW，開發利用潛力巨大[1]。黑龍江省屬中溫帶、寒溫帶大陸性季風氣候，風能資源非常豐富，目前正在積極開發利用風能資源。

在風電工程建設中，由于風力發電機組作為一種野外自然環境下的發電設備，高低溫、雷暴、風沙、冰凍等惡劣氣候條件都會給風力發電機組的設計、制造、運行和維護帶來很大的困難[2]。其中低溫對風力發電機的影響極為重要。

研究表明，如果風電場的環境溫度<-20℃和<-30℃時，機組的運行狀況、零部件的性能、機組的可維護性等方面將發生變化，可能會造成風力發電機組超出設計允許范圍，情況嚴重時甚至會引起嚴重的安全事故[2]。黑龍江省地處祖國的最北端，冬季漫長而寒冷，在每年冬季的四個月中，全省平均有78 d極端最低氣溫<-20℃，而黑龍江省北部地區全年平均有42 d氣溫<-30℃，對風力發電機的正常運轉影響極大。

2 資料來源及說明

本文采用黑龍江省77個臺站1961年至今48 a來的逐日極端最低氣溫資料進行統計分析，通過5 d滑動平均法找出各臺站穩定通過-20℃的初、終日，從而得出黑龍江省各臺站由于低溫對風電工程有影響的分布和變化情況。

3 全省極端最低氣溫≤-20℃日數多年變化情況

3.1 全省代表站極端最低氣溫≤-20℃日數多年變化對比分析

隨著全球氣候變暖，黑龍江省的氣溫也隨之變暖，其中增幅最明顯的是冬季，從數據資料分析得出，全省各臺站逐年的極端最低氣溫均明顯上升，但升溫幅度的變率卻各有不同，其每年出現≤-20℃的日數也逐年減少。選取風電工程有顯著代表性的15個站的極端最低氣溫日數進行逐年變化分析。

從圖1中可看出，極端最低氣溫≤-20℃的日數多年來均呈現減少趨勢，但變化曲率不同，北部大興安嶺一帶的極端最低氣溫日數減少幅度較小，顯著低于全省多年平均值，尤其是漠河，減少幅度僅為0.275；而西部地區臺站的日數減少幅度較大，其中泰來、富裕均高于全省多年平均值，富裕多年來的極端最低氣溫日數變化幅度為0.8369；中、東部地區的臺站除通河的減少幅度明顯低于全省平均值外，其它各站均在全省多年平均值左右，但海林多年來極端最低氣溫升溫異常明顯，其≤-20℃的日數減少幅度為15個代表站中最高的一個，達0.9861。

圖1 黑龍江省各臺站48 a平均極端最低氣溫日數變率圖

3.2 各地域臺站極端最低氣溫≤-20℃日數變化分析

按東南西北四個區域分別選取11個代表站，其中北部代表站為漠河、黑河、嫩江；西部代表站為泰來、富裕；中南部代表站為伊春、通河、依蘭；東部代表站為海林、撫遠、饒河。

從圖2可看出，北部地區的極端最低氣溫≤-20℃日數較多，在70～160 d，其中以漠河站最多，北部地區48 a來的極端最低氣溫≤-20℃日數減少幅度較小，尤其是漠河；西部地區低溫日數較少，尤其是80年代中期后，低溫日數減少的幅度明顯加大，2007年泰來極端最低氣溫≤-20℃日數僅為7 d，雖然泰來低溫日數很少，但和富裕相比，48 a來變率不如富裕大，富裕48 a來的低溫日數變率達到0.8369；中北部地區的3個代表站，依蘭低溫日數最少，伊春最多，通河次之，從日數減少變率來看，依蘭的低溫日數減少的最多；東部3個代表站48 a來極端最低氣溫≤-20℃日數變化幅度均較大，其中海林最大，達到0.9861，主要是由70年代末期后低溫日數迅速減少而導致的。

圖2 代表站極端最低氣溫≤-20℃日數曲線圖

4 黑龍江省極端最低氣溫≤-20℃臺站的空間分布及對風電工程的影響

研究表明：如果風電場的環境溫度<-20℃，風速超過額定點以后（大約16～18 m/s），在風力發電機組正常運行過程中，會發生無規律的、不可預測的葉片瞬間振動現象，即葉片在旋轉平面內的振動，這種振動有時會發散，導致機組振動迅速增加，造成機組停機，影響機組的正常發電。同時，這種振動對葉片也是有害的，它會在葉片最大弦長位置產生橫向裂紋，嚴重威脅葉片結構安全[3]。

圖3 黑龍江省各臺站極端最低氣溫≤-20℃初、終日分布圖

從圖3可看出，大興安嶺大部地區在11月上、中旬至3月中、下旬期間內日極端最低氣溫穩定≤-20℃，低溫時段長達近5個月，對風力發電機正常運行極為不利；黑河、伊春、齊齊哈爾北部、綏化北部等地則在11月下旬至2月下旬期間極端最低氣溫穩定≤-20℃，比北部地區低溫日數減少1個月左右；而松嫩平原西南部、三江平原南部及牡丹江大部地區的極端最低氣溫穩定≤-20℃，持續時間在12月中旬左右至2月中旬，低溫日數較少，對風力發電機的影響也較低，尤其是佳木斯、依蘭、雙鴨山、鶴崗一帶的臺站極端最低氣溫穩定≤-20℃的初終日在12月下旬至1月下旬，時間僅為1個月左右，對風力發電機葉片的影響極低。從圖4可看出，黑龍江省各臺站極端最低氣溫≤-20℃日數分布，北部日數最多，松嫩平原大部、三江平原大部及牡丹江地區的低溫日數較少，雙鴨山、雞西等地的低溫日數最少，對風力發電機的正常運行影響較小。

圖4 黑龍江省各臺站極端最低氣溫≤-20℃日數分布圖

5 黑龍江省極端最低氣溫≤-30℃臺站的空間分布及對風電工程的影響

研究表明，當風力發電場的環境溫度≤-30℃時，風力發電機葉片可能不運轉，發電機中承受循球載荷的金屬部件將出現低溫疲勞問題，它將隨著溫度的降低而增大，敏感性增大，易出現斷裂情況。風力發電機組所使用的潤滑油在極低的溫度環境下流動性將變差，機組在這種情況下難以運轉，需要潤滑的部位可能得不到充分的潤滑油供給，危及設備的安全運行。根據這一指標，對黑龍江省的臺站出現極端最低氣溫≤-30℃做出評估，隨著近年來氣候的逐漸變暖，黑龍江省只有北部大興安嶺地區等臺站出現極端最低氣溫穩定≤-30℃的時間段，其中漠河出現在11月下旬至2月下旬，其它臺站均在12月下旬至1月下旬左右。由此可以說明，除北部地區外，黑龍江省其它各地的風電工程建設均不會受到極端最低氣溫≤-30℃的嚴重影響。

圖5 黑龍江省1961年以來各臺站出現極端最低氣溫≤-30℃日數分布圖

從圖5可看出，大興安嶺、黑河地區極端最低氣溫≤-30℃日數最多，為50～100 d，松嫩平原西部、三江平原大部及牡丹江部分地區極端最低氣溫≤-30℃日數在10～25 d，雙鴨山、雞西等地出現日數＜10 d，其它地區在25～50 d。由此說明，松嫩平原西部、三江平原及牡丹江一帶的極端最低氣溫≤-30℃日數出現概率極小，對風電工程的建設十分有利。

6 結論

（1）北部地區的極端最低氣溫≤-20℃日數減少幅度較小，西部松嫩平原一帶低溫日數減少幅度較大。

（2）大興安嶺、黑河一帶的低溫時段較長，對風電工程建設極為不利，松嫩平原西南部、三江平原南部及牡丹江大部地區的低溫時段較短，對風電工程影響較小，雙鴨山、雞西、鶴崗一帶的低溫時段非常短，對風電工程極為有利。

（3）黑龍江省除北部大興安嶺地區臺站的極端最低氣溫出現≤-30℃時段，不適合風電工程的建設外，其它各臺站全年中出現極端最低氣溫出現≤-30℃日數的概率極小，對風電工程建設較為有利。

［1］2008-2009年中國風能產業行業市場深度分析及發展趨勢研究報告[R].2009.

［2］王相明.低溫環境對風力發電機組的影響初探[J].風力發電,2005,(3):37-39.

［3］張禮達，任臘春.惡劣氣候條件對風電機組的影響風析[J].水力發電，2007,33(10):67-69.

S426

A

1002-252X(2012)02-0023-04

2012-2-1

王鳳玲(1964-)，女，黑龍江省五常市人，氣象職工中專，大專生，工程師.