近年來氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場影響的研究進(jìn)展

曾琦 陳正洪

（1 中國地質(zhì)大學(xué)（武漢），武漢 430074；2 湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430205）

0 引言

當(dāng)今世界各國正在積極開發(fā)清潔的可再生能源，其中風(fēng)能作為一種清潔高效的能源日益受到各國重視。據(jù)全球風(fēng)能理事會(huì)（Global Wind Energy Council，GWEC）估計(jì)，到2020年，全球風(fēng)電總裝機(jī)容量可能會(huì)增加到7.92億 kW，2030年風(fēng)力發(fā)電量將占全球總發(fā)電量的20%以上[1]。根據(jù)《風(fēng)電發(fā)展“十三五”發(fā)展規(guī)劃》，2020年中國風(fēng)電累計(jì)并網(wǎng)容量將達(dá)到2.1億 kW以上，其中海上風(fēng)電并網(wǎng)裝機(jī)容量達(dá)到0.5億 kW以上，風(fēng)電發(fā)電量達(dá)到4200億 kW·h，占全國總發(fā)電量的6%[2]。隨著風(fēng)電場的興建，風(fēng)電機(jī)組的安全運(yùn)行問題受到越來越多的關(guān)注，極端氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場的安全運(yùn)行會(huì)造成不同程度的損害，致使風(fēng)電場內(nèi)設(shè)備受損，發(fā)電效益降低。

氣象災(zāi)害一般包括天氣、氣候?yàn)?zāi)害和氣象次生、衍生災(zāi)害。風(fēng)電場一般建設(shè)在空曠的自然環(huán)境中，各種氣象災(zāi)害都會(huì)或多或少危害風(fēng)電場和內(nèi)部人員安全，本文選擇風(fēng)電場易受到且影響較為嚴(yán)重的臺(tái)風(fēng)、大風(fēng)、雷電、低溫冰凍、暴雨、沙塵暴、高溫以及氣象次生災(zāi)害[3]展開論述。其中涉及臺(tái)風(fēng)、雷電、低溫冰凍的相關(guān)研究較多。例如，Manwell等[4]分析氣象災(zāi)害（臺(tái)風(fēng)）引起的極端事件對(duì)美國近海風(fēng)電場的影響；宋麗莉等[5]分析熱帶氣旋對(duì)我國風(fēng)力發(fā)電的影響；Rodrigues等[6]研究雷電對(duì)風(fēng)機(jī)的直接和間接影響；Makkonen等[7]構(gòu)建一種風(fēng)機(jī)覆冰模型。而暴雨、沙塵暴、高溫以及次生災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場影響的相關(guān)研究較少。

國內(nèi)外關(guān)于風(fēng)電場受氣象災(zāi)害影響的系統(tǒng)性研究比較晚，相關(guān)研究自20世紀(jì)90年代逐漸增多，主要集中在美國、日本、歐洲（西班牙、德國、意大利、瑞典、葡萄牙等）以及加拿大，研究內(nèi)容主要是從定性的角度分析風(fēng)電場開發(fā)建設(shè)過程中遇到的氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)，其中部分研究試圖對(duì)風(fēng)電場遇到的氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)進(jìn)行定量測量。Spencer等[8]定量分析美國颶風(fēng)對(duì)還防水風(fēng)電場造成的風(fēng)險(xiǎn)。我國早期主要研究單一氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場的影響，分析某個(gè)風(fēng)電場受災(zāi)情況，至2010年該領(lǐng)域深入研究增多。鄭有飛等[9]對(duì)影響江蘇省風(fēng)電開發(fā)的主要?dú)庀鬄?zāi)害進(jìn)行分析及評(píng)估。可以看出，氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場的影響研究是一個(gè)新興的領(lǐng)域，需要研究人員深入探索。希望通過這篇文獻(xiàn)綜述，讓更多人了解該領(lǐng)域研究內(nèi)容，激發(fā)更多相關(guān)研究，科學(xué)指導(dǎo)風(fēng)能發(fā)電。

風(fēng)電場可以劃分為風(fēng)電機(jī)組（風(fēng)電機(jī)、箱式變壓器）、集電線路（架空、地埋）、升壓站、建筑（監(jiān)控室、生活區(qū)）、道路這5個(gè)單元。下面結(jié)合風(fēng)電場劃分單元從臺(tái)風(fēng)、大風(fēng)、雷電、低溫冰凍、暴雨、沙塵暴、高溫和次生災(zāi)害這幾個(gè)方面分別論述氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場的影響，總結(jié)氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場的影響類型。

1 臺(tái)風(fēng)、大風(fēng)

風(fēng)機(jī)利用風(fēng)能將其轉(zhuǎn)化為電能，持續(xù)大風(fēng)天氣可以使風(fēng)機(jī)處于較長時(shí)間的“滿發(fā)”狀態(tài)，充分利用風(fēng)力資源。但是，當(dāng)風(fēng)速過大時(shí)風(fēng)機(jī)及其附屬設(shè)施也可能遭到損壞。2006年臺(tái)風(fēng)“桑美”襲擊浙江蒼南風(fēng)電場造成慘重的損失，28臺(tái)風(fēng)電機(jī)組全部受損，其中5臺(tái)倒塌[10]。除了臺(tái)風(fēng)影響，一些內(nèi)陸風(fēng)電場還會(huì)受到大風(fēng)災(zāi)害的不利影響。2015年8月，加拿大德芙琳地區(qū)發(fā)生強(qiáng)烈的龍卷風(fēng)，當(dāng)?shù)嘏渚W(wǎng)電線斷裂，造成風(fēng)電場線路跳閘斷電，大量房屋受損，當(dāng)?shù)?0多人受傷[11]。

臺(tái)風(fēng)和大風(fēng)對(duì)整個(gè)風(fēng)電場，即風(fēng)電機(jī)組、集電線路、升壓站、道路和房屋所有單元的安全都有威脅。

1.1 臺(tái)風(fēng)

熱帶氣旋是發(fā)生在熱帶或副熱帶洋面上的低壓渦旋，是一種強(qiáng)大而深厚的熱帶天氣系統(tǒng)，其中最大風(fēng)力達(dá)到12級(jí)的稱為臺(tái)風(fēng)。王帥[12]認(rèn)為臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的破壞機(jī)理主要體現(xiàn)在對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)施加的靜載荷和動(dòng)載荷疊加效應(yīng)。風(fēng)電設(shè)備所受風(fēng)壓靜載荷與空氣密度和風(fēng)速有關(guān)，與風(fēng)速的平方成正比。臺(tái)風(fēng)風(fēng)速可高達(dá)70 m/s，空氣密度很大，極易超過設(shè)計(jì)載荷極限，破壞風(fēng)機(jī)設(shè)備。風(fēng)壓動(dòng)載荷主要由湍流引起，湍流強(qiáng)度越大，對(duì)風(fēng)機(jī)的破壞性越強(qiáng)，湍流對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)形成周期性激蕩， Han等[13]認(rèn)為若湍流產(chǎn)生的周期恰好與風(fēng)機(jī)固有振動(dòng)周期相同，設(shè)備結(jié)構(gòu)就產(chǎn)生橫向的共振，導(dǎo)致風(fēng)機(jī)被毀。湍流強(qiáng)度突變也會(huì)影響風(fēng)機(jī)正常運(yùn)行。

張禮達(dá)等[14]總結(jié)臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)電機(jī)組的主要破壞有：葉片出現(xiàn)裂紋或被撕裂，偏航系統(tǒng)受損，風(fēng)向儀、尾翼等設(shè)備被吹毀等。在高風(fēng)速的情況下（大于25 m/s），機(jī)械制動(dòng)器會(huì)使渦輪機(jī)停止旋轉(zhuǎn)以減少負(fù)荷。Hong等[15]研究發(fā)現(xiàn)，若機(jī)械制動(dòng)失效，葉片轉(zhuǎn)速達(dá)到超速度時(shí)，葉片結(jié)構(gòu)無法承受極端負(fù)荷，最終導(dǎo)致葉片彎曲、損壞或脫落。臺(tái)風(fēng)可直接造成偏航系統(tǒng)的機(jī)械損害，也可能破壞風(fēng)電場電網(wǎng)系統(tǒng)從而使偏航系統(tǒng)故障。偏航系統(tǒng)可以根據(jù)風(fēng)速風(fēng)向控制輪轂和葉片的角度，它可以使轉(zhuǎn)子遠(yuǎn)離突出的風(fēng)向以減少負(fù)荷。臺(tái)風(fēng)期間會(huì)出現(xiàn)持續(xù)幾個(gè)大風(fēng)方向作用在風(fēng)電機(jī)組的情況，當(dāng)偏航系統(tǒng)失效，風(fēng)機(jī)將無法調(diào)整對(duì)風(fēng)，臺(tái)風(fēng)風(fēng)速超過設(shè)計(jì)極限時(shí)，會(huì)發(fā)生葉片損毀甚至風(fēng)機(jī)倒塌等事故。吳遠(yuǎn)偉[16]指出葉片在強(qiáng)風(fēng)作用下產(chǎn)生極大扭轉(zhuǎn)力矩，超出高速軸剎車盤與剎車片摩擦承載能力，剎車盤強(qiáng)行轉(zhuǎn)動(dòng)，產(chǎn)生持續(xù)高溫，產(chǎn)生火花引燃高速盤側(cè)易燃物引起火災(zāi)。

除了風(fēng)電機(jī)組，臺(tái)風(fēng)也會(huì)對(duì)風(fēng)電場其他單元造成極大破壞，可能造成門窗破損、塔架變形、房屋和架空線路倒塌等一系列危害。臺(tái)風(fēng)還往往伴隨暴雨、風(fēng)暴潮，可能會(huì)沖毀風(fēng)電場，甚至引發(fā)內(nèi)澇淹沒風(fēng)電場，破壞升壓站等地面設(shè)備、地下電纜、道路交通，造成嚴(yán)重的災(zāi)害。

Manwell等[4]研究指出，風(fēng)和海浪是影響海上風(fēng)電場最重要的兩個(gè)因素，風(fēng)主要影響風(fēng)機(jī)和塔，海浪影響地基。在臺(tái)風(fēng)期間，風(fēng)和海浪對(duì)海上風(fēng)力發(fā)電場的相互作用仍然是一個(gè)需要研究的問題，Kumar等[17]研究發(fā)現(xiàn)，在熱帶氣旋中波高與極端風(fēng)速之間有良好的相關(guān)性。大風(fēng)帶來大浪，臺(tái)風(fēng)帶來的狂風(fēng)、巨浪，對(duì)風(fēng)力渦輪機(jī)、塔和地基造成巨大破壞。

1.2 大風(fēng)

測站出現(xiàn)瞬時(shí)風(fēng)速達(dá)到或超過17 m/s，或目測風(fēng)力達(dá)到或超過8級(jí)的風(fēng)為大風(fēng)，一日出現(xiàn)過大風(fēng)，作為一個(gè)大風(fēng)日[18]。產(chǎn)生大風(fēng)的天氣系統(tǒng)很多，如冷鋒、雷暴、颮線和氣旋等，特殊地形會(huì)形成局地大風(fēng)。下面主要論述颮線大風(fēng)、龍卷風(fēng)、寒潮大風(fēng)、峽谷大風(fēng)等大風(fēng)災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場造成的一定程度的破壞。

颮線是強(qiáng)對(duì)流天氣的一種，沿著颮線可出現(xiàn)雷暴、暴雨、大風(fēng)、冰雹和龍卷等劇烈的天氣現(xiàn)象。颮線大風(fēng)相比龍卷風(fēng)持續(xù)時(shí)間更長，破壞范圍更大，強(qiáng)風(fēng)冰雹破壞風(fēng)機(jī)組設(shè)備，使線路跳閘停電[19]。龍卷風(fēng)風(fēng)速極高，對(duì)風(fēng)電場內(nèi)設(shè)備造成巨大沖擊，其內(nèi)外氣壓差可能將建筑屋頂直接吸走，另外龍卷風(fēng)裹挾的樹枝、磚塊等風(fēng)致碎片會(huì)撞擊下游其他物體造成破壞[20]。寒潮是大規(guī)模強(qiáng)冷空氣活動(dòng)的過程，造成劇烈降溫，伴隨大風(fēng)、冰雹、降雪等災(zāi)害性天氣現(xiàn)象[19]。受地形狹管作用影響，當(dāng)氣流由開闊地帶流入地形構(gòu)成的峽谷時(shí)，由于空氣質(zhì)量不能大量堆積，空氣加速流過峽谷，風(fēng)速增大形成峽谷大風(fēng)，大風(fēng)風(fēng)力可達(dá)到10級(jí)以上，強(qiáng)風(fēng)會(huì)破壞風(fēng)電場。這些大風(fēng)災(zāi)害會(huì)造成風(fēng)電機(jī)組、集電線路、升壓站、房屋建筑損毀，影響道路交通。極端大風(fēng)事件不僅會(huì)影響風(fēng)機(jī)的安全運(yùn)行，還會(huì)威脅周邊的公共安全，伴隨的暴雨冰雹將進(jìn)一步危害風(fēng)電場的安全運(yùn)營。

2 雷電

雷電是一種伴有雷擊和閃電的局地對(duì)流性天氣，是一種在積雨云云中、云間或云地之間產(chǎn)生的放電現(xiàn)象，雷暴發(fā)生時(shí)常伴有冰雹、大風(fēng)、暴雨等多種極端天氣現(xiàn)象[3]。雷暴對(duì)風(fēng)電場的危害十分嚴(yán)重。Victor[21]研究發(fā)現(xiàn)，風(fēng)機(jī)的有利位置往往與雷暴活動(dòng)的區(qū)域重合。對(duì)于建立在空曠地帶的風(fēng)電場，當(dāng)它處于雷雨云形成的大氣電場中時(shí)，風(fēng)機(jī)相對(duì)于周圍環(huán)境成為突出的目標(biāo)，容易發(fā)生尖端放電被雷擊中[22]。對(duì)于建立在高海拔區(qū)（例如1000 m）或在山脊、山頂?shù)娘L(fēng)電場，風(fēng)機(jī)更是直接暴露在了雷電之中[23]。Rodrigues等[6]研究調(diào)查顯示，每年有4%～8%的歐洲風(fēng)力發(fā)電機(jī)被雷電損壞，其中德國風(fēng)力發(fā)電機(jī)的雷擊毀壞率高達(dá)8%，日本沿海的風(fēng)機(jī)因雷電導(dǎo)致?lián)p害占所有總事故的30%左右。2013年3月，廣西多地出現(xiàn)雷電，其中資源縣某風(fēng)電場受雷電影響，4臺(tái)風(fēng)機(jī)的箱式變壓器損壞，直接經(jīng)濟(jì)損失91萬元[24]。

雷電主要影響對(duì)象是風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組、集電線路、升壓站以及建筑設(shè)施。危害可以分為直接危害和間接危害。直接危害主要表現(xiàn)為雷電引起的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和沖擊波造成的危害。間接危害主要表現(xiàn)為電磁感應(yīng)效應(yīng)和電涌過電壓效應(yīng)等[25]。以下從這兩個(gè)方面論述雷電對(duì)風(fēng)電場的危害。

2.1 雷電對(duì)風(fēng)電場的直接危害

風(fēng)電機(jī)組遭受雷擊的過程實(shí)際上就是帶電雷云與風(fēng)電機(jī)組之間的放電過程。雷電直接擊中風(fēng)電機(jī)組時(shí)，電流產(chǎn)生熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)。機(jī)械效應(yīng)主要表現(xiàn)為在電動(dòng)力作用下，部件直接被擊毀，例如雷擊使得塔筒變形甚至折斷。熱效應(yīng)主要表現(xiàn)為雷擊點(diǎn)周圍，局部金屬熔化，例如使輸電線路直接熔斷。熱效應(yīng)和機(jī)械效應(yīng)一般同時(shí)出現(xiàn)。對(duì)于葉片，被擊中時(shí)，雷電釋放的巨大能量使葉片溫度急劇升高，物體內(nèi)部水分迅速蒸發(fā)、汽化，快速膨脹，壓力上升造成葉尖前后粘接部分爆裂破壞。直擊雷擊中風(fēng)機(jī)葉片后，電流沿著葉片傳至風(fēng)電機(jī)的主軸部分，電流流動(dòng)時(shí)，機(jī)艙內(nèi)部金屬間隙會(huì)產(chǎn)生電火花，可能引發(fā)火災(zāi)爆炸。電流經(jīng)過軸承時(shí)，產(chǎn)生極大熱量，損壞軸承內(nèi)的滾子和套圈，影響軸承運(yùn)行的流暢性和設(shè)備的可靠性。雷擊往往不會(huì)使電機(jī)運(yùn)行立即失效，但它使運(yùn)行摩擦加大，日積月累，最后使整個(gè)軸承內(nèi)部遭到嚴(yán)重?fù)p壞并發(fā)生運(yùn)行故障[25-27]。

2.2 雷電對(duì)風(fēng)電場的間接危害

風(fēng)電機(jī)組雷擊暫態(tài)效應(yīng)會(huì)使電位抬高，使得風(fēng)機(jī)葉片尖端與塔筒底部產(chǎn)生較大電位差，當(dāng)不同構(gòu)件之間電位差達(dá)到一定數(shù)值時(shí)，風(fēng)機(jī)內(nèi)部結(jié)構(gòu)之間的空氣被擊穿，破壞風(fēng)機(jī)內(nèi)部設(shè)備。雷電擊中風(fēng)機(jī)時(shí)會(huì)在風(fēng)機(jī)塔筒內(nèi)產(chǎn)生強(qiáng)電磁脈沖[27]，對(duì)塔筒內(nèi)部的風(fēng)機(jī)控制系統(tǒng)和主電源裝置造成直接輻射危害。電磁脈沖會(huì)在塔筒內(nèi)部各種信號(hào)、電源傳導(dǎo)線內(nèi)部產(chǎn)生感應(yīng)電流，形成過電流和過電壓波侵入電子設(shè)備，這些過電壓會(huì)損壞集電線路和升壓站設(shè)備，造成風(fēng)機(jī)設(shè)備工作失靈或者永久性損壞。雷電流由散流裝置入地過程中形成的電位梯度過大，附近區(qū)域人員可能受到接觸電壓和跨步電壓的危害。

3 低溫冰凍

根據(jù)IEC 61400-1標(biāo)準(zhǔn)[22]規(guī)定，風(fēng)電機(jī)組的運(yùn)行溫度為-20 ℃，生存溫度為-30 ℃，極端低溫環(huán)境會(huì)影響風(fēng)電場的正常運(yùn)行。積冰是一種各種降水或霧滴與地面或空中冷卻物體碰撞后凍結(jié)在其表面上的現(xiàn)象。Neil等[28]指出在世界上的許多地方，大部分利于開發(fā)的風(fēng)能可用點(diǎn)已經(jīng)被利用，這迫使風(fēng)電場開發(fā)商去尋找更復(fù)雜的地點(diǎn)，并帶來額外的風(fēng)險(xiǎn)或不確定性，比如近海、山林和寒冷的氣候地區(qū)。根據(jù)歐洲新能源咨詢公司（BTM）評(píng)估，到2012年底，寒冷氣候地區(qū)的裝機(jī)容量達(dá)到69 GW，2017年將增加50 GW[29]。湖北仙居頂風(fēng)電場2010—2013年受低溫冰凍影響，年平均損失電量600～800 kW·h。

低溫冰凍主要影響對(duì)象是風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組和集電線路設(shè)備，也會(huì)影響道路房屋。

Oloufemi等[30]指出低溫冰凍對(duì)風(fēng)電場最直接的危害就是停機(jī)所造成的經(jīng)濟(jì)損失，若低溫天氣持續(xù)時(shí)間較長，葉片長時(shí)間覆冰，風(fēng)電場往往會(huì)停機(jī)幾周甚至數(shù)月。2005年德國一項(xiàng)調(diào)查研究發(fā)現(xiàn)，停機(jī)是低溫冰凍事件的最大危害，影響占比近90%[31]。除了停機(jī)，低溫冰凍還伴隨3個(gè)方面的問題：葉片、輸電線等其他構(gòu)件覆冰問題；低溫使?jié)櫥宛こ砹鲃?dòng)性差引發(fā)的機(jī)械故障問題；低溫使得部分電子元件傳感器失靈的問題。下面重點(diǎn)從葉片、導(dǎo)線覆冰、機(jī)械故障、周邊安全問題這4個(gè)方面具體展開論述。

3.1 葉片覆冰

葉片覆冰使得葉片質(zhì)量分布不均，葉片結(jié)構(gòu)和形狀改變，降低風(fēng)能利用系數(shù)；增大葉片粗糙度，降低機(jī)翼啟動(dòng)性；葉片負(fù)載增大，風(fēng)電機(jī)組機(jī)翼的空氣動(dòng)力損失增大[32]。Hu等[33]研究得到，葉根到葉尖，冰的質(zhì)量和厚度近似呈線性增加；葉尖結(jié)冰率大于葉根結(jié)冰率，在防/除冰時(shí)應(yīng)注意葉尖區(qū)域；無論是不對(duì)稱覆冰（葉片一面覆冰，一面未覆冰）還是對(duì)稱覆冰都能減小葉片動(dòng)力，但不對(duì)稱覆冰會(huì)使葉片附加不對(duì)稱剪力，對(duì)風(fēng)機(jī)危害更大。孫鵬等[34]指出低溫會(huì)使葉片阻尼等結(jié)構(gòu)特性發(fā)生變化，葉片自身頻率變化，引發(fā)共振，使得壽命縮短，大風(fēng)低溫時(shí)的剎車動(dòng)作可能引起葉片折斷。

3.2 導(dǎo)線覆冰

當(dāng)導(dǎo)線覆冰厚度超過設(shè)計(jì)的抗冰厚度時(shí)，覆冰后質(zhì)量、風(fēng)壓面積增加會(huì)導(dǎo)致輸電線路發(fā)生機(jī)械和電氣方面的事故，可能造成金具損壞、導(dǎo)線斷股、桿塔折損倒塌、絕緣子串翻轉(zhuǎn)和撞裂等機(jī)械損害；也可能使弧垂增大，造成閃絡(luò)和燒傷、燒斷導(dǎo)線等電氣問題[35]。

李興凱等[36]研究華北地區(qū)導(dǎo)線覆冰問題發(fā)現(xiàn)，若相鄰的導(dǎo)線覆冰不均勻或一條線路中導(dǎo)線不同期脫冰，導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生張力差，從而損壞金具、導(dǎo)線和絕緣子，使得導(dǎo)線電氣間隙減小，發(fā)生閃絡(luò)，也有可能破壞桿塔。在風(fēng)的作用下，質(zhì)量分布不均的導(dǎo)線會(huì)產(chǎn)生自激振蕩和低頻率的舞動(dòng)，從而造成金具損壞、導(dǎo)線斷股、斷線和桿塔傾斜或倒塌等事故。

3.3 其他機(jī)械故障

低溫條件下，風(fēng)機(jī)中潤滑油黏稠度增加，流動(dòng)性降低，風(fēng)機(jī)液壓系統(tǒng)無法正常工作。對(duì)于剎車液壓系統(tǒng)，它使得剎車時(shí)間增長、振動(dòng)增大，影響風(fēng)機(jī)安全運(yùn)行。潤滑效果減弱，摩擦增大，齒輪箱系統(tǒng)和偏航系統(tǒng)內(nèi)部運(yùn)行阻力增大，旋轉(zhuǎn)、摩擦產(chǎn)生的熱量無法正常釋放，這會(huì)使得齒輪磨損、系統(tǒng)受損[34]。

低溫條件下，部分電子、電氣元件無法工作，出現(xiàn)異常反應(yīng)，傳感器異常會(huì)影響風(fēng)電場信號(hào)采集。升壓站、監(jiān)控室以及其他電氣設(shè)備都會(huì)受到影響。

3.4 安全問題

Tammelin[37]研究指出風(fēng)電場自身就有噪聲污染的問題，低溫冰凍條件下，風(fēng)機(jī)運(yùn)行受阻，噪聲污染增強(qiáng)。溫度升高后，風(fēng)機(jī)和輸電線路上的覆冰、冰柱會(huì)脫落，周圍居民應(yīng)注意安全，避免砸傷。道路結(jié)冰會(huì)影響風(fēng)電場內(nèi)交通安全。

4 暴雨

根據(jù)規(guī)定，24 h降水量≥50 mm的強(qiáng)降雨稱為“暴雨”。暴雨主要影響對(duì)象是風(fēng)電場內(nèi)的風(fēng)電機(jī)組和道路房屋。暴雨對(duì)風(fēng)電場的危害主要來自兩個(gè)方面，一是暴雨引發(fā)洪水、滑坡、泥石流等災(zāi)害；二是雨水對(duì)風(fēng)機(jī)性能的影響。

暴雨引發(fā)的洪水、泥石流是危害風(fēng)電場的主要原因，整個(gè)風(fēng)電場都會(huì)受到極大破壞。受地形影響，若風(fēng)電場建設(shè)在地勢(shì)較低的區(qū)域，或是風(fēng)電場內(nèi)排水、防洪措施不到位，風(fēng)電場內(nèi)易形成內(nèi)澇，靠近地面的變壓器、升壓站等設(shè)備易被淹沒損壞。山區(qū)里，暴雨引發(fā)山洪，可能會(huì)沖毀風(fēng)電場中風(fēng)機(jī)、房屋、道路等設(shè)施，甚至一些風(fēng)電場在建設(shè)過程中遭到山洪破壞，損失慘重。2017年7月14—15日，宜昌市五峰縣出現(xiàn)了較大范圍的強(qiáng)降雨，導(dǎo)致山洪暴發(fā)并誘發(fā)多處滑坡泥石流，對(duì)當(dāng)?shù)氐姆课荨⒌缆贰㈦娏屯ㄐ诺仍O(shè)施產(chǎn)生較為嚴(yán)重的危害，在五峰和灣潭兩鎮(zhèn)建設(shè)的北風(fēng)埡風(fēng)電場，受到此次強(qiáng)降雨誘發(fā)的山洪地質(zhì)災(zāi)害的影響，使得2017年9月底首臺(tái)風(fēng)機(jī)并網(wǎng)發(fā)電的計(jì)劃推遲[38]。

目前，關(guān)于雨水對(duì)風(fēng)機(jī)葉片動(dòng)力影響研究還比較少，相關(guān)研究集中在航空領(lǐng)域，研究雨水對(duì)機(jī)翼的影響。這些研究發(fā)現(xiàn)：雨水使機(jī)翼升力減少，阻力增加；在雨中，層流翼的性能損失比紊流的翼片更嚴(yán)重；當(dāng)雨滴撞擊機(jī)翼時(shí)，部分雨滴被加速濺回空氣中，剩余雨滴在機(jī)翼表面形成了一層薄薄的水膜，這層水膜受之后的雨滴影響，表面形成“彈坑”，成為了一張不均勻的薄膜，機(jī)翼表面改變，增加了阻力[39]。與航空研究中得出的結(jié)論相似，Cai等[40]分析了一臺(tái)在雨天使用的水平渦輪機(jī)機(jī)翼的性能，發(fā)現(xiàn)在大多數(shù)AOAs（攻角）引入降雨時(shí)，升力會(huì)減少，阻力增加，導(dǎo)致升阻比降低。Alessio等[41]研究指出，如果葉片不受保護(hù)，風(fēng)機(jī)葉片將會(huì)遭受雨蝕，尤其是酸雨的損壞，將會(huì)降低空氣動(dòng)力性能，從而降低動(dòng)力的產(chǎn)生。Wu等[39]利用NACA 0015 VAWT翼型研究發(fā)現(xiàn)，降雨條件下風(fēng)機(jī)葉片升力系數(shù)和切向系數(shù)減小（圖1、圖2）。

圖1 NACA 0015翼型振蕩運(yùn)動(dòng)狀態(tài)晴天雨天升力系數(shù)比較[39]Fig. 1 Lift coefficient comparison between the dry and rain conditions for NACA 0015 airfoil with oscillating motion

圖2 NACA 0015翼型振蕩運(yùn)動(dòng)狀態(tài)晴天雨天切向力系數(shù)比較[39]Fig. 2 Tangential force coefficient comparison between the dry and rain conditions for NACA 0015 airfoil with oscillating motion

5 沙塵暴

沙塵暴是指強(qiáng)風(fēng)揚(yáng)起地面沙塵，使空氣混濁，水平能見度小于1000 m 的風(fēng)沙天氣現(xiàn)象。

沙塵暴破壞范圍大，造成的受災(zāi)面積廣，對(duì)風(fēng)電場內(nèi)各單元都有影響，其危害主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面。

5.1 沙塵暴伴隨大風(fēng)

強(qiáng)沙塵暴發(fā)生時(shí)風(fēng)力往往達(dá)8級(jí)以上，有時(shí)甚至可達(dá)12級(jí)，相當(dāng)于臺(tái)風(fēng)登陸的風(fēng)力，強(qiáng)風(fēng)可能會(huì)吹倒或拔起大樹、電桿，刮斷輸電線路，或是發(fā)生高壓線路短路和跳閘事故，毀壞建筑物和地面設(shè)施，造成人畜傷亡，破壞力極大。

根據(jù)2014年一篇相關(guān)報(bào)道[42]，沙塵暴會(huì)對(duì)土壤造成不同程度的刮蝕，每次的風(fēng)蝕深度可達(dá)1～10 cm；當(dāng)遇到背風(fēng)凹洼的地形或障礙物時(shí)，隨風(fēng)而至的大量沙塵又會(huì)造成沙埋，嚴(yán)重的沙埋深度可達(dá)1 m以上。若風(fēng)電場建在迎風(fēng)坡或地勢(shì)較高的地區(qū)，沙塵暴來襲對(duì)土地的刮蝕，影響塔基穩(wěn)定，在背風(fēng)坡或地勢(shì)低洼的地區(qū)，其沙埋作用又可使塔架的高度發(fā)生變化，影響風(fēng)能吸收和轉(zhuǎn)換。

5.2 沙塵暴揚(yáng)起沙塵

大風(fēng)夾帶的砂礫不僅會(huì)使葉片表面嚴(yán)重磨損，甚至?xí)斐扇~面凹凸不平，破壞葉片的強(qiáng)度和韌性，影響風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行[32]。若砂礫較大，還會(huì)直接破壞風(fēng)機(jī)和房屋設(shè)備；大量沙塵使能見度降低，不利于交通安全；高塵沙濃度、強(qiáng)風(fēng)沙流速的沙塵可能引起電力設(shè)備外絕緣閃絡(luò)，應(yīng)提前做好防護(hù)措施。

風(fēng)機(jī)葉片上的沙塵應(yīng)及時(shí)清理，除了沙塵暴侵襲，日常的揚(yáng)塵積灰對(duì)風(fēng)機(jī)葉片正常運(yùn)行也有影響。研究表明，由于沙塵積累，葉片阻力增大，升力減小，降低風(fēng)機(jī)的功率輸出。

G. Khalfallah等[43]在2007年利用Nordtank 300 kW風(fēng)力機(jī)，研究在1 d、1周、1個(gè)月、3個(gè)月、6個(gè)月、9個(gè)月不同工況下粉塵對(duì)功率曲線的影響（圖3），在不清洗葉片的情況下，隨著運(yùn)行周期的增加，風(fēng)電機(jī)組輸出功率的損失也隨之增大。揚(yáng)塵還會(huì)危害場內(nèi)工作人員的身體健康。

圖3 在不同運(yùn)行周期條件下粉塵對(duì)風(fēng)機(jī)輸出功率的影響[43]Fig. 3 Effect of dust for various operation periods on the power curve of turbine

6 高溫

氣象上將日最高氣溫＞35 ℃定義為高溫日，將日最高氣溫＞38 ℃稱為酷熱日。中國把連續(xù)數(shù)天（3 d以上）的高溫天氣過程稱之為高溫?zé)崂恕８邷刂饕绊戯L(fēng)電機(jī)組、集電線路、升壓站這幾個(gè)涉及電力系統(tǒng)的單元。

高溫會(huì)使電力線路超負(fù)荷，電力線路過載將威脅到電網(wǎng)的安全平穩(wěn)運(yùn)行。線路可能頻繁跳閘，甚至造成變壓器過熱燒壞、損毀，引發(fā)主電力設(shè)備過載等故障，長時(shí)間處于高溫環(huán)境也會(huì)影響風(fēng)機(jī)中各組件壽命。霍林等[44]研究發(fā)現(xiàn)，如果遇到高溫天氣且電力線路超負(fù)荷而線路又老化，而電器設(shè)備又長期處于高溫運(yùn)行狀態(tài)，易引發(fā)用電故障，甚至引發(fā)火災(zāi)。

根據(jù)葉杭冶[45]研究，風(fēng)電機(jī)組保持較高功率運(yùn)行時(shí)，齒輪箱、發(fā)電機(jī)、變壓器、變頻器等機(jī)械和電氣部件產(chǎn)生較大熱量，而發(fā)電機(jī)、齒輪箱、IGBT等主要部件又處于相對(duì)封閉的狹小的機(jī)艙內(nèi)或塔底平臺(tái)上，產(chǎn)生的熱量不能順利排出，使機(jī)艙內(nèi)溫度升高，加之環(huán)境溫度較高，部件過熱可能出現(xiàn)故障。高溫影響到風(fēng)電機(jī)組部件運(yùn)行的安全性，所以風(fēng)電機(jī)組只能限功率運(yùn)行，甚至停機(jī)，影響到風(fēng)電場投資的經(jīng)濟(jì)性。目前風(fēng)電場針對(duì)高溫災(zāi)害設(shè)計(jì)出一些抗高溫型機(jī)組，例如任朝陽等[46]通過改善風(fēng)機(jī)的通風(fēng)系統(tǒng)和散熱性能，設(shè)計(jì)了出了滿足外界溫度45 ℃，機(jī)艙內(nèi)部不超過50 ℃的抗高溫型機(jī)組。

7 氣象次生災(zāi)害

氣象次生、衍生災(zāi)害，是指因氣象因素引起的山體滑坡、泥石流、風(fēng)暴潮、火災(zāi)、酸雨、空氣污染等災(zāi)害。下文論述臺(tái)風(fēng)、暴雨、高溫這些氣象災(zāi)害引發(fā)的滑坡、泥石流、火災(zāi)次生災(zāi)害。

7.1 滑坡泥石流

風(fēng)電場所遭受的次生災(zāi)害主要是由臺(tái)風(fēng)、暴雨天氣帶來的。風(fēng)電場內(nèi)設(shè)施受到洪水長時(shí)間的沖刷、浸泡，待臺(tái)風(fēng)、洪水退去后，發(fā)生房屋、橋梁坍塌或者誘發(fā)山體滑坡、泥石流，造成破壞，這是臺(tái)風(fēng)帶來的次生災(zāi)害。在山區(qū)，暴雨天氣可能引發(fā)滑坡、泥石流等次生災(zāi)害。

以泥石流為例。泥石流的發(fā)生有主要條件：物源條件，物源區(qū)土石體的分布、類型、結(jié)構(gòu)等，它與當(dāng)?shù)氐貙訋r性相關(guān)；水源條件，水是泥石流的組成部分，也是松散固體物質(zhì)的搬運(yùn)介質(zhì)，雨水往往是主要來源；地形地貌條件，它能為泥石流的發(fā)生、發(fā)展提供位（勢(shì)）能及匯聚足夠的水和土石[47-48]。臺(tái)風(fēng)或是暴雨天氣發(fā)生后物源變得松散，提供水源，有時(shí)甚至改變地貌（侵蝕掏空），從而誘發(fā)泥石流這一次生災(zāi)害發(fā)生。滑坡、泥石流沖毀房屋、破壞交通，對(duì)風(fēng)電場安全運(yùn)營帶來危害。

7.2 山林草原火災(zāi)

長期的高溫干旱天氣會(huì)引發(fā)山林或草原火災(zāi)。修建在山區(qū)、草原的風(fēng)電場應(yīng)注意防火。一般風(fēng)力發(fā)電機(jī)組安裝檢修場地均采取了平整措施，安裝檢修場地上無植被，升壓站周圍有水泥硬化道路，可起到阻火作用。但若后期運(yùn)行維護(hù)不當(dāng)，可能會(huì)有灌木、雜草等生長，周邊山林發(fā)生山火就可以蔓延到風(fēng)力發(fā)電機(jī)組處，威脅風(fēng)力發(fā)電機(jī)組、箱式變壓器的安全；若火勢(shì)較大可能影響升壓站內(nèi)的設(shè)備設(shè)施，威脅運(yùn)行人員人身安全，破壞當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)。

8 氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場各劃分單元影響程度和類型

總結(jié)上文論述，分析得到氣象災(zāi)害在風(fēng)電場內(nèi)的重點(diǎn)破壞單元，各氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場的危害程度，見表1（打勾說明該單元會(huì)受到對(duì)應(yīng)氣象災(zāi)害破壞）。可以發(fā)現(xiàn)，臺(tái)風(fēng)、大風(fēng)、沙塵暴、低溫冰凍、暴雨、次生災(zāi)害這些氣象災(zāi)害破壞范圍大，影響時(shí)間長，對(duì)風(fēng)電場各單元安全都有威脅；雷電對(duì)道路影響較小，對(duì)其他單元，特別是電力設(shè)備危害較大；高溫對(duì)風(fēng)電場的影響相對(duì)較小，主要損害風(fēng)電機(jī)組、集電線路和升壓站。不同地區(qū)風(fēng)電場受到的氣象災(zāi)害不同，同一氣象災(zāi)害，災(zāi)害大小亦有不同，后期將繼續(xù)調(diào)查研究，提供更加準(zhǔn)確的影響分析。

表1 氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場內(nèi)各劃分單元影響情況Table 1 The influence of meteorological disaster on each partition unit in wind farm

氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場的影響可以分成安全類影響、效益類影響、生態(tài)類影響這3類。

安全類影響指該氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場人員安全危害和設(shè)備故障損毀。例如風(fēng)機(jī)倒塌、輸電線路折斷、升壓站設(shè)備故障、建筑道路毀壞、工作人員受傷等，本文論述的氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場均會(huì)產(chǎn)生安全類影響。

效益類影響指設(shè)備不會(huì)大面積損毀，但工作效率降低。覆冰、沙塵、雨水會(huì)使風(fēng)機(jī)輸出功率降低，高溫天氣為保證設(shè)備安全低功率運(yùn)行。

生態(tài)類影響指氣象災(zāi)害破壞風(fēng)電場周圍生態(tài)環(huán)境。臺(tái)風(fēng)、雷電、高溫可能引發(fā)火災(zāi)，暴雨、次生災(zāi)害（滑坡、泥石流）會(huì)造成水土流失。

9 小結(jié)

隨著全球?qū)π履茉矗貏e是風(fēng)能的需求日益增加，在風(fēng)電場的選址、建設(shè)、運(yùn)營各個(gè)階段都需要考慮氣象災(zāi)害問題。本文主要討論臺(tái)風(fēng)、大風(fēng)、雷暴、低溫冰凍、暴雨、沙塵暴、高溫以及誘發(fā)的次生災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場的影響。臺(tái)風(fēng)主要考慮葉片出現(xiàn)裂紋或被撕裂，風(fēng)向儀、尾翼等設(shè)備被吹毀，偏航系統(tǒng)受損等機(jī)械破壞問題，除了臺(tái)風(fēng)，其他大風(fēng)災(zāi)害（龍卷風(fēng)、寒潮大風(fēng)等）也會(huì)危害風(fēng)電場安全；雷電主要是直擊雷引起的熱效應(yīng)、機(jī)械效應(yīng)和沖擊波對(duì)葉片和內(nèi)部結(jié)構(gòu)造成的危害，電磁感應(yīng)、電磁脈沖造成的間接危害，電火花可能引發(fā)火災(zāi)；低溫冰凍導(dǎo)致長時(shí)間停機(jī)造成發(fā)電量損失，覆冰對(duì)風(fēng)電場表現(xiàn)在可能對(duì)葉片、導(dǎo)線等其他設(shè)備造成危害，低溫使?jié)櫥宛こ碛绊懺O(shè)備運(yùn)行，影響電子元件性能，積冰掉落引發(fā)安全問題；暴雨誘發(fā)山洪，沖毀風(fēng)電場內(nèi)建筑和道路，引發(fā)內(nèi)澇淹沒地面設(shè)備，雨水會(huì)侵蝕葉片、阻礙葉片運(yùn)行；沙塵暴主要影響在于大風(fēng)破壞和沙塵撞擊葉片等敏感設(shè)備，沙塵積累在葉片，使得風(fēng)機(jī)功率輸出降低；高溫要注意電子設(shè)備安全，防止產(chǎn)生火災(zāi)、爆炸，注意工作人員安全。一次災(zāi)害發(fā)生后還要繼續(xù)關(guān)注次生災(zāi)害的發(fā)生，注意臺(tái)風(fēng)、暴雨引起的滑坡、泥石流，以及高溫干旱引發(fā)山林草原火災(zāi)等次生災(zāi)害危害風(fēng)電場。

結(jié)合表1可以得到氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場內(nèi)各劃分單元影響情況，雷電和高溫災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場內(nèi)建筑、道路這兩個(gè)單元影響較小，其他氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場內(nèi)各劃分單元都有影響，影響程度與風(fēng)電場自身建設(shè)和災(zāi)害具體情況有關(guān)，需要進(jìn)一步研究。

氣象災(zāi)害對(duì)風(fēng)電場均會(huì)產(chǎn)生安全類影響；低溫冰凍、暴雨、沙塵暴、高溫會(huì)產(chǎn)生效益類影響；臺(tái)風(fēng)、雷電、暴雨、氣象次生災(zāi)害會(huì)產(chǎn)生生態(tài)類影響。