風(fēng)電機(jī)組噪聲分析及檢測(cè)

謝金濤，劉前衛(wèi)

（1.濱州供電公司，山東 濱州 256610；2.國(guó)家電網(wǎng)公司，北京 100031）

0 引言

長(zhǎng)期以來，風(fēng)力發(fā)電一直都被認(rèn)為是綠色、清潔的環(huán)境友好型能源，但實(shí)際上，風(fēng)電機(jī)組對(duì)環(huán)境并不是絕對(duì)的沒有影響。風(fēng)電機(jī)組的環(huán)境問題主要集中在三個(gè)方面：風(fēng)電機(jī)組的噪聲問題；風(fēng)電機(jī)組葉片的光影效應(yīng)；風(fēng)電機(jī)組對(duì)風(fēng)電場(chǎng)周圍生物的影響。

其中，人們微詞最多的是風(fēng)電機(jī)組的噪聲問題。風(fēng)電機(jī)組長(zhǎng)期運(yùn)行中輻射的噪聲，給風(fēng)電場(chǎng)周圍居住的人們帶來持續(xù)性的健康侵害。美國(guó)紐約的醫(yī)生尼娜·皮爾龐特（Dr Nina Pierpont）在五年的時(shí)間里，對(duì)美國(guó)、英國(guó)、意大利、愛爾蘭和加拿大居住在風(fēng)電場(chǎng)附近居民的健康狀況進(jìn)行調(diào)查和監(jiān)控，大量的調(diào)查結(jié)果證實(shí)，“風(fēng)力發(fā)電機(jī)組綜合征”已經(jīng)成為一種新的病癥。盡管風(fēng)電機(jī)組輻射噪聲的分貝并不高，但是風(fēng)電機(jī)組輻射噪聲會(huì)對(duì)人耳前庭系統(tǒng)產(chǎn)生持續(xù)性刺激，導(dǎo)致人產(chǎn)生耳鳴、眩暈、恐慌、睡眠障礙、心動(dòng)過速、增加心臟病的危險(xiǎn)和其他健康問題［1］。

隨著全球風(fēng)電裝機(jī)容量的增加，遠(yuǎn)離人群居住地帶的空曠地帶越來越少，風(fēng)電機(jī)組的安裝位置距離人群越來越近，導(dǎo)致噪聲的問題日益突出。尤其是那些風(fēng)電發(fā)展較快的歐洲國(guó)家，由于其國(guó)土面積的限制，現(xiàn)在很多新建的風(fēng)電場(chǎng)只能建在居民區(qū)周圍，使得噪聲矛盾更加尖銳。噪聲輻射也就成為了風(fēng)電機(jī)組出口的一個(gè)重要指標(biāo)，關(guān)系到風(fēng)電機(jī)組能否在國(guó)際市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)中占有一席之地。

1 風(fēng)電機(jī)組噪聲產(chǎn)生的原因

風(fēng)電機(jī)組輻射噪聲按照其時(shí)頻特性分為四類：寬帶噪聲、低頻噪聲、脈沖噪聲和音調(diào)［2］。這些噪聲產(chǎn)生的來源主要有以下幾個(gè)方面：

1.1 機(jī)械噪聲及結(jié)構(gòu)噪聲

齒輪箱噪聲。嚙合的齒輪在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中產(chǎn)生相互振動(dòng)和摩擦，通過固體結(jié)構(gòu)輻射出噪聲；

軸承噪聲。軸承內(nèi)相對(duì)運(yùn)動(dòng)元件之間的撞擊及摩擦所引起的振動(dòng)輻射出噪聲；

周期作用力激發(fā)的噪聲。由轉(zhuǎn)動(dòng)軸等旋轉(zhuǎn)機(jī)械部件產(chǎn)生周期作用力激發(fā)的噪聲；

電機(jī)噪聲。不平衡的電磁力使電機(jī)產(chǎn)生電磁振動(dòng)，并通過固體結(jié)構(gòu)輻射電磁噪聲。

1.2 空氣動(dòng)力噪聲

空氣動(dòng)力噪聲由葉片與空氣之間的相互作用產(chǎn)生，這個(gè)噪聲的大小與風(fēng)速相關(guān)，風(fēng)速越大，空氣動(dòng)力噪聲越大，并且不同的湍流情況下，噪聲往往也不同。這個(gè)噪聲通常是風(fēng)電機(jī)組輻射噪聲的主要組成部分。

空氣動(dòng)力噪聲的控制與風(fēng)電機(jī)組的葉片有很大關(guān)系。風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的空氣動(dòng)力噪聲通常由葉片的空氣動(dòng)力特性決定，包括葉片的翼型，扭轉(zhuǎn)、幾何外形等；還與葉片的運(yùn)行狀態(tài)相關(guān)，包括葉片的清潔程度、是否結(jié)冰、以及風(fēng)電機(jī)組的變槳控制策略等。

1.3 通風(fēng)設(shè)備噪聲

通風(fēng)用的風(fēng)扇、散熱器等設(shè)備產(chǎn)生的噪聲。

2 歐洲各國(guó)風(fēng)電機(jī)組輻射噪聲標(biāo)準(zhǔn)

風(fēng)電在歐洲開始早，發(fā)展也較快，并且歐洲各國(guó)普遍存在國(guó)土面積小的問題，所以他們對(duì)于風(fēng)電機(jī)組輻射噪聲的認(rèn)識(shí)和研究開始得也比較早，水平也處于國(guó)際領(lǐng)先。每隔兩年，風(fēng)電機(jī)組噪聲國(guó)際大會(huì) （InternationalConference on Wind Turbine Noise）都會(huì)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(huì)議涉及風(fēng)電機(jī)組噪聲的各個(gè)方面，包括風(fēng)電機(jī)組噪聲的影響，噪聲限值的制定、如何改變?nèi)~片的翼型以降低噪聲、噪聲的測(cè)試、以及噪聲的預(yù)測(cè)等。

歐洲各個(gè)風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家大都根據(jù)自身的情況，制定了本國(guó)的風(fēng)電機(jī)組噪聲輻射限值，下面對(duì)此做簡(jiǎn)單介紹。

2.1 丹麥噪聲輻射標(biāo)準(zhǔn)

早在1991年，丹麥環(huán)境部（Department of Environment）就頒布了風(fēng)電機(jī)組噪聲輻射計(jì)算方法和限值。導(dǎo)則中給出了根據(jù)聲功率級(jí)計(jì)算聲壓級(jí)的計(jì)算方法和不同地區(qū)的限值。

對(duì)于居民住宅區(qū)，風(fēng)電機(jī)組的噪聲影響不得超過45 dB（A）；對(duì)于療養(yǎng)區(qū)和其他噪聲敏感區(qū)域，風(fēng)電機(jī)組的噪聲影響不得超過40 dB（A）。如果風(fēng)電機(jī)組輻射噪聲中有音調(diào)，這個(gè)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(fēng)速為8 m/s（10 m高度）時(shí)。

到了2006年，丹麥環(huán)境署 (Danish Environmental Agency)又頒布了新的風(fēng)電機(jī)組噪聲輻射導(dǎo)則。

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

療養(yǎng)區(qū)：風(fēng)速為8 m/s（10 m高度）時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的噪聲影響不得超過39 dB（A）；風(fēng)速為6 m/s（10 m高度）時(shí)，風(fēng)電機(jī)組的噪聲影響不得超過37 dB（A）。

如果風(fēng)電機(jī)組輻射噪聲中有音調(diào)，這個(gè)限值要下降 5 dB（A）。

2.2 瑞典噪聲輻射標(biāo)準(zhǔn)

瑞典較早的噪聲輻射導(dǎo)則1992年頒布。導(dǎo)則中規(guī)定，風(fēng)速為8 m/s時(shí)，風(fēng)電機(jī)組對(duì)不同類型區(qū)域的最大噪聲影響。

輕工業(yè)區(qū)：50dB；住宅區(qū)：40dB；療養(yǎng)區(qū)：35dB。

2002年，瑞典頒布了新的風(fēng)電機(jī)組噪聲輻射導(dǎo)則。新的導(dǎo)則對(duì)陸上風(fēng)場(chǎng)和海上風(fēng)場(chǎng)分別給出了詳細(xì)的噪聲級(jí)計(jì)算方法?？偟膩碚f，40dB(A)是新導(dǎo)則對(duì)住宅區(qū)風(fēng)電機(jī)組噪聲影響的最大允許聲級(jí)，對(duì)于噪聲敏感區(qū)域，這個(gè)限值還要更加嚴(yán)格。

2.3 德國(guó)噪聲輻射標(biāo)準(zhǔn)

德國(guó)使用風(fēng)電機(jī)組噪聲輻射計(jì)算方法為ISO9613-2 Germany。這是ISO9613-2通用標(biāo)準(zhǔn)的一個(gè)特殊版本，ISO9613-2規(guī)定了室外聲傳播的一般計(jì)算方法。德國(guó)的這個(gè)導(dǎo)則規(guī)定，計(jì)算風(fēng)電機(jī)組噪聲輻射時(shí)，使用的風(fēng)速為風(fēng)電機(jī)組95%額定功率對(duì)應(yīng)的風(fēng)速。通常情況下，在德國(guó)風(fēng)電機(jī)組噪聲輻射影響的最大限值為45 dB，如果噪聲有音調(diào)，需要降低限值，具體數(shù)值由當(dāng)?shù)毓芾聿块T決定。

3 風(fēng)電機(jī)組噪聲檢測(cè)

隨著各個(gè)國(guó)家逐漸意識(shí)到風(fēng)電機(jī)組噪聲輻射對(duì)環(huán)境的影響，并且也都陸續(xù)推出了風(fēng)電機(jī)組噪聲輻射標(biāo)準(zhǔn)，風(fēng)電機(jī)組的噪聲輻射指標(biāo)也成為評(píng)估風(fēng)電機(jī)組的一個(gè)重要參數(shù)。為了保證風(fēng)電機(jī)組噪聲評(píng)估的一致性和結(jié)果的可信性，國(guó)際上頒布了一系列的風(fēng)電機(jī)組噪聲檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)。

1988年，IEA（國(guó)際能源署）頒布了關(guān)于風(fēng)電機(jī)組噪聲測(cè)試的推薦辦法，這是風(fēng)電機(jī)組噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的雛形。1994年，IEA又對(duì)這個(gè)推薦辦法進(jìn)行了改版升級(jí)。1996年，IEC（國(guó)際電工委員會(huì)）頒布了正式的風(fēng)電機(jī)組噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)——IEC 61400-11，ed.1，成為國(guó)際通用標(biāo)準(zhǔn)。2002年，IEC對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)改版，頒布 IEC 61400-11，ed.2；2006 年，IEC 又對(duì)該標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行了修訂，頒布 IEC 61400-11，ed.2.1［3］，這個(gè)標(biāo)準(zhǔn)是當(dāng)今國(guó)際上最新的通用正式標(biāo)準(zhǔn)。

另外，有些國(guó)家還有自己的噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，由多個(gè)國(guó)際風(fēng)電測(cè)試權(quán)威機(jī)構(gòu)組成的國(guó)際風(fēng)能測(cè)試組織（MEASNET）也陸續(xù)頒布過一系列噪聲測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)，但這些標(biāo)準(zhǔn)大都基于IEC 61400-11，只是針對(duì)自身情況稍作修改。下面對(duì)IEC 61400-11，ed.2.1的內(nèi)容做簡(jiǎn)單介紹。

IEC 61400-11，ed.2.1規(guī)范了對(duì)風(fēng)力機(jī)噪聲測(cè)量?jī)x器要求，給出了數(shù)據(jù)采集和處理過程詳細(xì)的步驟，而且對(duì)影響噪聲的非聲學(xué)測(cè)量進(jìn)行了說明，從而保證了聲學(xué)和非聲學(xué)測(cè)量的精確性和一致性。

IEC 61400-11，ed.2.1中規(guī)定的風(fēng)電機(jī)組噪聲測(cè)試內(nèi)容包括：A計(jì)權(quán)視在聲功率級(jí)、1/3倍頻程頻譜和音值（必選測(cè)試內(nèi)容）；指向性、次聲、低頻噪聲和脈沖噪聲等（可選測(cè)試內(nèi)容）。

視在聲功率級(jí)是指與風(fēng)電機(jī)組向下風(fēng)向輻射的能量相同，位置在風(fēng)輪中心的點(diǎn)聲源的A計(jì)權(quán)聲功率級(jí)，通過測(cè)量聲壓級(jí)計(jì)算得到。這個(gè)參數(shù)指示風(fēng)電機(jī)組噪聲輻射能量的絕對(duì)值。

風(fēng)電機(jī)組1/3倍頻程頻譜是指風(fēng)電機(jī)組輻射噪聲的聲壓級(jí)與1/3倍頻程中心頻率的函數(shù)關(guān)系，頻率范圍覆蓋50～10 kHz。這個(gè)指示風(fēng)電機(jī)組噪聲輻射的頻率特性，可以用來分析風(fēng)電機(jī)組的機(jī)械特性，查找故障位置，改善機(jī)械結(jié)構(gòu)。

音值是指音調(diào)附近的臨界帶寬內(nèi)的音調(diào)聲級(jí)與掩蔽聲級(jí)的差，用來評(píng)估風(fēng)電機(jī)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(jié)果要覆蓋到一個(gè)比較寬的風(fēng)速范圍：6 m/s～10 m/s。這里的風(fēng)速都是標(biāo)準(zhǔn)情況下的風(fēng)速：10 m高度，0.05 m地形粗糙長(zhǎng)度，101.3 kPa的大氣壓和288 K的溫度。

標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定，測(cè)試需要同步測(cè)量風(fēng)速和風(fēng)電機(jī)組的輻射噪聲。但是與其他風(fēng)電機(jī)組測(cè)試不同的是，由于噪聲信號(hào)的測(cè)量位置相對(duì)風(fēng)機(jī)較遠(yuǎn)，所以使用常規(guī)的方法來測(cè)量風(fēng)速會(huì)導(dǎo)致風(fēng)速信號(hào)和噪聲信號(hào)的不同步。標(biāo)準(zhǔn)中給出了一個(gè)方法來得到風(fēng)速，并且規(guī)定進(jìn)行型式試驗(yàn)的風(fēng)電機(jī)組噪聲測(cè)試必須使用這種方法。即，同步測(cè)試風(fēng)電機(jī)組的輸出功率和風(fēng)電機(jī)組的輻射噪聲，然后通過功率曲線將輸出功率轉(zhuǎn)化為風(fēng)速信號(hào)，以實(shí)現(xiàn)信號(hào)的同步。

圖1是一個(gè)的風(fēng)電機(jī)組噪聲的音值檢測(cè)結(jié)果?？梢钥吹?，某些頻率成分非常突出，這樣的噪聲持續(xù)輻射會(huì)給人帶來很大的煩惱，影響人的心情和健康。

圖1 風(fēng)電機(jī)組噪聲的音值檢測(cè)結(jié)果

4 結(jié)論

風(fēng)電機(jī)組的輻射噪聲對(duì)人的健康影響很大，國(guó)外其他風(fēng)電發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)此認(rèn)識(shí)和研究較早，并且很早就制定了相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)。國(guó)內(nèi)的風(fēng)電發(fā)展對(duì)此認(rèn)識(shí)一直不足，研究和檢測(cè)相對(duì)滯后，目前也沒有就此制定針對(duì)性的標(biāo)準(zhǔn)。但是隨著風(fēng)電裝機(jī)容量的迅速增加，關(guān)于風(fēng)電機(jī)組噪聲擾民的投訴也在不斷增多，并且還會(huì)越來越多。這種投訴在一定程度上會(huì)影響風(fēng)電的發(fā)展。

國(guó)內(nèi)的風(fēng)電行業(yè)和環(huán)境行業(yè)應(yīng)當(dāng)及早對(duì)風(fēng)電機(jī)組的噪聲輻射提起重視，開展相關(guān)的研究和檢測(cè)，并且制定噪聲排放的標(biāo)準(zhǔn)，以尋求風(fēng)電發(fā)展和噪聲防護(hù)的平衡點(diǎn)，保證風(fēng)電行業(yè)健康發(fā)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.