題目：風電機組功率、噪聲與大氣穩定性的關係
關鍵詞：風力發電；噪聲；大氣穩定性；風速剖面；聲音波動；
1 中文摘要
針對大型風電機組，可以透過在輪轂高度測量的風速與在標準大氣中預期的風速的比較來證明大氣穩定性對風切變有顯著影響，相對於中性大氣，大氣穩定性大大增加了發電量。
由於大氣穩定性導致的風切變的增加也對聲發射產生了顯著影響，使其大大高於近地風速和中性大氣的預測，從而對鄰近居民造成更大的噪聲影響。本文提出了減輕噪聲影響的措施，如(1)可以用近地風速或聲級作為控制輸入來控制轉速;(2)不斷調整旋轉葉片的槳距角度來減少聲音的波動（“撞擊聲”）;(3)加入俯仰角的隨機變化，模擬白天大規模湍流波動的影響來防止夜間由於多臺風電機組的顛簸重合而產生更強的波動。
2 關鍵資訊提取
2.1 大氣穩定性對噪聲的影響
通常，輪轂高度可用的風能是根據其他高度的風速計算得到的。與風能有關的對數風廓線的修改常常被忽視，理由是低風速範圍相對不重要。近年來，隨著風電機組高度的增加，大氣穩定性作為風能的決定因素倍受關注。
為了研究大氣穩定性對風的影響，進而對發電量和噪聲的影響，由荷蘭皇家氣象研究所的Bosveld博士提供了位於荷蘭西部Cabauw的氣象研究站的資料。透過氣象研究站的資料，研究分析了風速切變、切變和地面熱通量、風向切變、穩定性的普遍性等問題。
將Cabauw氣象站的資料應用於Vestas V80-2MW風電機組，可以研究大氣穩定性對風電機組功率和噪聲的影響。由製造商提供最高（105.1 dB(A)）和最低（100.1 dB(A)）聲功率曲線的資料。
全年平均值在圖9的右側用大符號表示：根據實測風速計算為598kW，根據外推風速計算為495kW。這相當於年可利用率別為30%和25%。
風電機組在聲功率最低101·0 dB(A)時機組執行時的功率，其中最適合功率曲線（最小和最大功率之間）年平均發電量為569kW，相當於28%的年負荷係數。
4dB的聲級差意味著每年的發電量減少了6%。
為了計算聲功率級LW與輪轂高度風速V80的函式，將105·1 dB(A)聲功率級曲線近似為四次多項式：
使用實際和對數外推（從10米）風速繪製了每個時鐘小時的結果，如圖10。
在1987年的平均值中，白天的聲功率級被高估了0.5dB，夜晚的聲功率級被低估了2dB。
聲功率級為101·0 dB(A)時，最佳的四次多項式擬合（4 < V80 < 12 m/s）為：
對比4 < V80 < 12m/s、V80 > 12m/s，LW，hp = 105dB(A) 和 6 < V80 < 12 m/s，LW，hp = 101dB(A)時，聲功率級比相同風速下的高功率設定平均低3dB。
2.2 降噪措施
為處理風電機組由於增加大氣穩定性而產生的“附加”聲音。探討兩類緩解措施：將聲級降低到環境噪音的相關（法定）限制；減少由於葉片嗖嗖/重擊造成的聲級變化。
2.2.1 控制聲級排放
將聲排放級被限制在一個取決於10米風速或環境聲級的值（應該取決於強風下的10米風速）。風電機組在輪轂高度風速下執行，但必須由10米的風速控制。為了降低給定風輪的聲級，可以降低旋轉速度。這意味著風電機組的效率較低，考慮到噪聲的產生，需找到一個最優方案。
2.2.2 減少聲級波動
當大氣變得穩定時，由於葉片的攻角發生變化，在旋轉過程中，葉片後緣的湍流層厚度會發生變化，特別是當葉片經過桅杆時，由於桅杆的存在，風速仍然較低，從而產生波動聲。在風力發電場中，兩個或多個機組產生的增加的脈動變化可能同時發生，從而產生更高的波動。
（1）調節槳距角
當葉片在垂直平面上旋轉時，最佳槳距角由風速與葉片轉速之比決定。轉速是徑向距離（從輪轂）的函式，葉片節距隨葉片長度而變化，並且在葉尖處最低。離地面較近的風速通常較低，如果槳距保持不變，攻角在一個旋轉內會發生變化。對於H=100m，D=70m,R=20rpm的風電機組，這種變化（相對於輪轂高度）在不穩定的大氣中約為0.5°，在非常穩定的大氣中增加到近2°。在塔前面的攻角會有進一步的變化（大約2°）。在高尖端，迎角變化在- 0.3°（不穩定）到-1.7°（非常穩定）之間。
透過調整槳葉角度以適應當地的風速，可以在旋轉葉片的各個位置實現最佳的進風攻角。當槳葉向上運動時，槳距增大，當槳葉向下運動時，槳距減小。這種槳距的連續變化在直升機技術中是常見的。如果迎角的變化可以減少到1°或更小，葉片嗖嗖聲將有小於2dB的變化。
（2）改變風輪俯仰角
如果風輪向後傾斜，則葉片元件在向下衝程時向前移動，在向上衝程時向後移動，從而在風的方向上具有變化的速度分量。當葉片旋轉時，迎角會發生變化，因為氣流角取決於葉片的位置。從幾何角度考慮，傾斜角必須非常大，才能產生近似恆定的迎角：當傾斜角超過20°時，風輪傾斜角可以補償低尖端1°的迎角變化。
如此大幅度的傾斜具有一定缺點，因為它減少了與風垂直的風輪面，並誘導了平行於風輪面的流動分量（再次改變了流入角）。因此，增加傾斜度似乎不是減少波動水平的有效方法。
（3）風電機組不同步
當大氣變得穩定時，大尺度湍流變得更弱，風速在更遠的距離上更加連貫。風電場中的不同機組暴露在變化較小的風中，並且機組的近同步可能導致兩個或更多機組的葉片節拍在風電場附近的觀察者中重合，從而產生更高的脈衝水平。為了使渦輪機在這種情況下不同步，可以透過單獨模擬每個機組機葉片俯俯角的小而隨機的波動來模擬大氣湍流引起的隨機變化。
3 結論
（1）各向陸區白天低層大氣邊界層切變指數為0.1 ~ 0.2，對應的風速比V80/V10為1.25 ~ 1.5。相關的風廓線與低粗糙度（低植被）對數風廓線預測的風廓線相當。在夜間，剪下指數的變化範圍更大，可達1，更多的是在0.25 ~ 0.7之間，這意味著V80/V10的比值在1.7 ~ 4.3之間變化。故高空風速比10米風速的對數外推所期望的要高得多。
（2）夜間的高風切變是非常常見的，必須被視為溫帶和陸地夜間大氣的標準特徵。事實上，大氣層只有一小部分時間是中性的：在強風和/或重雲的時候。其餘部分要麼是穩定的（太陽下山），要麼是不穩定的（太陽昇起）。
（3）就風電機組而言，對夜間高海拔風速的低估已經被白天高海拔風速的高估所補償。這可能部分解釋了為什麼大氣穩定性不被認為是風電機組的一個重要決定因素，而是被視為一個“小擾動”。為了評估風電機組的功率和噪聲，應該放棄使用中性風廓線，它產生的資料與現實不一致。
（4）在現有的風電機組中，可以透過降低風輪的轉速來降低聲發射。當噪聲限制是單個最大聲排放水平時，這實際上規定了給定機組的最小距離，並且沒有進一步的法律義務來控制。其他情況下，控制策略將取決於法律強制限制是來自10米風速還是環境背景聲級相關限制。以10米風速或背景聲級作為控制系統輸入，槳距或轉子轉速為被控引數。在這兩種情況下，必須選擇一個合適的地方來測量輸入引數。對於背景聲級作為輸入，可能需要使用兩個或多個輸入，以儘量減少本地（近麥克風）聲音的影響。在相對安靜的地區，這可能是最好的策略，因為它控制著一個重要的影響引數：高於背景或風電機組聲音的侵入性水平。
（5）夜間風電機組噪聲的一個明顯特徵是它的砰砰聲。即使聲發射水平沒有改變，也可以透過消除由於葉片經過塔而產生的節奏來減少煩惱。同樣，較低的轉速將有助於降低整體水平，包括脈衝水平。一個更好的解決方案是不斷改變槳距，在每次旋轉中根據當地情況調整攻角。從能量的角度來看，這也是一個優勢，因為它最佳化了每個風輪角度的升力，並且它將減少伴隨聲脈衝的葉片上的額外機械負荷。
（6）當聲音的脈衝特性由於風電場中幾個風電機組的聲音相互作用而增強時，可以透過在葉片槳葉上新增小的隨機變化來消除這種變化，模仿不穩定大氣中湍流施加的隨機變化。