桂 青

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

風(fēng)電場(chǎng)噪聲的預(yù)測(cè)模型

桂 青

（上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，上海 200434）

本文采用浙江大學(xué)對(duì)NASA修正模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，綜合考慮葉片后緣形狀影響、Ka系數(shù)的頻譜修正、指向性系數(shù)等因素，建立了聲源輻射指向性預(yù)測(cè)模型。根據(jù)對(duì)某一風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果可知，當(dāng)噪聲預(yù)測(cè)點(diǎn)距離風(fēng)電機(jī)組較遠(yuǎn)（水平距離大于2倍風(fēng)輪半徑）時(shí)，預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)值擬合系數(shù)達(dá)到0.95以上，預(yù)測(cè)效果較好，因此NASA修正模型能較好地預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)的噪聲水平。

風(fēng)電場(chǎng)；噪聲預(yù)測(cè)；NASA修正模型；指向性系數(shù)

21世紀(jì)以來(lái)，能源危機(jī)成為全球化的重點(diǎn)、難點(diǎn)問(wèn)題，尋求可再生資源成為各國(guó)能源開(kāi)發(fā)關(guān)注的焦點(diǎn)。風(fēng)能資源具有可再生、可循環(huán)、可持續(xù)、無(wú)污染的特點(diǎn)，具有較好的經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)價(jià)值，是未來(lái)可再生資源的重點(diǎn)發(fā)展方向之一，日益受到各國(guó)資源開(kāi)發(fā)管理部門(mén)的重視[1]。風(fēng)力發(fā)電是我國(guó)能源發(fā)展戰(zhàn)略和調(diào)整電力結(jié)構(gòu)的重要措施之一，國(guó)家發(fā)展與改革委員會(huì)提出了到2020年全國(guó)建設(shè)2.1億kW風(fēng)電裝機(jī)的目標(biāo)[2-3]。然而，風(fēng)電機(jī)組運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中會(huì)形成氣動(dòng)噪聲，產(chǎn)生風(fēng)電場(chǎng)噪聲污染，進(jìn)而對(duì)周邊居民生活、工作等方面造成不同程度的影響[4]。

目前，我國(guó)在環(huán)評(píng)噪聲預(yù)測(cè)中多采用單一的、非指向性的點(diǎn)聲源預(yù)測(cè)模式，預(yù)測(cè)模型及結(jié)果常常受到質(zhì)疑。本文采用浙江大學(xué)對(duì)NASA修正模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，綜合考慮葉片后緣形狀影響、Ka系數(shù)的頻譜修正、指向性系數(shù)等因素，建立了聲源輻射指向性預(yù)測(cè)模型[5]，并以某一風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例驗(yàn)證其合理性。

1 模型研究

1.1 模型簡(jiǎn)介

風(fēng)電噪聲污染主要來(lái)自于風(fēng)電機(jī)組葉片轉(zhuǎn)動(dòng)，而風(fēng)電機(jī)組機(jī)械噪聲值相對(duì)較小，因此風(fēng)電機(jī)組噪聲預(yù)測(cè)時(shí)通常僅考慮葉片氣動(dòng)噪聲。美國(guó)航空航天局（National Aeronautics and Space Administration，NASA）通過(guò)FW-H方程頻域求解方式研究開(kāi)發(fā)了一種風(fēng)電機(jī)組噪聲預(yù)測(cè)模型，我國(guó)浙江大學(xué)以該模型為研究開(kāi)發(fā)基礎(chǔ)和技術(shù)預(yù)測(cè)平臺(tái)，針對(duì)我國(guó)自主生產(chǎn)的風(fēng)電機(jī)組工作運(yùn)轉(zhuǎn)特性，對(duì)NASA風(fēng)電噪聲模型進(jìn)行修正和調(diào)試，研發(fā)出適合我國(guó)風(fēng)電機(jī)組噪聲輻射特性的噪聲預(yù)測(cè)模型。

1.2 基本形式

在NASA模型中，風(fēng)電機(jī)組的氣動(dòng)噪聲包括吸入湍流噪聲、湍流邊界層噪聲以及脫落渦噪聲。

1.2.1 吸入湍流噪聲

吸入湍流噪聲的計(jì)算公式為：

SPLa,1/3(f)表示吸入湍流噪聲1/3倍頻程頻帶聲壓級(jí)，f為1/3倍頻程中心頻率，B為葉片數(shù)量，φ為輪縠中心與預(yù)測(cè)點(diǎn)連線和風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)平面間的夾角。ρ為空氣密度，C0.7為0.7倍風(fēng)輪半徑處的葉片弦長(zhǎng)，R為風(fēng)輪半徑，σ2為平均湍流強(qiáng)度，U0.7為0.7倍風(fēng)輪半徑處的自由層速率，r0為輪縠中心到預(yù)測(cè)點(diǎn)的直線距離，c0為聲速，S為斯特勞哈爾數(shù)，S=16.6，h為輪轂高度，Ka(f)為與頻率相關(guān)的比例因子。

fpeak=SU0.7/(h-0.7R)當(dāng)f=fpeak時(shí)，Ka(f)達(dá)到最大值。

1.2.2 湍流邊界層噪聲

湍流邊界層噪聲的計(jì)算公式為：

SPLb,1/3(f)表示吸入湍流噪聲1/3倍頻程頻帶聲壓級(jí)，U為自由層速率，δ為邊界層厚度，l為葉片單元的翼展，S為斯特勞哈爾數(shù)，S=fδ/U，Smax=0.1，Kb為比例因子，Kb=5.5。

指向性因數(shù)的計(jì)算公式為：

D為指向性因數(shù)，θ為聲源與預(yù)測(cè)點(diǎn)連線與其風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)平面間的夾角，M為翼展馬赫數(shù)，Mc為對(duì)流馬赫數(shù)，Mc=0.8M。

1.2.3 脫落渦噪聲

脫落渦噪聲的計(jì)算公式為：

SPLc,1/3(f)表示吸入湍流噪聲1/3倍頻程頻帶聲壓級(jí)，t為葉片邊緣厚度，ψ為聲源與預(yù)測(cè)點(diǎn)連線與風(fēng)葉轉(zhuǎn)動(dòng)平面水平投影間的夾角，Kc(f)為與頻率相關(guān)的比例因子。

1.2.4 聲級(jí)疊加

聲級(jí)疊加的計(jì)算公式為：

1.3 模型修正

NASA模型數(shù)據(jù)來(lái)源于MOD-2風(fēng)電機(jī)組，而MOD-2風(fēng)電機(jī)組含有兩片鈍形后緣的葉片，但隨著可再生資源生產(chǎn)技術(shù)的日益進(jìn)步，風(fēng)力發(fā)電技術(shù)的成熟，風(fēng)電機(jī)組葉片在其設(shè)計(jì)、生產(chǎn)、制造等方面上有了較大創(chuàng)新，我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)目前使用三片尖形后緣葉片的風(fēng)電機(jī)組。較兩片鈍形后緣的葉片，三片尖形后緣葉片在漿尖處有所改進(jìn)，葉片輻射噪聲有所降低。因此需要對(duì)NASA模型進(jìn)行修正，以符合我國(guó)風(fēng)電機(jī)組噪聲預(yù)測(cè)。

（1）葉片后緣形狀影響修正

根據(jù)圖1可知，風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的脫落渦噪聲的頻率范圍相對(duì)于吸入湍流噪聲和湍流邊界層噪聲較窄，僅在高頻段產(chǎn)生一個(gè)峰值。這個(gè)峰值主要由風(fēng)電機(jī)組鈍形后緣的葉片產(chǎn)生，而我國(guó)風(fēng)電場(chǎng)使用的三片尖形后緣葉片產(chǎn)生的脫落渦噪聲并不明顯，在噪聲預(yù)測(cè)中可將脫落渦噪聲忽略。

圖1 NASA模型中三部分噪聲貢獻(xiàn)值示意圖

（2）Ka系數(shù)的頻譜修正

NASA模型采用中的MOD-2風(fēng)電機(jī)組額定功率2.5 MW，輪轂高度61 m，轉(zhuǎn)輪直徑91.4 m，測(cè)量時(shí)葉片轉(zhuǎn)速0.59 HZ，形成了吸入湍流噪聲中的Ka(f)曲線。而我國(guó)自主研發(fā)的風(fēng)電機(jī)組額定功率在1 MW～2.5 MW之間，由3片葉片組裝而成，與MOD-2風(fēng)電機(jī)組在葉片數(shù)量、翼型形狀、葉片表面粗糙度、葉片材質(zhì)存在差異，致使產(chǎn)生的葉片輻射噪聲和頻譜有所差異。

根據(jù)如東風(fēng)電機(jī)組（額定功率1.5 MW）的現(xiàn)場(chǎng)噪聲監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，對(duì)吸入湍流噪聲公式中的Ka(f)曲線進(jìn)行修正，如圖2所示。

圖2 修正前后的Ka(f)曲線

（3）指向性系數(shù)

在NASA預(yù)測(cè)模型中，噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果僅與測(cè)點(diǎn)位置到聲源的距離有關(guān)，與所處風(fēng)向無(wú)關(guān)。而實(shí)際現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)中，上風(fēng)向測(cè)點(diǎn)與下風(fēng)向測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)結(jié)果有所差異，通常情況下，上風(fēng)向測(cè)點(diǎn)監(jiān)測(cè)值較下風(fēng)向監(jiān)測(cè)值低。因此，需對(duì)模型中指向性系數(shù)進(jìn)行修正。

LA,P為修正前P點(diǎn)A聲級(jí)，L'A,P為修正后P點(diǎn)A聲級(jí)，LA,Q為ɑ=0°方向距塔基水平距離d處Q點(diǎn)修正前A聲級(jí)。

1.4 預(yù)測(cè)工況及源強(qiáng)

1.4.1 預(yù)測(cè)工況

根據(jù)崇明縣侯家鎮(zhèn)氣象臺(tái)有關(guān)資料統(tǒng)計(jì)，區(qū)域年主導(dǎo)風(fēng)向?yàn)闁|南風(fēng)，多年平均風(fēng)速2.8～3.2 m/s。建設(shè)單位提供的某風(fēng)電場(chǎng)年運(yùn)行負(fù)荷情況如表1所示。由表可知，風(fēng)機(jī)不運(yùn)行工況概率為14.45%，風(fēng)機(jī)年運(yùn)行負(fù)荷小于20%工況概率為38.01%，風(fēng)機(jī)負(fù)荷介于20%和40%工況之間概率為20.56%，風(fēng)機(jī)負(fù)荷介于40%和60%工況之間概率為9.80%，風(fēng)機(jī)負(fù)荷介于60%和80%工況之間概率為6.52%，風(fēng)機(jī)負(fù)荷大于80%工況概率為10.66%，最不利工況出現(xiàn)概率較小。

1.4.2 源強(qiáng)分析

設(shè)備廠商提供了風(fēng)機(jī)超過(guò)額定風(fēng)速運(yùn)行（滿負(fù)荷）工況下的風(fēng)機(jī)噪聲源強(qiáng)。最不利工況下（風(fēng)速12 m/s及以上），如表2所示，風(fēng)機(jī)輪轂及葉輪處噪聲值為102 dB(A)，通風(fēng)設(shè)備處噪聲值為86 dB(A)。

1.4.3 聲源指向性指數(shù)

考慮到順風(fēng)有利于聲傳播，上風(fēng)向噪聲小于下風(fēng)向噪聲的實(shí)際情況，聲源指向性指數(shù)計(jì)算時(shí)，取ɑ=0°進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算得到聲源指向性指數(shù)為0.31。

1.4.4 計(jì)算參數(shù)

風(fēng)力發(fā)電輪轂高度90 m，葉片直徑121.5 m，90 m高度處空氣密度為1.208 kg/m3，80 m及以上處15 m/s風(fēng)速區(qū)間湍流強(qiáng)度（參考70 m高度值）不超過(guò)0.10。

2 模型預(yù)測(cè)值與實(shí)測(cè)值比較

滿負(fù)荷運(yùn)行工況下，不同距離條件下風(fēng)機(jī)噪聲實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)結(jié)果如表3所示，其中預(yù)測(cè)結(jié)果是在預(yù)測(cè)值的基礎(chǔ)上疊加了背景值。將滿負(fù)荷運(yùn)行工況下噪聲實(shí)測(cè)結(jié)果與噪聲預(yù)測(cè)結(jié)果進(jìn)行對(duì)比分析[6]。從圖3、圖4可以看出，不論是晝間還是夜間，風(fēng)機(jī)噪聲實(shí)際測(cè)量值與預(yù)測(cè)值差異均隨距離增大逐漸減小，在距離風(fēng)電機(jī)組150 m以上時(shí)，實(shí)際測(cè)量得出的風(fēng)機(jī)噪聲隨距離衰減變化趨勢(shì)同預(yù)測(cè)結(jié)果幾乎一致。而距風(fēng)機(jī)1 m、100 m處風(fēng)機(jī)晝間實(shí)際測(cè)量值與預(yù)測(cè)值相差較大，其可能與近場(chǎng)區(qū)噪聲受多種因素影響有關(guān)，修正模型預(yù)測(cè)效果有限。當(dāng)噪聲預(yù)測(cè)點(diǎn)距離風(fēng)電機(jī)組較遠(yuǎn)（水平距離大于2倍風(fēng)輪半徑）時(shí)，預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)值擬合系數(shù)達(dá)到0.95以上，預(yù)測(cè)效果較好，因此NASA修正模型能較好地預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)噪聲水平。

表1 風(fēng)機(jī)年運(yùn)行負(fù)荷情況(2015.7～2016.2)

表2 最不利工況下風(fēng)機(jī)噪聲源強(qiáng)

表3 不同距離條件下風(fēng)機(jī)噪聲實(shí)測(cè)和預(yù)測(cè)結(jié)果

圖3 風(fēng)機(jī)晝間噪聲隨距離衰減變化趨勢(shì)

圖4 風(fēng)機(jī)夜間噪聲隨距離衰減變化趨勢(shì)

3 結(jié)語(yǔ)

本文采用浙江大學(xué)對(duì)NASA修正模型進(jìn)行預(yù)測(cè)，綜合考慮葉片后緣形狀影響、Ka系數(shù)的頻譜修正、指向性系數(shù)等因素，建立了聲源輻射指向性預(yù)測(cè)模型，并以某一風(fēng)電場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)為例驗(yàn)證其合理性。根據(jù)風(fēng)電機(jī)組噪聲的實(shí)際監(jiān)測(cè)結(jié)果，當(dāng)噪聲預(yù)測(cè)點(diǎn)距離風(fēng)電機(jī)組較遠(yuǎn)（水平距離大于2倍風(fēng)輪半徑）時(shí)，預(yù)測(cè)值與監(jiān)測(cè)值擬合系數(shù)達(dá)到0.95以上，預(yù)測(cè)效果較好，因此NASA修正模型能較好地預(yù)測(cè)風(fēng)電場(chǎng)遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)噪聲水平。

1 徐 婧.風(fēng)電機(jī)組噪聲預(yù)測(cè)[D].杭州：浙江大學(xué)，2012.

2 國(guó)家發(fā)展改革委委員會(huì).可再生能源中長(zhǎng)期發(fā)展規(guī)劃[Z]，2016.

3 中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì).2010年中國(guó)風(fēng)電裝機(jī)容量統(tǒng)計(jì)[R].北京：中國(guó)可再生能源學(xué)會(huì)風(fēng)能專業(yè)委員會(huì)，2011.

4 魏 楨，鄧院昌，楊正浩.基于Elman神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的風(fēng)電場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)模型[J].水電能源科學(xué)，2015，5（33）：204-206．

5 仇 豐，廖琦琛，丁明明，等.風(fēng)電場(chǎng)噪聲預(yù)測(cè)模型[J].噪聲與振動(dòng)控制，2012，（2）：118-122．

6 上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司.北堡二期風(fēng)電場(chǎng)項(xiàng)目環(huán)境影響報(bào)告表[R].上海：上?？睖y(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，2016.

Predictive model of wind farm noise

Gui Qing
(Shanghai Investigation Design and Research Institute Co., Ltd., Shanghai 200434, China)

The modified NASA model by Zhejiang University was applied for prediction of wind turbine generator noise.Noise prediction model is established by considering the influence of wind turbines with trailing edges，modification of parameter Ka and directivity index.According to the measured noise data of domestic operating wind turbine sets，when the distance between rotor center and receiver is greater than 2 times the rotor blade radius, the difference between the measurement values and the predicted values of the modified model is small（Fitting coefficient＞0.95）.So the modified NASA model had a better prediction accuracy for far noise distribution in wind power field.

wind farm; noise prediction; NASA correction model; directivity coefficient

TM614

A

1008-9500(2017)06-0099-04

2017-04-10

桂青(1984-)，女，安徽蕪湖人，工程師，從事環(huán)境影響評(píng)價(jià)工作。