载荷风况的影响因素及统计分析

载荷风况也是微观选址要考虑的重要内容，地形复杂的风场尤为突出。载荷风况不直接反映在发电量上，但是对风力发电机的载荷却起到决定性作用。载荷风况可以比喻为汽车行驶在颠簸的山路上，每次颠簸都将增加汽车受力部件的载荷，增加维修成本的同时还可能严重地缩短汽车的使用寿命。风是不可见的，其波动性和随机性之于风力发电机就相当于颠簸的道路之于汽车。因此降低风力发电机的载荷可以降低维修成本，确保风力发电机的服役期达到20年的设计寿命，同时减少由于维修停机造成的发电量损失。

除了平均风速和空气密度外，影响风力发电机载荷的风况主要有：

1.湍流强度TI

湍流强度用来表征风速波动的剧烈程度。显然，风速波动越大，对风力发电机的机械结构冲击越大，造成的载荷也越大。实际上，风力发电机的载荷随着湍流强度增加而指数增长。IEC标准定义了不同等级的湍流强度工况，因此湍流强度还是风力发电机选型的依据之一。

湍流强度的精确计算通常较为困难，测风塔的实测湍流强度也不能代表整个风场全部区域。复杂风场中，测风塔的实测湍流强度通常低估了多数风力发电机遭遇的湍流强度。因为测风塔往往安装在地势开阔的地方，既符合测风塔选址的代表性要求，也便于施工，而这些地方的湍流强度是相对较低的。另外，测风塔的实测湍流强度是没有风力发电机尾流影响的背景湍流。为了控制湍流强度，必须合理设计风力发电机的排布间距。

通常风场地形地貌越复杂，湍流强度越大。有时可以从障碍物的遮蔽效应出发定性地分析某一点位的湍流强度，把很多地形地貌特征都假设成障碍物的形式。

最后值得一提的是，风资源评估工作存在着各种不确定性，因此应该是趋于保守的，这点在评估湍流强度时同样适用。

图3-11 入流角α示意图

2.入流角(www.xing528.com)

入流风向与水平面的夹角称为入流角，如图3-11所示。水平轴风力发电机的理想入流角为0°，即风水平吹。入流角主要由地形坡度决定，通常坡度越大，入流角越大。和湍流强度一样，入流角也会严重影响风力发电机的关键受力部件的载荷，尤其是主轴传动链。另外，入流角的存在还可能降低风力发电机的发电量。

IEC61400-1（2005第三版）对入流角的情形进行了描述，认为平均风流的入流角不应超过8°，且假设入流角与高度无关。

从入流角的角度出发，风力发电机在任何主导风向条件下都不应排布在山坡上，而应该在山顶或山脊背上。当然对于地形坡度波动较小的简单地形，要求并不那样严格。坡度大的复杂地形山顶上或断崖上同样容易发生入流角过大的情形，必须予以规避。

3.风剪切

通常，风力发电机叶轮面顶部的风速高于底部，桨叶每次旋转周期都因此而前后弯折，造成材料的疲劳损伤，而风剪切的大小在很大程度上决定了桨叶弯折的猛烈程度。

在复杂的风场中，风速的垂直轮廓变得复杂，引起额外的脱离流，进而增加湍流强度。同时还可能发生负剪切的情形，即叶轮面底部的风速大于叶轮面顶部。这是更加危险的，甚至可能发生叶片撞击塔筒的严重后果。

4.极端风况

风力发电机的载荷分为疲劳载荷和极端载荷两种工况。极端载荷发生概率很低，但是一旦发生则破坏性极强，因此应该予以足够的重视。极端载荷显然是由极端风况造成，主要包括极端风速和极端湍流，且一般以50年一遇的概率进行统计。