| 文章作者：梁志强 莫银锋 李添宾（深圳文德风能技术有限公司）
2007年06月20日 |
摘要
随着对环境污染极重的化石能源在人类疯狂开采下逐步枯竭，环境污染带来的负面影
响逐渐显现出来，人类的环保意识不断加强，开始重视对可再生能源的利用。伴随新技术、
新材料的应用，风能已成为目前技术较成熟、最具有规模开发价值的清洁能源。风是一种自
然现象，如同其它自然现象，给人类带来福利，也带来灾害。风虽然是取之不尽的丰富能源，
同时，台风蕴含的巨大能量也会带来严重破坏，其发生频率远高于地震灾害，故其累积损失
也高于地震灾害。台风究竟是如何对结构物造成损坏？实在值得我们去探究，所以本文将讨
论风力对结构物的影响，并就风的物理特性、设备结构所受风静载荷、动载荷的力学效应，
及防风结构设计作概略性的探讨。
1 台风的形成
风的形成乃是空气流动的结果，空气流动所形成的动能称为风能，风能是
太阳能的一种转化形式。台风实际上是强列的热带气旋，是发生在热带海洋上的
强烈、暖性低压天气系统，热带气旋的生成和发展需要巨大的能量，因此它形成
于高温、高湿和其它气象条件适宜的热带洋面。据统计，除南大西洋外，全球的
热带海洋上都有热带气旋生成。
每年到了夏、秋两季，北半球的热带海面，气温常高达27℃以上，大量的
海水蒸发到了空中，会发展成一个低气压中心，使周围的冷空气不断流入下方补
充空位，形成了个逆时针旋转的空气旋涡；只要气温不下降，这个空气旋涡就会
越来强大，最后就成为热带气旋。与温带气旋一样，在北半球热带气旋中的气流
绕中心呈逆时针方向旋转，在南半球则相反。
2 台风的主要特点
台风具有强烈上升运动，一边绕自己的中心急速旋转，一边随周围大气向
前移动，中心附近最大风力达到12 级以上的暖性低压强烈天气系统。直径通常
为500—1000 公里左右，最大可达2000 公里，最小仅160 公里。中心气压平均
在950 毫巴以下，最低可为887 毫巴。
台风由大风区、暴雨区、风眼三部分构成。生命史可分为生成、成熟和消
亡三个阶段。其生命期一般可达一周以上，有的热带气旋在外界环境有利的情况
下生命期可超过两周。当热带气旋登陆或北移到较高纬度的海域时，因失去了其
赖以生存的高温高湿条件，会很快消亡。
袭击我国的是在靠近赤道的西太平洋上生成的台风，经常在5—10 月袭击
我国，平均每年约6 次，其中7—9 三个月最多。
3 台风对风力发电机组的破坏机理
有人估算，一个中等强度的台风所释放的能量相当于上百个氢弹释放能量
的总和。可想而知，如果不采取有效防范措施，台风蕴涵的巨大自然能量将给风
力发电机组带来毁灭性破坏。台风对风力发电机组的破坏机理主要是对设备结构
施加静载荷和动载荷叠加效应。
3.1 台风对设备结构的静载荷效应
风压的存在，可由流体力学中的柏努利定理来说明。简单的说就是风速大时
风压小，风速小时风压大。因此当风的流动遇到物体而受阻时，风速变小，向风
面风压升高，流经结构后在背风面通常产生紊流，使风速局部升高而风压降低，
对背风面造成吸力（见图一），如此前后相加的效果，就形成了牵引力，对向风
面及背风面也各自形成了压力及吸力。压力、吸力或牵引力的大小，与结构物的
形状有关（风向与结构的相对角度影响也很大，不同角度时其形状则不同），并
与风速的平方成正比，因此一个面积上的总风压可用形状系数、风速平方及面积
三者的乘积来表示。台风影响设备时，设备结构所受风压静力与空气密度和风速
有关，台风时空气密度很大，风速有时高达70 米/秒，因此，如果设备不能降低
受风面积，极易超过设计载荷极限，使设备遭到破坏。
3.2 风对设备结构的动载荷动力效应
台风除了施加静载荷外，还施加动载荷，动载荷主要由湍流引起。湍流是指
风速、风向及其垂直分量的迅速扰动，或不规律性。湍流在很大程度上取决于环
境的粗糙度、地层稳定性和障碍物。在台风的特性与风场内复杂的丘陵地表共同
作用下形成湍流团，由于受动量守恒和能量守恒的制约，在湍流区域有较大的气
流混合与能量转换活动，给区域内的设备造成破坏。结构受风也会引起与风向垂
直的振动。当风速达到某一数值时，结构的背风面即产生方向相反的两组湍流顺
风而下，这两组湍流交替产生（见图二）， 在产生湍流的一侧，因风速局部提
高而压力降低，故对结构体有一吸引力，其主要分力与风向垂直；当另一侧产生
湍流时，其吸力方向几乎相反。因此，对设备结构形成周期性激荡，如湍流产生
的周期恰好与风力发电机组固有振动周期相
近时，设备结构就产生横向的共振，最终导致破坏设备。有的横向振动与某些结
构形状有关，矩形断面结构在受风压情形下，如偶尔向横向某一侧运动，其所受
风压会增大向该一侧的运动，另一侧向亦然。沿风向的振动通常不是持续周期性
的，但是横风向的振动一旦发生，特别是柔性的结构及某些断面形状下一旦有横
向的振动就会越振越烈，并接近叶片和塔架的固有频率形成共振，不断给设备施
图1 背风面产生方向相反的两组涡流
图2 作用在设备上方向相反的湍流
加疲劳载荷，使材料由外及内损伤或失效，最后达到或超过叶片和塔架的设计载
荷极限，轻则引起部件机械磨损，缩短风力发电机组的寿命，严重的使叶片损坏
及塔架倾倒。总之，台风对风力发电机组的破坏往往是多种因素共同作用的结果，
台风的破坏机理还需要进一步观察研究，风力发电机组防台风工作任重道远，需
要各学科的交叉研究配合才能做到更好。
4 台风对风力发电机组的破坏
4.1 台风夹带的细小沙砾造成破坏叶片表面，轻则影响叶片气动性能，产生噪
音，严重的将因此破坏叶片表面强韧性由此降低叶片整体强度；
4.2 台风带来的狂风暴雨对输电线路的破坏非常严重，轻则使其出现小故障，
重则损坏设备以及导致整个系统崩溃。因不能正常供电使风力发电机组不能执行
安全保护程序，给设备带来危害；
4.3 目前多数风力发电机组仍是采用构造简单、价格低廉、测量精度差的杯式
风速仪和后尾舵式风向仪测量风速风向，并根据它的模拟信号调整风机叶片功角
和调整对风情况。台风所蕴含的巨大能量往往把测风装置破坏（如图三），使风
力发电机组不能正确偏航避风，给风力发电机组带来很大危害；
4.4 台风施加在设备上的静力效应和动力效应共同作用下不断施加疲劳载荷，
最后达到或者超过叶片和塔架的设计载荷极限，轻则引起部件机械磨损，缩短风
力发电机组的寿命，严重的使叶片损坏及塔架倾覆（如图四）。例如，较早前印
度和日本曾有大批风力发电机组在台风袭击下连根倾翻，给风电场造成严重损
图3 台风对测风仪器的破坏
图4 台风对叶片的破坏失。
5 台风的预防措施
为了充分利用风能资源，减少台风给风电场带来的损失，我们在分析研究了
台风的破坏机理后根据现有技术提出以下几点可行性高的防范措施并且部分技
术改造方案已在现有或将要建设的风力发电机组上投入试验：
5.1 风力发电机组微观选址的前期预防
风力发电机组尽量在风机高度范围内风垂直切变值及地面粗糙度都较小，各种风况
下都不容易形成湍流的地方安装；
5.2 供电可靠确保设备安全保护程序有效
只有在供电正常的情况下设备安全保护程序才能发挥应有作用，确保安全运
行。由于现在开发设计的大型风力发电机组的偏航系统都是实行主动偏航，程序
设计是在风速正常的时候对风保证采能最大化，风速超过额定风速时避风实现采
能最小化。如果在台风等大风情况下停止供电，机组因此而不能够执行偏航避风
的安全指令使叶轮处于避风自由状态，将导致设备与台风湍流频率形成共振，最
终损坏设备。供电可靠分输电线路可靠和供电电源可靠。输电线路分场外线路和
场内线路，由于风电场一般建在离用电负荷中心较远的风资源较丰富的地方，考
虑到电力传输的性价比，因此，场外大多采用电压等级较高的高压架空线。为了
确保输电可靠，设计输电线路时应充分考虑台风施加在杆塔和线路上的力学效应
及杂物破坏，尽量提高供电的可靠性。场内集电线路在条件允许的情况下，最好
使用电缆沟敷设地埋电缆，也应充分考虑山洪和泥石流对线路的破坏。场内应有
紧急备用电源，确保对风力发电机组不间断供电；
5.3 装备性能优良的测风设备
性能可靠的测风仪器是提高风能利用率和机组安全运行的保证。使用受风面
积小、不易受破坏且能精确测量风速、风向的红外超声波感应仪，它能不间断的
向风机控制系统提供可靠的风速、风向等气象数据，在保证设备合理采能及安全
运行的同时还能收集台风信息，积累丰富的现场第一手资料为研究和防范台风做
资料储备；
5.4 选用强度高的叶片材料
由于现在的风力发电机组趋势是单机容量增加，相应的叶片长度也在增加，综合
运行维护等因素考虑，强度高、质量轻、价格目前相对较贵的碳纤维增强型塑料
是大型风力发电机组叶片的首选填充材料。
5.5 强度监测、优化运行
由于大型风力发电机组的叶片作为机组采能核心占整机造价的比重较高，且
运输和更换困难，如何提高叶片使用寿命是风电行业必须面对的重要议题。在叶
片上设置具有检测作用的光导纤维，将它收集到的信息传递给监控系统，这样运
行人员就能时时了解它的载荷、温度、被伤害和疲劳程度，根据实际情况，及时
维修并对其优化合理地“使用”，既降低了维护费用也延长了使用寿命。
5.6 提高设计水平
科学合理的设计、科学合理的选择制造材料和科学的加工工艺是风力发电机
组不受台风破坏的重要保证。提高整体设计水平特别是叶片设计，在保证叶片的
气动性能和造价的同时兼顾强度和防止产生共振，提高抵抗以上所述极端恶劣情
况的能力，是风力发电机组安全可靠运行的先决条件。
我们在亲身经历了2003 年台风“杜鹃”带来的破坏教训后，积极组织专家到现场讨
论研究，为避免以后同类事故的再次发生积累了丰富经验，并已根据实际情况做出
了有效的预防措施。
参 考 文 献：
《风电场工程设计技术手册》 作者 宫靖远 等
《谈谈台湾区的防风工程设计》 作者 茅声焘
《复合材料在风力发电上的应用》作者 赵稼祥
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