孫玉萍,汪春林,李萬潤

(1.蘭州理工大學土木工程學院,甘肅 蘭州 730050; 2.蘭州理工大學防震減災研究所,甘肅 蘭州 730050)

隨著全球工業(yè)化和機械化的日益推進,能源短缺問題逐漸凸顯,新能源的開發(fā)和利用成為各國關注的焦點。風能作為自然界中最常見的自然資源,應用也更加廣泛,其主要應用于風力發(fā)電。當前,對于風電機組塔筒結構的研究主要側重于結構的地震響應[1-2]、結構性能[3]、結構疲勞損傷分析[4-5]以及結構的動力特性分析[6-9]等。風電塔筒結構由于日照作用會產生變形、溫度應力及附加應力,因此,溫度效應是影響塔筒性能的重要因素之一。在風電塔筒結構設計階段,為了分析結構的溫度效應,需要掌握露天情況下塔筒結構的溫度場分布以及隨時間的變化情況。然而,相關的參考數(shù)據(jù)較為缺乏,規(guī)范中也沒有明確的計算方法。

鑒于此,以甘肅民勤風電場風電塔筒為研究對象,通過監(jiān)測系統(tǒng)對塔筒的溫度場進行實時記錄。根據(jù)實測溫度數(shù)據(jù)統(tǒng)計結果,研究了風電塔筒的溫度變化規(guī)律及塔筒與環(huán)境之間溫差的分布特性,并建立了風電塔筒溫度及溫差的概率分布模型。研究成果可為深入研究風電塔筒的溫度效應提供依據(jù),并為我國風電塔筒的全壽命設計提供重要的基礎數(shù)據(jù)和分析方法。

1 監(jiān)測斷面與測點布置

監(jiān)測塔筒位于甘肅民勤風電場,為2.0 MW低溫型電勵磁直驅風電機組,測試塔筒為圓筒+圓錐形管狀結構,由低合金結構鋼Q345E組成,具有充足的剛強度,可以承擔作用在葉片、塔筒上的力以及葉片轉動引起的振動載荷。每段塔筒間通過法蘭連接,具有很好的安全性。塔筒高度83 m,葉輪直徑106 m,塔頂外徑2.7 m,塔底外徑4.0 m,額定風速10 m/s,額定轉速15 r/min。為研究風電塔筒結構的溫度分布特性,對風電場中的N18、N61、N70、N92及N108這5臺風電機組進行了監(jiān)測,在每個塔筒內壁及塔筒外部分別安裝了2個溫度傳感器。風電機組塔筒結構及溫度傳感器測點布置示意圖如圖1所示。

圖1 溫度傳感器測點布置Fig.1 Temperature sensor measuring point arrangement

2 數(shù)據(jù)預處理

選取監(jiān)測塔筒2015年10月—2016年10月的溫度實測數(shù)據(jù)進行分析。由于傳感器自身的因素,監(jiān)測到的數(shù)據(jù)可能存在異常,需要選擇能夠反映塔筒日溫度變化的典型溫度數(shù)據(jù)進行分析(將異常數(shù)據(jù)從分析數(shù)據(jù)中剔除),如圖2所示。測試中溫度傳感器所使用的采樣頻率為0.1 Hz,由于采集的數(shù)據(jù)量比較大,且在短時段內溫度變化不明顯,以5 min為基本時距對采集到的溫度數(shù)據(jù)取平均值,用平均值代表此時段的溫度值。監(jiān)測塔筒溫度實測曲線如圖3所示。由圖3可以看出:塔筒溫度夏季高冬季低,具有顯著的季節(jié)特征;實測塔筒最高溫度為46 ℃,最低溫度為-24 ℃;實測環(huán)境最高溫度為36 ℃,最低溫度為-17 ℃;實測晝夜溫差最大為25 ℃,月溫差最大為38 ℃,年溫差最大達到70 ℃以上。

圖2 塔筒溫度實測數(shù)據(jù)的選取Fig.2 Temperature measurement data selection of wind turbine tower

圖3 塔筒溫度實測曲線Fig.3 Temperature measured curve of wind turbine tower

2.1 溫度統(tǒng)計分析

利用實測得到的數(shù)據(jù)對未知參數(shù)作最小二乘擬合,進而建立關于塔筒溫度的概率密度統(tǒng)計分析模型。用Mi代替第i個月的溫度數(shù)據(jù),Qi代替第i個季度的溫度數(shù)據(jù),Y代替整年的實測溫度數(shù)據(jù)。選取2015年12月溫度樣本TM12、春季溫度樣本TQ1及年溫度樣本TY,檢驗其是否服從統(tǒng)一分布。TM12與TQ1,TQ1與TY,TY與TM12的累加分布函數(shù)如圖4所示。圖4顯示:TM12、TQ1與TY具有相同的累加分布函數(shù)。對監(jiān)測塔筒的月溫度、季溫度及年溫度樣本在顯著性水平為0.05條件下進行Kolmogarov-Smirnov檢驗,判定3個樣本是否為同一分布。結果顯示,TM12與TQ1,TQ1與TY,TY與TM12的檢驗結果均為0,接受服從同一分布假設。

圖4 監(jiān)測塔筒溫度樣本的累加分布函數(shù)Fig.4 Cumulative distribution function of temperature samples of the measuring wind turbine tower

對監(jiān)測塔筒的月溫度、季溫度及年溫度樣本進行統(tǒng)計分析,對檢測數(shù)據(jù)采用各種概率分布模型做擬合優(yōu)度比較發(fā)現(xiàn),監(jiān)測塔筒的月溫度、季溫度及年溫度的概率統(tǒng)計特性均可以選用2個高斯分布的加權來表達,其概率密度表達式為

(1)

其中:fN(T,μi,σi)為變量為T、均值為μi、標準差為σi的正態(tài)分布函數(shù);αi為第i個正態(tài)分布函數(shù)的權重;μi、σi和αi(i=1,2,…,n)為待估計參數(shù),此處n=2。

塔筒月溫度數(shù)據(jù)、季溫度數(shù)據(jù)及年溫度數(shù)據(jù)的概率密度柱狀圖及非線性回歸曲線如圖5所示。由圖5可知,擬合曲線可以精確地描述塔筒溫度的概率統(tǒng)計特性。對計算得到的溫度概率密度曲線參數(shù)估計值進行K-S檢驗,結果均能通過顯著性水平為0.05的K-S檢驗。

圖5 塔筒月溫度數(shù)據(jù)、季溫度數(shù)據(jù)及年溫度數(shù)據(jù)的概率密度柱狀圖及非線性回歸曲線Fig.5 Histogram of probability density and nonlinear regression curve of monthly,quarterly, yearly temperature data of the wind turbine tower

2.2 溫度標準值

我國《風力發(fā)電機組塔架》、《風力發(fā)電場設計技術規(guī)范》及《風力機設計通用要求》等規(guī)范對溫度作用并沒有相應的要求,溫度標準值的確定參考了歐洲鋼結構設計標準的規(guī)定,即

(2)

其中:f(T)為溫差T的概率密度函數(shù);N為實測數(shù)據(jù)數(shù)量;T為實際溫度;T0為給定溫差標準值;P為超越概率(T>T0的概率)。

將超越概率值P代入式(2),可以求出塔筒溫度的標準值。利用估計的年溫度概率密度函數(shù)可以解出溫度作用標準值的最大值與最小值。通過求解得到其最大值為65.41 ℃,最小值為-30.03 ℃,溫度作用標準值的最大值與最小值之差為95.44 ℃。塔筒結構材料為鋼結構,溫度對其作用明顯,故在塔筒設計時需要考慮溫度作用。

3 塔筒溫差監(jiān)測結果及分析

選取風場5臺風電機組塔筒溫度數(shù)據(jù),計算塔筒溫度與環(huán)境溫度之間的溫差,取其正溫差樣本進行分析。塔筒溫度與環(huán)境溫度正溫差的實測曲線如圖6所示。通過對各種擬合模型的比較,可用1個Weibull分布來表達塔筒正溫差的概率統(tǒng)計,概率密度方程為

圖6 塔筒溫度與環(huán)境溫度正溫差的實測曲線Fig.6 The measured curve of the temperature difference between tower temperature and ambient temperature

(3)

其中:T為溫差;α、β、μ為待估參數(shù)。

塔筒溫度與環(huán)境溫度正溫差的概率密度柱狀圖、擬合曲線以及概率密度曲線參數(shù)估計值如圖7所示。圖7中擬合曲線可以精確地反映塔筒正溫差的概率統(tǒng)計和參數(shù)α、β、μ的數(shù)值,并通過式(2)得到塔筒50年一遇的塔筒與環(huán)境溫差的最大值為32.53 ℃。

圖7 塔筒溫度與環(huán)境溫度正溫差的概率密度柱狀圖、擬合曲線及概率密度曲線參數(shù)α、β、μFig.7 Probability density histogram and fitted curve of positive temperature difference between tower temperature and ambient temperature,and the parametersα、β、μ of probability density

4 結論

基于民勤風電場風塔的溫度長期在線監(jiān)測數(shù)據(jù),研究了塔筒結構的溫度變化規(guī)律。利用數(shù)學統(tǒng)計分析法得到塔筒溫度的變化特征,塔筒溫度與環(huán)境溫度之間的溫差模型。

監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示:風電塔筒溫度存在明顯的晝夜起伏現(xiàn)象;塔筒溫度夏季高冬季低,具有顯著的季節(jié)特征。風電塔筒的月溫度、季溫度以及年溫度均可以通過2個正態(tài)分布函數(shù)的加權和來描述其概率分布。通過極值分析得到塔筒50年一遇的溫度作用標準值的最大值為65.41 ℃,最小值為-30.03 ℃,年最大溫差達到90 ℃以上。風電塔筒的塔筒溫度與環(huán)境溫度之間的正溫差可以通過一個Weibull分布函數(shù)來描述其概率分布。通過極值分析得到塔筒50年一遇的塔筒與環(huán)境溫差的正溫差標準值的最大值為32.53 ℃。

研究結論只是針對甘肅民勤風電場的溫度實測數(shù)據(jù)得出的,僅對其他不同太陽輻射地區(qū)的風電塔筒溫度分布特征提供一個參考,具體還有待大量的現(xiàn)場實測和分析積累,這也是今后努力的方向。