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臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的危害及對(duì)策

作者:李添賓 梁志強(qiáng) 莫銀鋒  
評(píng)論: 更新日期:2011年06月17日

 摘要:隨著對(duì)環(huán)境污染極重的化石能源在人類瘋狂開采下逐步枯竭,環(huán)境污染帶來的負(fù)面影響逐漸顯現(xiàn)出來,人類的環(huán)保意識(shí)不斷加強(qiáng),開始重視對(duì)可再生能源的利用。伴隨新技術(shù)新材料的應(yīng)用,風(fēng)能已成為目前技術(shù)較成熟、最具有規(guī)模開發(fā)價(jià)值的清潔能源。風(fēng)是一種自然現(xiàn)象,如同其它自然現(xiàn)象,給人類帶來福利,也帶來災(zāi)害。風(fēng)雖然是取之不盡的豐富能源同時(shí),臺(tái)風(fēng)蘊(yùn)含的巨大能量也會(huì)帶來嚴(yán)重破壞,其發(fā)生頻率遠(yuǎn)高于地震災(zāi)害,故其累積損失也高于地震災(zāi)害。臺(tái)風(fēng)究竟是如何對(duì)結(jié)構(gòu)物造成損壞?實(shí)在值得我們?nèi)ヌ骄?,所以本文將討論風(fēng)力對(duì)結(jié)構(gòu)物的影響,并就風(fēng)的物理特性、設(shè)備結(jié)構(gòu)所受風(fēng)靜載荷、動(dòng)載荷的力學(xué)效應(yīng)及防風(fēng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)作概略性的探討。 
  
  1臺(tái)風(fēng)的形成
  
  風(fēng)的形成乃是空氣流動(dòng)的結(jié)果,空氣流動(dòng)所形成的動(dòng)能稱為風(fēng)能,風(fēng)能是太陽能的一種轉(zhuǎn)化形式。臺(tái)風(fēng)實(shí)際上是強(qiáng)列的熱帶氣旋,是發(fā)生在熱帶海洋上的強(qiáng)烈、暖性低壓天氣系統(tǒng),熱帶氣旋的生成和發(fā)展需要巨大的能量,因此它形成于高溫、高濕和其它氣象條件適宜的熱帶洋面。據(jù)統(tǒng)計(jì),除南大西洋外,全球的熱帶海洋上都有熱帶氣旋生成。每年到了夏、秋兩季,北半球的熱帶海面,氣溫常高達(dá)27℃以上,大量的海水蒸發(fā)到了空中,會(huì)發(fā)展成一個(gè)低氣壓中心,使周圍的冷空氣不斷流入下方補(bǔ)充空位,形成了個(gè)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)的空氣旋渦;只要?dú)鉁夭幌陆?,這個(gè)空氣旋渦就會(huì)越來強(qiáng)大,最后就成為熱帶氣旋。與溫帶氣旋一樣,在北半球熱帶氣旋中的氣流繞中心呈逆時(shí)針方向旋轉(zhuǎn),在南半球則相反。
  
  2臺(tái)風(fēng)的主要特點(diǎn)
  
  臺(tái)風(fēng)具有強(qiáng)烈上升運(yùn)動(dòng),一邊繞自己的中心急速旋轉(zhuǎn),一邊隨周圍大氣向前移動(dòng),中心附近最大風(fēng)力達(dá)到12級(jí)以上的暖性低壓強(qiáng)烈天氣系統(tǒng)。直徑通常為500—1000公里左右,最大可達(dá)2000公里,最小僅160公里。中心氣壓平均在950毫巴以下,最低可為887毫巴。臺(tái)風(fēng)由大風(fēng)區(qū)、暴雨區(qū)、風(fēng)眼三部分構(gòu)成。生命史可分為生成、成熟和消亡三個(gè)階段。其生命期一般可達(dá)一周以上,有的熱帶氣旋在外界環(huán)境有利的情況下生命期可超過兩周。當(dāng)熱帶氣旋登陸或北移到較高緯度的海域時(shí),因失去了其賴以生存的高溫高濕條件,會(huì)很快消亡。襲擊我國的是在靠近赤道的西太平洋上生成的臺(tái)風(fēng),經(jīng)常在5—10月襲擊我國,平均每年約6次,其中7—9三個(gè)月最多。
  
  3臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的破壞機(jī)理
  
  有人估算,一個(gè)中等強(qiáng)度的臺(tái)風(fēng)所釋放的能量相當(dāng)于上百個(gè)氫彈釋放能量的總和??上攵绻徊扇∮行Х婪洞胧?,臺(tái)風(fēng)蘊(yùn)涵的巨大自然能量將給風(fēng)力發(fā)電機(jī)組帶來毀滅性破壞。臺(tái)風(fēng)對(duì)風(fēng)力發(fā)電機(jī)組的破壞機(jī)理主要是對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)施加靜載荷和動(dòng)載荷疊加效應(yīng)。
  
  3.1臺(tái)風(fēng)對(duì)設(shè)備結(jié)構(gòu)的靜載荷效應(yīng)
  
  風(fēng)壓的存在,可由流體力學(xué)中的柏努利定理來說明。簡單的說就是風(fēng)速大時(shí)風(fēng)壓小,風(fēng)速小時(shí)風(fēng)壓大。因此當(dāng)風(fēng)的流動(dòng)遇到物體而受阻時(shí),風(fēng)速變小,向風(fēng)面風(fēng)壓升高,流經(jīng)結(jié)構(gòu)后在背風(fēng)面通常產(chǎn)生紊流,使風(fēng)速局部升高而風(fēng)壓降低對(duì)背風(fēng)面造成吸力(見圖一),
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  如此前后相加的效果,就形成了牽引力,對(duì)向風(fēng)面及背風(fēng)面也各自形成了壓力及吸力。壓力、吸力或牽引力的大小,與結(jié)構(gòu)物的形狀有關(guān)(風(fēng)向與結(jié)構(gòu)的相對(duì)角度影響也很大,不同角度時(shí)其形狀則不同),并與風(fēng)速的平方成正比,因此一個(gè)面積上的總風(fēng)壓可用形狀系數(shù)、風(fēng)速平方及面積三者的乘積來表示。臺(tái)風(fēng)影響設(shè)備時(shí),設(shè)備結(jié)構(gòu)所受風(fēng)壓靜力與空氣密度和風(fēng)速有關(guān),臺(tái)風(fēng)時(shí)空氣密度很大,風(fēng)速有時(shí)高達(dá)70米/秒,因此,如果設(shè)備不能降低受風(fēng)面積,極易超過設(shè)計(jì)載荷極限,使設(shè)備遭到破壞。

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