风力涡轮机引起的海洋变化

在之前的一篇博客中，我们讨论过风力涡轮机噪声这个话题。虽然研究人员对风电场产生噪声的研究还存在争议，但我们发现了一种能降低这些嘈杂的涡轮机噪声的方法，就是将涡轮机放在近海域，这样就听不到它们的声音，而且近海域更有规律的大风可以更加高效的产生能源。然而，我们立即会想到另一个问题：海上风电场对海洋生物有什么影响？

海上风电的力量和前景

自从1991年在丹麦海岸建成第一个海上风电场以来，海上风电就越来越受欢迎。在仅过了20多年后的2012年底，欧盟从海上风电场获得的电力足以为大约500 万个家庭供电。根据欧洲风能协会的一份报告，在未来十年，海上风电场的发电量预计将占欧盟电力消耗的近五分之一，从 2013 年的约 6.04GW 跃升至 2030 年的超过 150GW。

位于丹麦哥本哈根和瑞典马尔默之间的奥雷桑德的风车公园。图片来源：Ziad, Wikipedia Commons.

随着风力发电的飓增，工程师们被召集起来调查海上涡轮机可能对海洋生物产生的影响。Xi Engineering Consultants 公司的 Brett Marmo、Iain Roberts 和 Mark-Paul Buckingham 在最近为苏格兰政府做的一份报告中，调查了不同类型的风力涡轮机基座如何影响从涡轮机传播到海里的振动，以及这些振动如何影响周围的海洋生物。参与该项目的还有苏格兰海洋部门的 Ian Davies 和 Kate Brookes，他们根据提交给苏格兰政府申请许可的涡轮机类型，帮助确定了正在研究的水深、涡轮机尺寸和涡轮机模型的基座类型。此外， Davies 和 Brookes 还帮助确定了最有可能受到海上风电影响的海洋物种。

我最近就这个项目采访了 Brett Marmo。“在我们的研究中，探索了不同的基座如何影响海上涡轮机产生的噪声，以及这种噪声是不是大到可以被海洋生物听到，”Marmo 解释说，“我们研究了三个不同的风力涡轮机基座，并考察了噪声对当地各种类型的鲸鱼、鼠海豚、海豹、海豚、鳟鱼和鲑鱼可能产生的影响。”

模拟海上风电产生的噪声

海上涡轮机产生的振动从塔架传播到涡轮机基座，并以噪声的形式释放到周围的海洋环境中。“由于噪声是在基座和海水之间的界面发出的，噪声的强度和频率很可能会随着使用的基座类型而变化，”Marmo 解释说，“利用有限元分析，我们模拟了三个基座结构不同但其他参数均相同的风力涡轮机”。

在下图中，你可以看到三种最常见的基座类型：重力式基座、导管架基座和单桩基座。在 50m 或更深的水中，一般使用导管架和重力式基座，而超过 30m 的深度一般不适合使用单桩基座。由于这些基座的结构、材料和尺寸不同，通过基座传播的振动也表现得非常不同，导致产生不同频率和声压级（SPL）的噪声。

图中显示了三种不同类型的基座：坐落在海底的重力式基座结构（左），用针桩销连接到海床的支架式基座)（中），以及用过渡件连接在海床上的单桩（右）。

“通过仿真，我们能够对相同工作条件下的基座产生的噪声进行建模，这是我们仅通过在役风力发电机进行测量所无法实现的，” Marmo 说，“如果没有仿真，这些涡轮机所经历的不同环境和风载荷将使我们很难确定是否真的是基座影响了产生的噪声，而不是另一个无法解释的变量。”

在深入研究仿真结果之前，我们首先来探讨一下噪声来自哪里。风力涡轮机的噪声可能来自两个地方；空气动力噪声是由叶片在空气中划过产生的，而机械噪声是因齿轮箱中的机械产生的。由于空气和水之间的巨大折射差异，几乎所有由叶片产生的噪声都会从水面反射回来，不会进入海洋环境。

因此，大部分噪声是由涡轮机的齿轮箱和传动系统中的旋转不平衡、齿轮啮合、叶片通过以及发电机中的磁极和定子之间的电磁效应产生的机械振动造成的。这些噪声源中的每一个都会产生不同频率的振动，然后顺着涡轮机极板传到基底。以下表格列出了产生的噪声的不同频率及其来源的：

	频率
转子转动不平衡	0.05 – 0.5 Hz
齿轮箱和发电机之间的高速轴旋转不平衡	10 – 50 Hz
齿轮齿啮合	8 – 1000 Hz
发电机中的电磁相互作用	50 – 2000 Hz

可能包含风力涡轮机驱动系统产生的振动音调的频段。表格由Xi Engineering公司提供，改编自他们的报告。.

一旦振动进入基座，发出的噪声的振幅就会受到激振力大小、结构共振频率和结构中阻尼量的影响。此外，更高的风速会导致作用在转子上的扭矩增加，这可能意味着会产生更高的噪声。

“了解阻尼的影响——结构中振动能量的耗散，是我们项目中进行的关键分析之一，”Marmo 介绍道，“一般来说，像导管架基座这样的钢结构比那些用颗粒材料建造的结构，比如用混凝土建造的重力基座的阻尼要小。因此，在结构内发生的内部阻尼量将影响不同结构发出的噪声。为了确定这些因素如何影响产生的噪声，Marmo 和团队选择使用 COMSOL Multiphysics 进行模拟。

水下的声学和声音传播

噪声是在风力涡轮机基座和海水的界面上发生的，在这个界面，基座的振动使水分子振荡，产生压力波，以声音的形式从基座辐射出去。当声音从基座传播到更远的地方时，几何扩散和吸收降低了声音的强度，高频率的声音吸收得较快，低频率的声音吸收得较慢，因此传播得更远。

Marmo 在三种不同的风速（5m/s、10m/s 和 15m/s）下分别分析了三种基座，发现通常情况下，风速越高，产生的噪声越大。下图是三种基座在 15m/s 的风速下，在不同频率的平均声压级比较。

在低于 180Hz 的频率下，单桩产生的噪声最大。在三种基座中，单桩在 500Hz 以下能产生较大的声压级值。在600 Hz附近，三种基座的（30m）平均 30m SPL 大小相当；当频率超过 700Hz 时，导管架基座的声压级随着频率上升，成为最嘈杂的噪声。

如图所示，在低频（约 200Hz 和更低）时，导管架基座的声压级是三者中最低的。然而，在高频率下，单桩产生的声压级最高。单桩和重力式基座在低频时的声压级大小相当，在高频时，重力式基座产生的声压级是三个底座中最低的。下面的图片显示了在基座产生最大噪声的频率下，三种基座周围的声压级。

Marmo 和团队还创建了一个远场模型，使用高斯光束追踪模型来分析包含 16 台涡轮机的风电场在多远的距离可以被听到。如上所述，低频的声音往往比高频的声音传播得更远。此外，环境噪声可以掩盖风力涡轮机产生的声音，使它们几乎无法被听到。这一点 Marmo 在分析中也考虑到了。

“我们发现，每个不同的基座会在不同的频率产生最大的远场声音，”Marmo 描述道，“在 10 和 15m/s 的风速下，单桩和重力式基座在 800Hz 以下的大多数频率下产生的声音，至少在18公里外可以听到，而导管架基座在 10 公里外的 250Hz，和至少在 18 公里外的 630Hz 产生的声音都可以听到。”以下是对这些结果的总结：

海洋物种对海上风力涡轮机的噪声检测

该项目的下一步是确定海洋物种能够探测到声音的频率和距离。每种不同的基座类型在不同的强度和频率下会发出不同的声压级。由于各种海洋动物有不同的听觉阈值，这一点也必须被考虑在内。

Cormac Booth 和 Stephanie King 是圣安德鲁斯大学（t St. Andrews University）海洋哺乳动物研究小组（SMRU Marine））关键的海洋生物学家，他们分析了不同海洋物种的听力阈值，并确定产生的噪声是否会影响动物的行为。

海豚、小须鲸、鼠海豚和海豹的听力阈值。

在所调查的物种中，小须鲸在低频（低于 2000Hz）下的听觉最灵敏，能够从最远的地方听到涡轮机的声音。“我们预测，小须鲸将能够在 800Hz 以下的大多数频率和所有三种风速下检测到 18 公里以外的由单桩或重力式基座建造的风电场。”Marmo 说，“另一方面，宽吻海豚和鼠海豚对低频不太敏感。海豚可以在风速超过 10ms 时检测到 4 公里外的重力式基座上的风电场，但只能在不到 1 公里的近距离内检测到导管架和单桩”。

查看 Marmo 报告中发现的一个结果示例发现，它显示了不同风速和频率下海豹的听阈：

确定行为反应更难预测。Booth 和 King 使用一个感觉参数，估计了每个物种的听觉阈值的上限和下限范围。然后，他们确定了在一定的声压范围内，预计有多少比例的动物会远离涡轮机。

预测海豹物种和瓶鼻海豚都不会对任何运行中的风力涡轮机方案下产生的声音表现出行为反应。然而，在大约 4 公里和 13 公里之间，10% 的小须鲸遇到单桩基座产生的噪声场，预计会离开。总的来说，与重力和单桩基座相比，导管架基座似乎产生了最低的海洋哺乳动物影响范围。

这对海上风力发电的未来意味着什么？Marmo 和他的团队的报告发现，风力涡轮机的噪声对海洋物种几乎没有不利的影响。尽管仍然需要进行更多的研究，但这些发现表明，海上风电的未来是积极的。

其他资源和拓展阅读

• 浏览Xi Engineering公司的完整报告： “减轻风力涡轮机的音调噪声“
• “海上风电可能提供欧盟五分之一的电力“
• 查看资源:Cape Wind, 一个拟建的农场，可能会成为美国第一个海上风力发电场