一种有效降低海上风电机组次声对海洋生物影响的方法及装置

摘要

本发明公开了一种有效降低海上风电机组次声对海洋生物影响的方法及装置。装置包括：控制器；位于风电机组叶片与海平面间的空间内且由上至下依次设置的次级扬声器阵列、误差传感器阵列和雾化器阵列，其中次级扬声器阵列与误差传感器阵列一一对应；以及海平面探测器；次级扬声器阵列、误差传感器阵列、雾化器阵列和海平面探测器均连接并受控于多通道有源自适应控制器。本发明将有源消声技术和喷雾消声技术联合使用用于风电机组次声控制，有效降低风电机组产生的次声对海洋生物的影响。

说明书

技术领域

本发明属于次声控制和海洋环境保护领域，具体涉及一种可有效降低 海上风电机组次声对海洋生物影响的方法及装置。

背景技术

风能具有可再生、永不枯竭、清洁无污染等特点，是开发技术最为成 熟的可再生能源之一，对缓解能源危机具有十分重要的作用。然而，由于 陆上风力资源不稳定、风电场址有限等因素，陆上风电的发展越来越受到 制约。与陆上风电相比，海上风力资源更为丰富，并且在海上发展风电项 目具有节约土地资源、风速稳定、紊流小、视觉影响小等陆上风电不可比 拟的优势，因而开发海上风电将是未来风电发展的重要方向。

风电机组运行时不仅辐射以低频声能为主的噪声，而且还会产生频率 为0～20Hz的次声。随着海上风电产业的发展，人们开始关注次声对海洋 生物的影响。特别是近年来，随着海上风电技术日益成熟，海上风电机组 单机容量越来越高，风叶直径不断增大，风电选址逐渐由浅海向更深的海 区发展，次声对海洋生物的影响不容忽视。众所周知，许多海洋动物依靠 敏锐的听觉和复杂的发声系统进行日常活动和交流，包括导航、觅食、交 配、逃避天敌等。与人类不同，一些海洋动物的发声、交流频段处于次声 波段，如文献记录表明，蓝鲸和长须鲸的发声信号频率为10～20Hz。海洋 次声环境的改变，可能会对依靠次声进行交流的海洋动物产生一系列不利 影响，包括干扰个体间的通讯导致母仔失联、交配失败，无法探测天敌导 致种群数量减少等。此外，次声的频率还可能与某些海洋动物器官的固有 频率相近，容易与海洋动物器官发生共振，从而对海洋动物产生不利的影 响。

由于次声频率低，波长长，相比于高频声其在传播过程中衰减较慢， 且很难被隔离，因而传统降噪措施(如吸声、隔声、阻尼减振等)对风电 机组次声的控制效果十分有限。

本发明为弥补传统被动降噪方法的不足，拟采用对低频声(含次声) 控制效果较好的有源消声技术和喷雾消声技术来降低风电机组次声的影 响。有源消声技术的原理是通过控制源产生一个与原始声信号频率相同但 相位恰好相反的声音，并将其与原始声信号叠加，使两者互相抵消，从而 达到降低指定区域内声能量的目的。喷雾消声技术则是通过喷雾不断改变 声传播介质声阻抗，通过增加声波的反射和散射降低入射到指定区域内的 声能量。目前，有源消声技术已经有了丰富的理论和实验基础，并且在变 压器、管道等噪声控制中有了大量的应用，而喷雾消声技术也在对排气温 度要求高的气流噪声控制领域得到应用，然而，上述技术在风电机组次声 控制领域的应用(特别是联合应用)还未见报道。

发明内容

针对风电机组运行时产生的次声对海洋生物的影响，本发明提供一种 有效降低海上风电机组次声对海洋生物影响的方法及装置。

一种有效降低海上风电机组次声对海洋生物影响的装置，包括：

控制器；

位于风电机组叶片与海平面间的空间内且由上至下依次设置的次级 扬声器阵列、误差传感器阵列和雾化器阵列，其中次级扬声器阵列与误差 传感器阵列一一对应；

以及海平面探测器；

次级扬声器阵列、误差传感器阵列、雾化器阵列和海平面探测器均连 接并受控于控制器。

所述控制器采用有源消声领域常用控制器，优选采用多通道有源自适 应控制器。

所述次级扬声器阵列主要用于产生和风电机组次声频率相同、相位相 反的次声，从而使两者发生相消干涉，相互抵消，达到降低指定区域内次 声能量的目的，设置在风电机组叶片下方、海平面上方距海平面一定距离 的平面上。

优选地，所述次级扬声器阵列由若干次级扬声器均匀排列而成，次级 扬声器阵列中相邻次级扬声器间的距离小于等于次声最大频率所对应波 长的一半。

所述误差传感器阵列主要用于采集误差信号。误差传感器阵列由一系 列次声传感器组成，位于所述次级扬声器阵列下方，与所述次级扬声器阵 列一一对应，通过控制器对次级扬声器阵列的控制，使所述误差传感器阵 列的声压平方和最小。为防止风噪声对所述次声传感器的影响，要求选用 抗风噪性能较好的次声传感器。同时，所述次级扬声器阵列和误差传感器 阵列要求具有较好的抗腐蚀性能。

所述雾化器阵列由一系列雾化器组成，位于所述误差传感器下方一定 距离处。雾化器阵列可直接将海水雾化，利用水雾对次声波的反射和散射 有效减少入射到海洋中的次声能量。雾化器阵列的布置形式可多样化，只 要满足能在海平面之上一定空间范围内产生均匀水雾即可。优选地，本发 明为方便起见，将所述雾化器阵列与次级扬声器阵列、误差传感器阵列一 一对应布置。

雾化器阵列高度可控以保证其始终位于海平面之上一定距离处，不被 海水浸没。雾化器基本不产生额外的次声、低频噪声(或相对于风电机组 产生的次声和低频噪声可忽略)，并且具有良好的抗腐蚀性能，所述雾化 器阵列可直接以海水为水源，通过加压产生均匀水雾。

为便于次级扬声器阵列、误差传感器阵列及雾化器阵列的安装，还设 有用于安装对应的次级扬声器、误差传感器和雾化器的若干支撑杆。

所述海平面探测器主要用于探测海平面高度，并将信号传输给多通道 有源自适应控制器。所述海平面探测器的核心部件为压力传感器，安装于 海平面下方一定距离处，压力传感器与控制器之间通过无线通信连接，压 力传感器通过感测压力的变化获得海平面高度变化数据，无线传输给控制 器。

文献研究结果表明，次级声源越接近初级声源，有源消声的控制效果 越好。同时，由于海洋环境高湿度、高盐雾的特性，为减小腐蚀，所述次 级扬声器、误差传感器优选位于海洋大气区(海洋环境由上至下可分为海 洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区5个区)。 基于以上两点，在不碰到风电机组叶片情况下，所述次级扬声器阵列、误 差传感器阵列设置的越高越好，且所述次级扬声器阵列、误差传感器阵列 间的距离设为1m。需要说明的是，所述次级扬声器阵列、误差传感器阵 列的间距存在一个最佳值，一般需要通过实验确定，可在实际应用中进行 相应的调整。此外，本发明要求选用抗腐蚀性能好的次级扬声器和误差传 感器，并对所述支撑杆进行防腐处理，优选地，可对所述支撑杆采取涂料 防护，要求所述涂料具有良好的耐候性，干膜总厚度≥560μm，特别地， 对于处在海水全浸区及以下部分的支撑杆可进一步采取阴极保护措施。

本发明的工作原理为：所述次级扬声器阵列和所述误差传感器阵列一 一对应排列，与所述多通道有源自适应控制器一起构成虚拟声屏障。所述 误差传感器阵列位于所述次级扬声器阵列下方，用于采集误差信号，并将 误差信号馈给所述多通道有源自适应控制器。所述多通道有源自适应控制 器基于接收到的误差信号进行多通道自适应计算生成控制信号，控制所述 次级扬声器阵列的输出。所述次级扬声器阵列接收所述多通道有源自适应 控制器发出的控制信号并产生相应的次声信号与风电机组产生的次声场 相互抵消，从而达到降低风电机组产生的入射到海洋中的次声能量的目 的。同时，在误差传感器阵列下方一定距离处设置雾化器阵列，直接将海 水雾化，利用水雾对次声波的反射和散射，进一步有效减少入射到海洋中 的次声能量，从而减小次声对海洋生物的影响。所述雾化器阵列高度同样 受多通道有源自适应控制器控制，可随海平面探测器探测到的海平面高度 的变化相应调节高度，使其始终位于海平面之上一定距离处，不被海水浸 没。

本发明还提供一种利用所述装置有效降低海上风电机组次声对海洋 生物影响的方法，包括如下步骤：

海平面探测器探测海平面高度，并将信号传输给控制器；误差传感器 阵列探测误差信号并传输给控制器；控制器一方面接收误差传感器阵列探 测到的误差信号并进行多通道自适应计算，生成控制信号，并将生成的控 制信号分别传输给次级扬声器阵列和雾化器阵列，控制次级扬声器阵列输 出相应的次声信号，与风电机组产生的次声场发生干涉，抵消部分声能， 控制雾化器阵列喷雾，利用水雾对次声波的反射和散射减少入射到海洋中 的次声能量；另一方面接收海平面探测器探测到的海平面高度信号，并以 此为依据控制雾化器阵列的高度，使雾化器阵列始终保持在海平面以上一 定距离处，不被海水浸没。

本发明也可用于降低风电机组低频噪声的影响，此时相邻次级扬声器 间的距离需小于等于待控低频噪声最大频率所对应波长的一半。

与现有方法相比，本发明实施后的有益效果如下：

(1)根据有源消声的原理，控制次级扬声器阵列产生了一个与海上 风电机组发出的次声频率相同、相位相反的次声，使其相互抵消，突破了 传统被动降噪方法对次声和低频噪声控制效果差的局限，可有效减少入射 到海洋中的次声或低频噪声能量；

(2)设置雾化器阵列，利用水雾对次声波的反射和散射，进一步有 效减少入射到海洋中的次声能量；

(3)本发明的实施不需要对风电机组本身进行改造，也不影响其对 风能资源的利用，可保证风电机组的正常运行。

附图说明

图1为本发明的装置结构示意简图。

图2为次级扬声器阵列和误差传感器阵列的排列布置图。

图3为单个次级扬声器、误差传感器、雾化器在支撑杆上的设置示意 图。

图4为发明装置的工作流程示意图。

图中：1、次级扬声器阵列所在平面；2、误差传感器阵列所在平面； 3、雾化器阵列所在平面；4、次级扬声器阵列；5、误差传感器阵列；6、 次级扬声器；7、误差传感器；8、雾化器；9、支撑杆；10、风电机组叶 片。

具体实施方式

如图1～图3所示，为一种有效降低海上风电机组次声对海洋生物影 响的装置，在风电机组叶片10的下方由上至下依次设置次级扬声器阵列 4、误差传感器阵列5和雾化器阵列，次级扬声器所在平面1、误差传感器 阵列所在平面2以及雾化器阵列所在平面3在风电机组叶片下方的设置位 置如图1所示，次级扬声器所在平面1、误差传感器阵列所在平面2以及 雾化器阵列所在平面3均与海平面相平行。

次级扬声器阵列4的结构示意图如图2所示，次级扬声器阵列由若干 次级扬声器均匀排列而成，次级扬声器阵列中相邻次级扬声器间的距离小 于等于次声最大频率所对应波长的一半。误差传感器阵列5的结构示意图 如图2所示，误差传感器阵列由一系列次声传感器组成，位于次级扬声器 阵列下方，与次级扬声器阵列一一对应。次级扬声器阵列、误差传感器阵 列的间距存在一个最佳值，一般需要通过实验确定，可在实际应用中进行 相应的调整。

雾化器阵列的主要作用是将海水雾化，通过不断改变次声波传播介质 的声阻抗，增加对次声波的反射和散射，有效减少入射到海洋中的次声能 量。雾化器阵列的布置形式可多样化，只要满足能在海平面之上一定空间 范围内产生均匀水雾即可。雾化器阵列由一系列雾化器组成，位于误差传 感器阵列下方一定距离处，与误差传感器阵列一一对应。即：雾化器阵列、 次级扬声器阵列、误差传感器阵列一一对应布置。雾化器8基本不产生额 外的次声、低频噪声(或相对于风电机组产生的次声和低频噪声可忽略)， 并且具有良好的抗腐蚀性能。雾化器阵列距离海平面的高度可控。

次级扬声器阵列、误差传感器阵列和雾化器阵列通过若干根支撑杆9 进行安装固定，单个支撑杆9及对应安装在该支撑杆9上的次级扬声器6、 误差传感器7和雾化器8的结构示意图如图3所示，次级扬声器6、误差 传感器7和雾化器8在支撑杆9上由上至下依次安装。

海平面探测器的核心部件为压力传感器，安装于海平面下方一定距离 处，压力传感器与控制器之间通过无线通信连接，压力探测器通过感测压 力的变化获得海平面高度变化数据，无线传输给控制器。就实现海平面高 度探测本身也可采用现有技术实现。

控制器采用多通道有源自适应控制器，多通道有源自适应控制器与次 级扬声器阵列4、误差传感器阵列5、雾化器阵列以及海平面探测器连接。 一方面，多通道有源自适应控制器接收误差传感器阵列5的误差信号并通 过多通道自适应计算生成控制信号，将生成的控制信号分别传输给次级扬 声器阵列4和雾化器阵列，控制次级扬声器阵列4的输出，使得位于使次 级扬声器阵列下方的误差传感器阵列的声压平方和最小；控制雾化器阵列 喷雾，利用水雾对次声波的反射和散射减少入射到海洋中的次声能量。另 一方面，多通道有源自适应控制器接收海平面探测器探测到的海平面高度 信号，并以此为依据控制雾化器8的高度，使雾化器8始终保持在海平面 之上一定距离处，不被海水浸没。优选地，多通道有源自适应控制器位于 风电机组的机舱内。

文献研究结果表明，次级声源越接近初级声源，有源消声的控制效果 越好。同时，由于海洋环境高湿度、高盐雾的特性，为减小腐蚀，所述次 级扬声器6、误差传感器7优选位于海洋大气区(海洋环境由上至下可分 为海洋大气区、浪花飞溅区、海水潮差区、海水全浸区和海底泥土区5个 区)。基于以上两点，在不碰到风电机组叶片情况下，次级扬声器阵列4、 误差传感器阵列5设置的越高越好。此外，本发明要求误差传感器7选用 抗风噪性能较好的次声传感器，同时次级扬声器6、误差传感器7以及支 撑杆9应具有良好的抗腐蚀性能。

本实施方式中，次级扬声器阵列4相邻次级扬声器间的距离应小于等 于次声最大频率所对应波长的一半，次声最大频率为20Hz，其对应的1/2 波长为8.5m，故实际布放次级扬声器6时其间隔不超过8.5m。优选地， 本实施例以待控区域尺寸200×200m为例，设置次级扬声器6的间距为 8m，则需要次级扬声器6的个数为625个，构成25×25阵列，对应的误 差传感器阵列5也为25×25阵列，两者与多通道有源自适应控制器一起 构成虚拟声屏障。

次级扬声器阵列4和误差传感器阵列5排列形式可多样化，只要一一 对应，覆盖所需的控制区域，满足相邻次级扬声器6间的距离小于等于次 声最大频率所对应波长的一半即可，并且次级扬声器6和误差传感器7的 数量越多、间距越小，次声的控制效果越好。同时，本发明也可用于降低 风电机组低频噪声的影响，此时相邻次级扬声器间的距离需小于等于待控 低频噪声最大频率所对应波长的一半。

本发明的工作流程图如图4所示，具体工作过程为：

次级扬声器阵列4和误差传感器阵列5一一对应排列，与多通道有源 自适应控制器一起构成虚拟声屏障。误差传感器阵列5位于所述次级扬声 器阵列4下方，用于采集误差信号，并将误差信号馈给多通道有源自适应 控制器。多通道有源自适应控制器基于接收到的误差信号进行多通道自适 应计算生成控制信号，控制次级扬声器阵列4的输出。次级扬声器阵列4 接收多通道有源自适应控制器发出的控制信号，并产生相应的次声信号与 风电机组产生的次声场相互抵消，从而达到降低风电机组产生的入射到海 洋中的次声能量的目的。同时，在误差传感器阵列5下方一定距离处设置 雾化器阵列，直接将海水雾化，利用水雾对次声波的反射和散射，进一步 有效减少入射到海洋中的次声能量，从而减小次声对海洋生物的影响。雾 化器阵列高度同样受多通道有源自适应控制器控制，可随海平面探测器探 测到的海平面高度的变化相应调节高度，使其始终位于海平面之上一定距 离处，不被海水浸没。