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    我國“三北”地區風資源豐富，目前全國裝機總容量的76％分布在這一區域。這些地區有一個共同特征就是冬季溫度比較低，最低溫度低于－30℃，低溫問題是這些風電場所面臨的一個共同問題。這種情況下機組的運行工況、零部件的性能、機組的可維護性等方面將發生變化，可能會造成風力發電機組超出了設計允許范圍，情況嚴重時甚至會引起嚴重的安全事故。
針對低溫環境的技術標準在風電行業中還是空白。大多數安裝在低溫地區的風力發電機組是在其標準設產品設計的基礎上，采取一些專項的技術改進措施，期望能保證機組的正常安全運行。根據國外一些報道，根據在加拿大北部一些風電場的經驗，這些措施起到了一定的作用，但要達到預期要求還需要進行更多富挑戰性的創新工作[1][2]。
我國的氣候條件與歐洲和北美地區存在巨大的差異，實際情況表明簡單照搬國外的做法未必能達到理想的目的，何況目前風電行業還比較缺乏在低溫條件下的成功經驗。本文在總結金風科技近年來在我國北方風電場的安裝、建設以及維護經驗的基礎上，從風力發電機組的出力特性變化、對零部件性能的影響以及運行維護等方面，對某些低溫影響因素進行了初步探討和分析，拋磚引玉，期望能有更多的業內人士關注研究風力發電機組的低溫問題，提高我國風電技術應用和開發水平。
1 低溫條件下風力發電機組出力特性的變化
我們知道，風力發電機組風輪的輸出功率P 與風輪的氣動效率Cp、空氣密度ρ、風輪的掃風面積A 以及風速Vw 之間的關系可用下式表示： 顯然，隨著冬季溫度的降低，空氣密度將增大。風力發電機組特別是失速型機組的額定出力將增加，可能出現過發過載現象；夏天氣溫上升，空氣密度將下降，將導致機組的出力下降，應有的效益不能完全發揮。特別是在冬夏溫度變化比較大的地區，需要對影響出力的葉片安裝角等參數進行優化設置和必要的處理，盡量降低因空氣密度變化帶來的不利影響。
另外一個不容忽視的因素是葉片翼型的氣動力也受到表面粗糙度和流體雷諾數的影響。冬季容易出現霧凇現象，葉片表面“結晶”，粗糙度增加，會降低翼型的氣動性能；另外在某些特殊天氣如風雪交加的條件下，空氣的粘性作用和雷諾數將發生很大變化，翼型的最大升力系數和失速臨界攻角等特性均會發生較大變化[3][4]。這些現象和對機組的長期影響有待于進一步研究。
2 低溫對主要零部件的影響
客觀上因為低溫的應用范圍畢竟有限，此類設備的經驗和知識遠沒有常溫和高溫環境那樣受到廣泛的關注。不同種類的零部件受低溫的影響是不同的，對于金屬機件應根據承受載荷的形式予以區別對待。例如傳動系統中的齒輪箱、主軸等，承受沖擊載荷，這類零部件需重點防止低溫時的脆性斷裂，提高材料和機件的多次沖擊抗力。材料的化學成分、冶煉方法、晶粒尺寸、扎制方向、應變時效以及冶金缺陷等是影響沖擊韌度和冷脆轉變溫度影響的主要因素，需要在設計時認真對待。采取適當的熱處理方法（淬火＋中文回火）能顯著提高材料多沖抗力，避免應力集中，表面冷作硬化和提高零件的表面加工質量等措施均能提高多沖載荷下的破斷抗力[5]。當然避免在低溫情況下出現較大的沖擊載荷也是非常關鍵的，例如在風速較高時機組頻繁投切啟動，緊急制動等工況對機組的影響是非常不利的，應在設計上采取措施降低此類情況發生的概率。
承受循環載荷的部件如機艙底板和塔架，一般是大型焊接件，此類零件在高寒地區環境溫度下存在低溫疲勞問題。大量試驗結果表明，幾乎所有的金屬材料的疲勞極限均隨溫度的降低而提高，但材料的缺口敏感性增大[5]。因此，焊縫將成為影響低溫疲勞強度的關鍵環節。焊縫的抗疲勞能力主要取決于焊接質量和焊縫型式，如果焊縫中存在大的缺陷，非常容易引起低溫脆斷破壞。根據這個觀點，在考慮低溫型塔架的設計選材時，如果過分強調材料的低溫沖擊性能，選擇D 等級甚至E 等級的鋼，而焊縫仍按常規設計處理的話，很難說能達到希望的結果。這種過高地追求韌性而采用價格貴的鋼種顯然不經濟。實際上在我國低合金結構鋼16Mn 及Q345C（GB/1591－1994）低溫性能和焊接性能好，用途廣泛、大批量生產、質量穩定可靠，已廣泛應用在重要的大型焊接結構和設備上。選擇這個等級的鋼材制作塔架等結構件能夠滿足我國低溫環境的要求，但應針對焊縫采
取必要的防止低溫脆斷技術措施，包括避免焊縫應力集中，采取預熱和焊后熱處理改善焊縫、熱影響區、熔合線部位的性能，避免未焊透，加強無損探傷檢驗，定期檢查等技術措施，保障設備的安全工作。
復合材料如玻璃纖維增強樹脂具有較好的耐低溫性能，選用適合低溫環境的結構膠生產葉片，就能滿足葉片在－30℃運行的要求。但是需要注意由不同材料制作的機構，由于熱膨脹系數不同，常溫狀態下裝配正常，但在低溫時配合狀態會發生變化，可能影響機構的正常功能，需要在設計時予以充分考慮。
一般電子電氣器件功能受溫度影響較大，選用耐低溫的元器件成本昂貴甚至無法做到。但可以采取在柜體內加熱，保持局部環境溫度的方法，實踐表明這一方法簡單有效。
風力發電機組所使用的油品受到溫度的影響也比較大。一般要求潤滑油在正常的工作溫度條件下需具備適當的粘度以保持足夠的油膜形成能力，但另一方面溫度越低，油的粘度越大。例如目前普遍采用的Mobilgear SHC XMP320 潤滑油，40℃粘度為320cSt，傾點－38℃，低溫時油的流動性很差，機組在這種情況下難以運轉，需要潤滑的部位可能得不到充分的潤滑油供給，這會危及設備的安全運行！可以通過加熱使油溫維持到正常水平。若采取直接加熱方式需采取措施使被加熱油保持流動，否則加熱效果不均勻，可能造成其他不利影響。
基礎需要考慮的低溫影響主要是凍土問題。凍土中因有冰和未凍水存在，故在長期載荷下有強烈的流變性。長期載荷作用下的凍土極限抗壓強度比瞬時載荷下的抗壓強度要小很多倍，且與凍土的含冰量及溫度有關，這些情況應在基礎設計施工時進行考慮。凍土層基礎的要求可參考JGJ118-98《凍土地區建筑地基基礎設計規范》。
3 結束語
隨著風力發電事業的發展，我們應越來越重視低溫對風力發電機組的影響問題。因為低溫的影響有利有弊，不能直接把常溫下所得到的經驗和方法進行簡單移植，應該根據設備的低溫使用條件，對每種材料/載荷工況進行獨立的考慮。
目前非常有必要投入更多的力量，研究適用于低溫環境條件的風力發電機組技術標準和設計規范，從設計的源頭做起，才能有效控制和降低技術風險，促進行業的健康發展。