一種有效降低海上風(fēng)電機(jī)組次聲對(duì)海洋生物影響的方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于次聲控制和海洋環(huán)境保護(hù)領(lǐng)域，具體涉及一種可有效降低海上風(fēng)電機(jī)組次聲對(duì)海洋生物影響的方法及裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]風(fēng)能具有可再生、永不枯竭、清潔無(wú)污染等特點(diǎn)，是開(kāi)發(fā)技術(shù)最為成熟的可再生能源之一，對(duì)緩解能源危機(jī)具有十分重要的作用。然而，由于陸上風(fēng)力資源不穩(wěn)定、風(fēng)電場(chǎng)址有限等因素，陸上風(fēng)電的發(fā)展越來(lái)越受到制約。與陸上風(fēng)電相比，海上風(fēng)力資源更為豐富，并且在海上發(fā)展風(fēng)電項(xiàng)目具有節(jié)約土地資源、風(fēng)速穩(wěn)定、紊流小、視覺(jué)影響小等陸上風(fēng)電不可比擬的優(yōu)勢(shì)，因而開(kāi)發(fā)海上風(fēng)電將是未來(lái)風(fēng)電發(fā)展的重要方向。
[0003]風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)不僅輻射以低頻聲能為主的噪聲，而且還會(huì)產(chǎn)生頻率為O?20Hz的次聲。隨著海上風(fēng)電產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，人們開(kāi)始關(guān)注次聲對(duì)海洋生物的影響。特別是近年來(lái)，隨著海上風(fēng)電技術(shù)日益成熟，海上風(fēng)電機(jī)組單機(jī)容量越來(lái)越高，風(fēng)葉直徑不斷增大，風(fēng)電選址逐漸由淺海向更深的海區(qū)發(fā)展，次聲對(duì)海洋生物的影響不容忽視。眾所周知，許多海洋動(dòng)物依靠敏銳的聽(tīng)覺(jué)和復(fù)雜的發(fā)聲系統(tǒng)進(jìn)行日?；顒?dòng)和交流，包括導(dǎo)航、覓食、交配、逃避天敵等。與人類(lèi)不同，一些海洋動(dòng)物的發(fā)聲、交流頻段處于次聲波段，如文獻(xiàn)記錄表明，藍(lán)鯨和長(zhǎng)須鯨的發(fā)聲信號(hào)頻率為10?20Hz。海洋次聲環(huán)境的改變，可能會(huì)對(duì)依靠次聲進(jìn)行交流的海洋動(dòng)物產(chǎn)生一系列不利影響，包括干擾個(gè)體間的通訊導(dǎo)致母仔失聯(lián)、交配失敗，無(wú)法探測(cè)天敵導(dǎo)致種群數(shù)量減少等。此外，次聲的頻率還可能與某些海洋動(dòng)物器官的固有頻率相近，容易與海洋動(dòng)物器官發(fā)生共振，從而對(duì)海洋動(dòng)物產(chǎn)生不利的影響。
[0004]由于次聲頻率低，波長(zhǎng)長(zhǎng)，相比于高頻聲其在傳播過(guò)程中衰減較慢，且很難被隔離，因而傳統(tǒng)降噪措施(如吸聲、隔聲、阻尼減振等)對(duì)風(fēng)電機(jī)組次聲的控制效果十分有限。
[0005]本發(fā)明為彌補(bǔ)傳統(tǒng)被動(dòng)降噪方法的不足，擬采用對(duì)低頻聲(含次聲)控制效果較好的有源消聲技術(shù)和噴霧消聲技術(shù)來(lái)降低風(fēng)電機(jī)組次聲的影響。有源消聲技術(shù)的原理是通過(guò)控制源產(chǎn)生一個(gè)與原始聲信號(hào)頻率相同但相位恰好相反的聲音，并將其與原始聲信號(hào)疊加，使兩者互相抵消，從而達(dá)到降低指定區(qū)域內(nèi)聲能量的目的。噴霧消聲技術(shù)則是通過(guò)噴霧不斷改變聲傳播介質(zhì)聲阻抗，通過(guò)增加聲波的反射和散射降低入射到指定區(qū)域內(nèi)的聲能量。目前，有源消聲技術(shù)已經(jīng)有了豐富的理論和實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)，并且在變壓器、管道等噪聲控制中有了大量的應(yīng)用，而噴霧消聲技術(shù)也在對(duì)排氣溫度要求高的氣流噪聲控制領(lǐng)域得到應(yīng)用，然而，上述技術(shù)在風(fēng)電機(jī)組次聲控制領(lǐng)域的應(yīng)用(特別是聯(lián)合應(yīng)用)還未見(jiàn)報(bào)道。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]針對(duì)風(fēng)電機(jī)組運(yùn)行時(shí)產(chǎn)生的次聲對(duì)海洋生物的影響，本發(fā)明提供一種有效降低海上風(fēng)電機(jī)組次聲對(duì)海洋生物影響的方法及裝置。
[0007]一種有效降低海上風(fēng)電機(jī)組次聲對(duì)海洋生物影響的裝置，包括:
[0008]控制器；
[0009]位于風(fēng)電機(jī)組葉片與海平面間的空間內(nèi)且由上至下依次設(shè)置的次級(jí)揚(yáng)聲器陣列、誤差傳感器陣列和霧化器陣列，其中次級(jí)揚(yáng)聲器陣列與誤差傳感器陣列一一對(duì)應(yīng)；
[0010]以及海平面探測(cè)器；
[0011]次級(jí)揚(yáng)聲器陣列、誤差傳感器陣列、霧化器陣列和海平面探測(cè)器均連接并受控于控制器。
[0012]所述控制器采用有源消聲領(lǐng)域常用控制器，優(yōu)選采用多通道有源自適應(yīng)控制器。
[0013]所述次級(jí)揚(yáng)聲器陣列主要用于產(chǎn)生和風(fēng)電機(jī)組次聲頻率相同、相位相反的次聲，從而使兩者發(fā)生相消干涉，相互抵消，達(dá)到降低指定區(qū)域內(nèi)次聲能量的目的，設(shè)置在風(fēng)電機(jī)組葉片下方、海平面上方距海平面一定距離的平面上。
[0014]優(yōu)選地，所述次級(jí)揚(yáng)聲器陣列由若干次級(jí)揚(yáng)聲器均勻排列而成，次級(jí)揚(yáng)聲器陣列中相鄰次級(jí)揚(yáng)聲器間的距離小于等于次聲最大頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一半。
[0015]所述誤差傳感器陣列主要用于采集誤差信號(hào)。誤差傳感器陣列由一系列次聲傳感器組成，位于所述次級(jí)揚(yáng)聲器陣列下方，與所述次級(jí)揚(yáng)聲器陣列一一對(duì)應(yīng)，通過(guò)控制器對(duì)次級(jí)揚(yáng)聲器陣列的控制，使所述誤差傳感器陣列的聲壓平方和最小。為防止風(fēng)噪聲對(duì)所述次聲傳感器的影響，要求選用抗風(fēng)噪性能較好的次聲傳感器。同時(shí)，所述次級(jí)揚(yáng)聲器陣列和誤差傳感器陣列要求具有較好的抗腐蝕性能。
[0016]所述霧化器陣列由一系列霧化器組成，位于所述誤差傳感器下方一定距離處。霧化器陣列可直接將海水霧化，利用水霧對(duì)次聲波的反射和散射有效減少入射到海洋中的次聲能量。霧化器陣列的布置形式可多樣化，只要滿(mǎn)足能在海平面之上一定空間范圍內(nèi)產(chǎn)生均勻水霧即可。優(yōu)選地，本發(fā)明為方便起見(jiàn)，將所述霧化器陣列與次級(jí)揚(yáng)聲器陣列、誤差傳感器陣列對(duì)應(yīng)布置。
[0017]霧化器陣列高度可控以保證其始終位于海平面之上一定距離處，不被海水浸沒(méi)。霧化器基本不產(chǎn)生額外的次聲、低頻噪聲(或相對(duì)于風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的次聲和低頻噪聲可忽略)，并且具有良好的抗腐蝕性能，所述霧化器陣列可直接以海水為水源，通過(guò)加壓產(chǎn)生均勻水霧。
[0018]為便于次級(jí)揚(yáng)聲器陣列、誤差傳感器陣列及霧化器陣列的安裝，還設(shè)有用于安裝對(duì)應(yīng)的次級(jí)揚(yáng)聲器、誤差傳感器和霧化器的若干支撐桿。
[0019]所述海平面探測(cè)器主要用于探測(cè)海平面高度，并將信號(hào)傳輸給多通道有源自適應(yīng)控制器。所述海平面探測(cè)器的核心部件為壓力傳感器，安裝于海平面下方一定距離處，壓力傳感器與控制器之間通過(guò)無(wú)線(xiàn)通信連接，壓力傳感器通過(guò)感測(cè)壓力的變化獲得海平面高度變化數(shù)據(jù)，無(wú)線(xiàn)傳輸給控制器。
[0020]文獻(xiàn)研宄結(jié)果表明，次級(jí)聲源越接近初級(jí)聲源，有源消聲的控制效果越好。同時(shí)，由于海洋環(huán)境高濕度、高鹽霧的特性，為減小腐蝕，所述次級(jí)揚(yáng)聲器、誤差傳感器優(yōu)選位于海洋大氣區(qū)(海洋環(huán)境由上至下可分為海洋大氣區(qū)、浪花飛濺區(qū)、海水潮差區(qū)、海水全浸區(qū)和海底泥土區(qū)5個(gè)區(qū))?；谝陨蟽牲c(diǎn)，在不碰到風(fēng)電機(jī)組葉片情況下，所述次級(jí)揚(yáng)聲器陣列、誤差傳感器陣列設(shè)置的越高越好，且所述次級(jí)揚(yáng)聲器陣列、誤差傳感器陣列間的距離設(shè)為lm。需要說(shuō)明的是，所述次級(jí)揚(yáng)聲器陣列、誤差傳感器陣列的間距存在一個(gè)最佳值，一般需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)確定，可在實(shí)際應(yīng)用中進(jìn)行相應(yīng)的調(diào)整。此外，本發(fā)明要求選用抗腐蝕性能好的次級(jí)揚(yáng)聲器和誤差傳感器，并對(duì)所述支撐桿進(jìn)行防腐處理，優(yōu)選地，可對(duì)所述支撐桿采取涂料防護(hù)，要求所述涂料具有良好的耐候性，干膜總厚度多560 μ m，特別地，對(duì)于處在海水全浸區(qū)及以下部分的支撐桿可進(jìn)一步采取陰極保護(hù)措施。
[0021]本發(fā)明的工作原理為:所述次級(jí)揚(yáng)聲器陣列和所述誤差傳感器陣列一一對(duì)應(yīng)排列，與所述多通道有源自適應(yīng)控制器一起構(gòu)成虛擬聲屏障。所述誤差傳感器陣列位于所述次級(jí)揚(yáng)聲器陣列下方，用于采集誤差信號(hào)，并將誤差信號(hào)饋給所述多通道有源自適應(yīng)控制器。所述多通道有源自適應(yīng)控制器基于接收到的誤差信號(hào)進(jìn)行多通道自適應(yīng)計(jì)算生成控制信號(hào)，控制所述次級(jí)揚(yáng)聲器陣列的輸出。所述次級(jí)揚(yáng)聲器陣列接收所述多通道有源自適應(yīng)控制器發(fā)出的控制信號(hào)并產(chǎn)生相應(yīng)的次聲信號(hào)與風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的次聲場(chǎng)相互抵消，從而達(dá)到降低風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的入射到海洋中的次聲能量的目的。同時(shí)，在誤差傳感器陣列下方一定距離處設(shè)置霧化器陣列，直接將海水霧化，利用水霧對(duì)次聲波的反射和散射，進(jìn)一步有效減少入射到海洋中的次聲能量，從而減小次聲對(duì)海洋生物的影響。所述霧化器陣列高度同樣受多通道有源自適應(yīng)控制器控制，可隨海平面探測(cè)器探測(cè)到的海平面高度的變化相應(yīng)調(diào)節(jié)高度，使其始終位于海平面之上一定距離處，不被海水浸沒(méi)。
[0022]本發(fā)明還提供一種利用所述裝置有效降低海上風(fēng)電機(jī)組次聲對(duì)海洋生物影響的方法，包括如下步驟:
[0023]海平面探測(cè)器探測(cè)海平面高度，并將信號(hào)傳輸給控制器；誤差傳感器陣列探測(cè)誤差信號(hào)并傳輸給控制器；控制器一方面接收誤差傳感器陣列探測(cè)到的誤差信號(hào)并進(jìn)行多通道自適應(yīng)計(jì)算，生成控制信號(hào)，并將生成的控制信號(hào)分別傳輸給次級(jí)揚(yáng)聲器陣列和霧化器陣列，控制次級(jí)揚(yáng)聲器陣列輸出相應(yīng)的次聲信號(hào)，與風(fēng)電機(jī)組產(chǎn)生的次聲場(chǎng)發(fā)生干涉，抵消部分聲能，控制霧化器陣列噴霧，利用水霧對(duì)次聲波的反射和散射減少入射到海洋中的次聲能量；另一方面接收海平面探測(cè)器探測(cè)到的海平面高度信號(hào)，并以此為依據(jù)控制霧化器陣列的高度，使霧化器陣列始終保持在海平面以上一定距離處，不被海水浸沒(méi)。
[0024]本發(fā)明也可用于降低風(fēng)電機(jī)組低頻噪聲的影響，此時(shí)相鄰次級(jí)揚(yáng)聲器間的距離需小于等于待控低頻噪聲最大頻率所對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的一半。
[0025]與現(xiàn)有方法相比，本發(fā)明實(shí)施后的有益效果如下:
[0026](I)根據(jù)有源消聲的原理，控制次級(jí)揚(yáng)聲器陣列產(chǎn)生了一個(gè)與海上風(fēng)電機(jī)組發(fā)出的次聲頻率相同、相位相反的次聲，使其相互抵消，突破了傳統(tǒng)被動(dòng)降噪方法對(duì)次聲和低頻噪聲控制效果差的局限，可有效減少入射到海洋中的次聲或低頻噪聲能量；
[0027](2)設(shè)置霧化器陣列，利用水霧對(duì)次聲波的反射和散射，進(jìn)一步有效減少入射到海洋中的次聲能量；
[0028](3)本發(fā)明的實(shí)施不需要對(duì)風(fēng)電機(jī)組本身進(jìn)行改造，也不影響其對(duì)風(fēng)能資源的利用，