BADANIA AKUSTYCZNE W ZAKRESIE INFRADŹWIĘKÓW RZECZYWISTA SKALA ODDZIAŁYWAŃ ELEKTROWNI WIATROWYCH

Transkrypt

1 BADANIA AKUSTYCZNE W ZAKRESIE INFRADŹWIĘKÓW RZECZYWISTA SKALA ODDZIAŁYWAŃ ELEKTROWNI WIATROWYCH prof. dr hab. inż. Andrzej Dobrucki dr inż. Bolesław Bogusz

2 ELEKTROWNIA WIATROWA JAKO ŹRÓDŁO HAŁASU Hałas wytwarzany przez elektrownie wiatrowe może być rozpatrywany ze względu na źródło jego wytworzenia jako: hałas mechaniczny, hałas aerodynamiczny. Za hałas pochodzenia mechanicznego odpowiedzialne są elementy zlokalizowane w gondoli elektrowni. Zaliczyć do nich można przekładnię, generatory, układ wyrównujący położenie turbiny z kierunkiem wiatru, system chłodzenia i inne systemy pomocnicze (np. pompy hydrauliczne i hamulce tarczowe). Ponieważ dźwięk ten związany jest z ruchem obrotowym elementów mechanicznych i elektrycznych konstrukcji, może mieć charakter zbliżony do tonalnego. Szerokopasmowa składowa hałasu mechanicznego pochodzi od pozostałych elementów takich jak przekładnie i układ hydrauliczny.

3 ELEKTROWNIA WIATROWA JAKO ŹRÓDŁO HAŁASU Dźwięk wytworzony wewnątrz gondoli może być emitowany ze źródła do środowiska bezpośrednio (air-borne) lub pośrednio poprzez drgania całej konstrukcji elektrowni (structure-borne). W nowoczesnych elektrowniach wiatrowych hałas mechaniczny ograniczany jest poprzez izolację akustyczną gondoli oraz ciągłe doskonalenie urządzeń w niej umieszczonych. Dzięki temu, poza sytuacjami awarii podzespołów lub eksploatacyjnego zużycia elementów, hałas ten ograniczony został do poziomu pomijalnie małego w porównaniu z hałasem aerodynamicznym. Źródła hałasu mechanicznego turbiny wiatrowej wraz z zaznaczonymi wartościami poziomu mocy akustycznej oraz z zaznaczonym wkładem hałasu aerodynamicznego ilustruje kolejny slajd.

4 Przykładowe moce akustyczne poszczególnych źródeł hałasu turbiny wiatrowej i moc wypadkowa wraz z zaznaczonymi powietrznymi (a/b) i materiałowymi (s/b) drogami transmisji ELEKTROWNIA WIATROWA JAKO ŹRÓDŁO HAŁASU

5 ELEKTROWNIA WIATROWA JAKO ŹRÓDŁO HAŁASU Hałas aerodynamiczny powstaje wskutek przepływu powietrza wokół łopat elektrowni. Poziom tego hałasu jest zależny od prędkości liniowej końcówki ostrza turbiny. Dlatego też największy wpływ na moc akustyczną elektrowni wiatrowej ma długość łopaty oraz jej prędkość obrotowa.

6 ELEKTROWNIA WIATROWA JAKO ŹRÓDŁO HAŁASU Hałas aerodynamiczny można podzielić na trzy grupy. Pierwszą grupą jest hałas niskoczęstotliwościowy powstający wskutek przejścia łopaty przez obszary o niższym ciśnieniu powietrza spowodowanym jego cyrkulacją wokół wieży elektrowni. Powstawaniu hałasu tego typu sprzyjają także gwałtowne zmiany prędkości przepływu powietrza i nierównomierny rozkład wiatru powodujący większe naprężenia łopat znajdujących się w miejscach o jego silniejszym naporze. Hałas ten zależy od typu turbiny: czy jest ustawiona z wiatrem (downwind) czy pod wiatr (upwind). Widmo tego hałasu zawiera składowe infradźwiękowe o poziomach większych, niż poziomy położone w paśmie słyszalnym.

7 ELEKTROWNIA WIATROWA JAKO ŹRÓDŁO HAŁASU Ustawienia turbiny a) pod wiatr (upwind), b) z wiatrem (downwind).

8 Schemat powstawania modulacji amplitudy (AM) hałasu aerodynamicznego turbiny wiatrowej. ELEKTROWNIA WIATROWA JAKO ŹRÓDŁO HAŁASU Charakterystyczne dla tego typu hałasu jest niestacjonarność (a właściwie cyklostacjonarność) przebiegu czasowego hałasu. Mechanizm powstawania tego zjawiska wyjaśnia poniższy rysunek `

9 ELEKTROWNIA WIATROWA JAKO ŹRÓDŁO HAŁASU Przykłady widm wąskopasmowych (FFT) hałasu turbiny wiatrowej MOD-1 firmy General Electric (rysunek z lewej, turbina downwind) i MOD-5B firmy Boeing (rysunek z prawej, turbina upwind).

10 ELEKTROWNIA WIATROWA JAKO ŹRÓDŁO HAŁASU Do drugiej grupy zalicza się hałas powstający wskutek przecięcia przez łopaty miejscowych zawirowań powietrza, co skutkuje powstaniem lokalnych wahań ciśnienia i siły wywieranej na elementy turbiny. Trzeci typ hałasu związany jest z przepływem powietrza wokół poruszającego się płata. Hałas ten zwykle jest szerokopasmowy, choć mogą się pojawić także składowe tonalne będące skutkiem stępienia krawędzi tnących łopaty bądź szpar i dziur na jej powierzchni.

11 PROPAGACJA HAŁASU EMITOWANEGO PRZEZ ELEKTROWNIE WIATROWE Na uciążliwość hałasu emitowanego przez takie źródło, jakim jest turbina wiatrowa składają się trzy czynniki: Moc akustyczna turbiny, określająca jak duży hałas jest emitowany. Istotną rolę grają też rozkład tej mocy w funkcji częstotliwości, czyli widmo dźwięku (ucho ludzkie reaguje w różny sposób na różne składowe widma) oraz rozkład przestrzenny promieniowania, czyli charakterystyka kierunkowości. Te czynniki określają właściwości źródła. Warunki propagacji, czyli odległość od źródła dźwięku do słuchacza, ukształtowanie terenu i przeszkody na drodze między źródłem a odbiornikiem oraz kierunek i prędkość wiatru oraz inne źródła hałasu, które mogą maskować hałas dochodzący z rozpatrywanego źródła. Te czynniki występują na drodze między źródłem a odbiornikiem.

12 PROPAGACJA HAŁASU EMITOWANEGO PRZEZ ELEKTROWNIE WIATROWE Otoczenie słuchacza, czyli izolacyjność ścian pomieszczenia, drgania budynku, oraz inne źródła dźwięku mogące mieć wpływ na poziom tła akustycznego. Te czynniki określają właściwości odbiornika hałasu. Schemat propagacji hałasu emitowanego przez turbinę wiatrową i czynniki wpływające na jego percepcję.

13 PROPAGACJA HAŁASU EMITOWANEGO PRZEZ ELEKTROWNIE WIATROWE Wyznaczenie poziomu hałasu docierającego do słuchacza składa się z trzech etapów: Określenie właściwości źródła (moc akustyczna, kierunkowość) Określenie warunków propagacji (odległość, pochłanianie, refrakcja) Określenie właściwości odbiornika i jego bezpośredniego otoczenia

14 PROPAGACJA HAŁASU EMITOWANEGO PRZEZ ELEKTROWNIE WIATROWE Charakterystyki kierunkowości promieniowania infradźwięku o częstotliwości 8 Hz przez dużą turbinę o osi horyzontalnej zmierzone w odległości 200 m od turbiny w dzień i w nocy.

15 Charakterystyki kierunkowości promieniowania hałasu niskoczęstotliwościowego w pasmach oktawowych w zakresie częstotliwości Hz przez dużą turbinę o osi horyzontalnej zmierzone w odległości 200 m od turbiny. PROPAGACJA HAŁASU EMITOWANEGO PRZEZ ELEKTROWNIE WIATROWE

16 PROPAGACJA HAŁASU EMITOWANEGO PRZEZ ELEKTROWNIE WIATROWE Wpływ odległości i pochłaniania jest określony następującym wzorem: L p = L W 10lg(2πR 2 ) αr Zmiana poziomu ciśnienia akustycznego w funkcji odległości od turbiny o mocy akustycznej L W = 102 dba i dla współczynnika pochłaniania dźwięku α= 0,005 db/m (5 db/km). Wysokość wieży 50 m.

17 PROPAGACJA HAŁASU EMITOWANEGO PRZEZ ELEKTROWNIE WIATROWE Propagacja dźwięku od źródła położonego na pewnej wysokości w kierunku z wiatrem (po lewej) i pod wiatr (po prawej) dla zmiennego z wysokością profilu prędkości wiatru.

18 PROPAGACJA HAŁASU EMITOWANEGO PRZEZ ELEKTROWNIE WIATROWE Izolacyjność akustyczna przegrody budowlanej z zaznaczonym przebiegiem teoretycznym ±6 db/oktawę.

19 DEFINICJE HAŁASU SŁYSZALNEGO, NISKO- CZĘSTOTLIWOŚCIOWEGO I INFRADŹWIĘKOWEGO Dźwięki z zakresu częstotliwości słyszalnych, to zgodnie z PN- ISO 7196, dźwięki lub hałas, którego widmo jest zawarte głównie w zakresie częstotliwości od 20 Hz do 20 khz. W przypadku hałasu infradźwiękowego można spotkać różne definicje. Najczęściej za hałas infradźwiękowy przyjmuje się hałas, którego widmo jest zawarte głównie w pasmie od 1 Hz do 20 Hz. W Międzynarodowym słowniku terminologicznym elektryki Akustyka i elektroakustyka infradźwięki zdefiniowano jako oscylacje akustyczne, których częstotliwość jest poniżej dolnej granicy dźwięków słyszalnych (ok. 16 Hz). Definicja ta jest niepełna, gdyż infradźwięki o dostatecznie dużych poziomach są słyszalne dla częstotliwości poniżej 16 Hz. Pojęcie hałasu niskoczęstotliwościowego dotyczy hałasu obejmującego wysokie częstotliwości infradźwiękowe i dolny zakres częstotliwości słyszalnych i typowo przyjmuje się zakres od 10 Hz do 200 Hz (nie jest to zakres ściśle zdefiniowany i np. wg normy PN EN

20 DEFINICJE HAŁASU SŁYSZALNEGO, NISKO- CZĘSTOTLIWOŚCIOWEGO I INFRADŹWIĘKOWEGO Zakresy częstotliwości infradźwiękowych, niskich częstotliwości i częstotliwości słyszalnych wraz z naniesionym przebiegiem progu słyszenia

21 PERCEPCJA SŁUCHOWA HAŁASU INFRADŹWIĘKO- WEGO I NISKOCZĘSTOTLIWOŚCIOWEGO Przebiegi: - progu słyszenia w zakresie częstotliwości słyszalnych (PN-EN ISO 389-7); - progu słyszenia wyznaczonego w badaniach Watanabe i Mollera w zakresie infradźwięków i niskich częstotliwości; - wartości poziomów granicznych dla 85 dbg (do 20 Hz) i 20 dba (w zakresie 10 Hz 160 Hz)

22 POZIOMY I WIDMA HAŁASU TURBIN WIATROWYCH Przykładowe widmo hałasu turbiny wiatrowej Vestas V80 (downwind) mierzone w pasmach 1/3-oktawowych. Poziomy w zakresie częstotliwości infradźwiękowych (zaznaczonym strzałką) leżą poniżej poziomów progowych słyszenia.

23 POZIOMY I WIDMA HAŁASU TURBIN WIATROWYCH Widmo 1/3-oktawowe hałasu infradźwiękowego i niskoczęstotliwościowego turbiny wiatrowej NORDEX N-80 (moc 1100 kw, odległość 200 m). Naniesiono przebieg progu słyszenia wg DIN 45680

24 POZIOMY I WIDMA HAŁASU TURBIN WIATROWYCH Widmo hałasu nowoczesnej turbiny wiatrowej (upwind) (kolor niebieski) o mocy 1,5 MW mierzone w odległości 65 m. Kolorem czerwonym zaznaczono poziom tła akustycznego, a gwiazdkami wartości progu słyszenia

25 Poziomy hałasu infradźwiękowego i niskoczęstotliwościowego farmy wiatrowej mierzone przy: dużej prędkości wiatru (20 m/s); małej prędkości wiatru i po wyłączeniu turbiny. Wykreślono również progi słyszenia w zakresie częstotliwości słyszalnych (ISO 226) i infradźwięków (Watanabe &Moller) i kryterium dla pory nocnej dla hałasu niskoczęstotliwościowego Brytyjskiego Departamentu Środowiska (DEFRA) POZIOMY I WIDMA HAŁASU TURBIN WIATROWYCH

26 POZIOMY I WIDMA HAŁASU TURBIN WIATROWYCH Typ i moc turbiny Bonus, 450 kw MOD-1, 2000 kw WTS-4, 4200 kw USWP- 50, 50 kw WTS-3, 3000 kw WTS-3, 3000 kw Norma duńska 2) Odległość punktu pomiarowego od turbiny (turbin) [m] Poziom hałasu infradźwiękowego (na zewnątrz pomieszczenia) Poziom hałasu niskoczęstotliwościow ego wewnątrz pomieszczenia 1) Poziom hałasu na zewnątrz pomieszczeni a [dbg] [dba] [dba] (4 turbiny) (14 turbin) /45

27 POZIOMY I WIDMA HAŁASU TURBIN WIATROWYCH Typ turbiny Moc znamiono -wa turbiny Odległość punktu pomiaro-wego od turbiny (turbin) Poziom hałasu infradźwiękowego Warunki pomiarowe (prędkość wiatru; ilość turbin) [kw] [m] [dbg] Monopteros m/s Enercon E m/s Vestas V (723 kw) (Nieznana) m/s j.w m/s Bonus m/s (4 turb.) j.w m/s (1 turb.) j.w m/s (1 turb.) j.w m/s (4 turb.) MOD j.w WTS j.w MOD 5B USWP (14 turbin) Nordex N (1100 kw)

28 POZIOMY I WIDMA HAŁASU TURBIN WIATROWYCH Hałas We wnętrzu samochodu osobowego przy jeździe po kostce bazaltowej (v = 30 km/h) Poziom ciśnienia akustycznego [dbg] 115,7 We wnętrzu samochodu osobowego przy prędkości 100 km/h W biurze (60 m 2, praca urządzeń klimatyzacyjnych i wielu komputerów) Turbina wiatrowa 500 kw mierzona w odległości 200 m Ton testowy 16 Hz o poziomie 115 db SPL wraz z szumem różowym o poziomie 45 db SPL w pasmach 1/3-oktawowych 102,7 73,6 63,9 122,8

29 POZIOMY I WIDMA HAŁASU TURBIN WIATROWYCH Widmo hałasu infradźwiękowego i niskoczęstotliwościowego w pasmach 1/3-oktawowych zmierzone we wnętrzu autobusu miejskiego (droga asfaltowa, v = 50km/h)

30 WNIOSKI KOŃCOWE Infradźwięki oddziałują przede wszystkim na narząd słuchu. Poziomy hałasu infradźwiękowego emitowanego przez nowoczesne turbiny wiatrowe (upwind) mierzone w odległości 200 m są ok db poniżej progu słyszenia człowieka. Jak stwierdzono w rozdziale raportu Community Noise, opracowanego dla Światowej Organizacji Zdrowia (WHO) nie ma przekonywujących dowodów na to, że infradźwięki o poziomach poniżej progu słyszenia wywołują u człowieka efekty fizjologiczne i psychologiczne. Infradźwięki o poziomach nieco powyżej progu słyszenia mogą powodować efekty percepcyjne, ale o takim samym charakterze jak w przypadku dźwięków słyszalnych. Inne efekty, takie jak bezsenność, uczucie zmęczenia, nudności itp. występują jedynie w przypadku bardzo dużych natężeń hałasu infradźwiękowego. Poziomy generowane przez turbiny wiatrowe są znacznie mniejsze od tych wartości. Na podstawie badań przeprowadzonych przez liczne ośrodki światowe można stwierdzić, że brak jest dowodów, że hałas infradźwiękowy emitowany przez nowoczesne turbiny wiatrowe jest szkodliwy dla zdrowia osób zamieszkujących w ich pobliżu.

31 Dziękuję za uwagę!