Fakultet elektrotehnike, strojarstva i brodogradnje, Sveučilišta u Splitu Ruđera Boškovića bb 21000 Split tel: (021) 305-777 fax: (021) 463-877

Sažetak: U ovom radu dat je prilog razmatranju problematike utjecaja na okoliš vjetroturbina kao izvora zvuka koji se pojavljuje pri njihovom radu.

U studijama za korištenje energije vjetra, kriterij zaštite okoliša od buke jedan je od važnijih koji se koriste prilikom vrednovanja potencijalnih lokacija za postavljanje vjetroenergetskih postrojenja. Kako je sve veći interes za postavljanje vjetroturbina, manjih ili većih nazivnih snaga, pojedinačno ili skupno, potencijalni investitori prilikom prikupljanja početnih podataka za realizaciju svog projekta trebaju uzeti u obzir moguć utjecaj buke u radu vjetroenergetskog postrojenja na okoliš, kako bi na vrijeme izbjegli moguće teškoće koji su vezani s rizicima najčešće skupih prilagodbi postrojenja u funkciji smanjenja buke.

Analizirani su neki od postojećih algoritama za proračun razine jakosti zvuka vjetroturbina u radu, korekcije dobivene jakosti te sintetizirani u jedan izraz. Predloženi izraz za brzo određivanje približne razine zvuka kojeg proizvodi vjetroturbina ili skupina vjetroturbina u radu testiran je mjerenim podacima.

Ključne riječi: vjetroturbine, zaštita okoliša, buka
 
 

1. Uvod

Mnogi znanstvenici koji se bave energetikom predviđaju da će tzv. obnovljivi izvori energije biti najvažniji izvori energije u XXI stoljeću. Postrojenja koja uključuju relativno male i kombinirane pretvarače ove energije biti će najbrojniji. Većina ovakvih postrojenja u sebi uključuje i vjetroenergetsko postrojenje.

Sve češća izgradnja vjetroelektrana nametnula je potrebu podrobnijeg istraživanja njihovog utjecaja na okoliš. Jedan od glavnih prigovora zaštitara okoliša na postavljenje vjetroelektrana je šum koji stvaraju vjetroturbine u radu. Trend primjene vjetroelektrana pokazuje da će se one graditi sve bliže naseljima i postajati sve češća i unutar naselja.

Iako znanstvena literatura navodi problem buke iz vjetroturbina u radu kao minoran, on objektivno postoji i ljudi koji žive u okolišu vjetroenergetskog postrojenja imaju pravo na čim manje zagađenje okoliša pa tako i od buke. Konstruktori vjetroturbina iznalaze mogućnosti za smanjenje razinu jakosti zvuka vjetroturbina u radu na najmanju mjeru, budući je bešuman rad tehnički neizvediv. Primjenjena su učinkovita tehnička rješenja koja snižavaju razinu jakosti zvuka a u svrhu istraživanja ove problematike upotrebljava se složena oprema i ulažu znatna sredstva. Dosadašnja istraživanja dala su određene rezultate, formule kojih se odnose na neke utjecajne parametre za određivanje razine jakosti zvuka. Sintetiziranjem postojećih izabranih algoritama, ovaj rad daje prijedlog za brzo određivanje približne razine jakosti zvuka u blizini jedne ili više vjetroturbina. Brzo određivanje približne razine jakosti zvuka prvenstveno služi za idejna rješenja te pred- i studije izvodivosti za određivanje udaljenosti vjetroelektrane od naselja ili od granice područja na kojoj se planira stambena izgradnja.

1.1. Osnovna polazišta

Najmanja udaljenost vjetroelektrane (VE) od naseljenog mjesta jedan je od eliminacijskih kriterija prilikom vrednovanja makrolokacija na kojima je moguće postavljanje VE, lit.[ 1] . U zadnjoj fazi realizacije izgradnje VE treba izvršiti sustavnu analizu razine jakosti zvuka koja uključuje i mjerenje na terenu kako bi se istražio stvarni utjecaj VT na okoliš.

Povećanjem udaljenosti od vjetroturbine (VT) dolazi do pada razine jakosti zvuka, te se može usporediti s ostalim izvorima buke, slike 1.1. i 1.2., prema lit.[ 2] :

Slika 1.1. Intenzitet zvuka vjetroturbine na raznim udaljenostima od stupa VT u dB, [ 2]

Slika 1.2. Relativan odnos intenziteta zvuka iz različitih izvora u dB, prema [ 2]

Buka se može umanjiti povoljnijim vibracijskim svojstvima dijelova koje buku proizvode, povoljnim aerodinamičkim svojstvima aeroprofila i posebnim konstrukcijama vrha lopatice vjetroturbine. Vjetroturbine s promjenjivim brojevima okretaja, proporcionalno brzini vjetra, imaju prednost obzirom na manje stvaranje buke, jer je kod njih buka razmjerna broju okretaja. Danas je prihvaćena razina jakosti zvuka vjetroturbina u radu od 45 dB od najbližeg mjesta boravka ljudi, odnosno udaljenosti od oko 350 m, ovisno o značajkama vjetroturbina.

Smanjenje buke prioritetna je zadaća velikog dijela istraživačkih timova proizvođača vjetroturbina. Najveće tvrtke postigle su i najbolje rezultate, tako da ističu nisku razinu buke koju proizvode njihovi suvremeni strojevi. Ova značajka u radu vjetroturbine posebno je važna za jedinicu ili manji broj vjetroturbinskih jedinica koji rade u blizini ljudskih naselja. Relativnim umanjenjem buke iz vjetroturbina može se smatrati i prirodni šum koji se čuje pri većim brzinama vjetra, a koji je razmjerno veći od buke vjetroturbine.

1.2. Najznačajniji izvori zvuka vjetroturbine u radu

Dvije su najznačajnije skupine izvora zvuka: aerodinamički i mehanički. Prilikom rada vjetroturbine vjetroturbinski stup, kućište i lopatice su opstrujavana tijela u zračnoj struji. Obilaskom zračne struje oko prepreke dolazi do poremećaja strujanja a jedan od efekta ovog poremećaja je i karakteristični šum, koji je tim jači što su rubovi prepreke oštriji. Ako je stup vjetroturbine rešetkast, ova je pojava tada izrazitija. Isto tako, kućište vjetroturbine, zbog svoje namjene obično je loše aerodinamički oblikovano.

Prilikom vrtnje lopatica oko osi kola, mijenja se relativna brzina nastrujavanja po aeroprofiliranom presjeku lopatica od njenog korjena prema vrhu. Iznosi relativne brzine se kreću od nekoliko metara u sekundi pri korjenu do više desetaka metara u sekundi pri vrhu lopatice. Zbog razlike tlaka između donjeg i gornjeg dijela aeroprofila dolazi do skretanja struje. Ova pojava je naročito izražena na samom vrhu lopatice i popraćena je oštrim zvukom.

Osim efekata prilikom opstrujavanja dijelova vjetroturbine, postoji i zvuk kojeg proizvode mehanički dijelovi: kočnice, sklopke te rotirajući dijelovi vjetroturbine kao što su ležajevi, prijenosnici snage, generatori i sl. a koji su obično smješteni unutar kućišta. Na slici 1.3. vidljiv je utjecaj zupčastih prijenosnika snage s vratila VT na električni generator, prema [ 3] .

Slika 1.3. Odnos razine jakosti zvuka zupčastih prijenosnika i vjetroturbina u radu istih nazivnih snaga a različitih proizvođača, [ 3]

Odvajanje strujanja i vrtnja mogu uzrokovati rezonanciju različitih dijelova vjetroturbine. Ustanovljen je i membranski efekt lopatica, koje mogu obavljati retransmisiju zvučnih vibracija stupa ili kućišta. Navedeni najznačajniji izvori zvuka vjetroturbine u radu proizvode zvukove različitih karaktera - kontinuirani, periodički i povremeni.

Više se ne upotrebljavaju standardni zupčasti prijenosnici opće namjene, već su razvijeni posebni prijenosnici za vjetroturbine. Zbog zamaha u instaliranju vjetroturbina diljem svijeta, ovi su prijenosnici postali standardni za vjetroturbine. Površine zupčanika u ovim zupčastim prijenosnicima posebno su tretirane a za njihovo podmazivanje upotrebljavaju se ulja s posebnim aditivima. Lopatice vjetroturbina i njihovi vrhovi istraživani su u brojnim studijama o emisiji zvuka. Proizvođači lopatica primjenili su ove spoznaje, te su današnje vjetroturbine tiše od starijih. Nova generacija vjetroturbina, projektiranih od 1995. nadalje, smanjile su emisiju zvuka na polovinu vrijednosti prethodne generacije.
 
 

2. Utjecajni parametri na razinu jakosti zvuka vjetroturbina

2.1. Tehničke značajke vjetroturbine

Jakost zvuka koji proizvodi vjetroturbina u radu moguće je dovesti u vezu s više utjecajnih čimbenika. Osnovni utjecajni parametar je vrsta vjetroturbine, njena nazivna snaga odnosno promjer kola. U literaturi je moguće pronaći mjerene podake te algoritme koji se odnose na povećanje ili smanjenje razine jakosti zvuka obzirom na pojedini parametar. Iskustvena jednadžba za proračun razine jakosti zvuka u neposrednoj blizini VT u radu u ovisnosti o promjeru D preuzeta je iz lit.[ 4] a mjereni podaci prikazani su na slici 2.1.:

L_D = 22 log(D) + 72 dB za D>0        (1)

Slika 2.1. Mjereni podaci i aproksimacija razine jakosti zvuka u dB u ovisnosti o promjeru kola vjetroturbine D u m, [ 4]

Za pojedine iznose promjera kola moguće je uzeti promjenu razina jakosti zvuka ± 5 dB oko srednje vrijednosti. Ova razlika ovisi o vrsti vjetroturbine, izvedbi lopatica i prijenosa snage s vratila na generator kao i o točnosti mjerenja a dokumentirana je u nizu studija mjerenja razine jakosti zvuka kako proizvođača vjetroturbina tako i istraživačkih ustanova.

Standard VDI 2159 daje iskustvenu formulu u ovisnosti o snazi vjetroturbine (u kW, 80%-tna linija): L_P = 12,3 log (P_kW) + 77,1 u dB za P_kW>0.

2.2. Trenutna brzina vjetra

Vjetroturbina na različitim brzinama vjetra postiže različite razine jakosti zvuka. Na slici 2.2., prikazani su mjereni podaci za vjetroturbinu s promjerom kola D=43 m, lit.[ 5] :

Slika 2.2. Ovisnost razine jakosti zvuka u dB o brzini vjetra u m/s, [ 5]

Na slici je vidljivo da se promjena jakosti odvija gotovo linearno, pa je moguće uspostaviti jednadžbu promjene razine jakosti zvuka u ovisnosti o trenutnoj brzini vjetra v pod uvjetom da je trenutna brzina vjetra veća ili jednaka uključnoj brzini.:

D L_v = 0,5 v + 95 dB za vł v_in      (2)

2.3. Udaljenost od vjetroturbine

S udaljenosti od vjetroturbine opada razina jakosti zvuka, slika 2.3., lit.[ 5] . Podatke sa slike 2.3. moguće je aproksimirati jednadžbom koja opisuje opadanje razine jakosti zvuka u dB od početne razine u neposrednoj blizini (l» 1 m):

D L_l = - 8,7 ln(l) - 11 dB za lł 1        (3)

Slika 2.3. Mjereni podaci razine jakosti zvuka u dB u ovisnosti o udaljenosti od vjetroturbine u m vjetroturbine nazivne snage 600 kW, pri brzini vjetra od 8 m/s na 10 m iznad tla, [ 5]

2.4. Broj vjetroturbina

Prethodne formule vrijede za jednu vjetroturbinu kao izvor zvuka. Kako se u vjetroelektranama instalira veći broj vjetroturbina, postoji mogućnost da neke od njih budu postavljene bliže naseljenom mjestu.

Veći broj vjetroturbina na jednakoj udaljenosti uzrokuje povećanu razinu jakosti zvuka, ali ne linearno. Prema [ 6] iznosi utjecaja većeg broja vjetroturbina na povećanje razine jakosti zvuka na jednakoj udaljenosti od promatrača dani su u tablici 2.1.:

Tablica 2.1. Povećanje razine jakosti zvuka u dB iznad razine koju daje jedna vjetroturbina u ovisnosti o broju vjetroturbina jednako udaljenih od promatrača

Ova tablica daje podatke koje treba dodati na razinu jakosti zvuka jedne vjetroturbine u ovisnosti o broju vjetroturbina koje su jednako udaljene od promatrača. Prema priloženim podacima, zakonitost promjene povećanja razine jakosti zvuka glasi:

D L_n = 4,35 ln(n) dB za nł 1        (4)

Ako je broj turbina n=1 tada je DL_n jednak ništici, tj. buka koju postiže jedna turbina nema nikakav dodatak.
 
 

3. Skupni utjecaj parametara na razinu jakosti zvuka vjetroturbina u radu

3.1. Prijedlog izraza za proračun približne razine jakosti zvuka vjetroturbina u radu

Od prethodno navedenih utjecajnih parametara (promjer tj. snaga; trenutna brzina vjetra; udaljenost od stupa; broj vjetroturbina) promjer odnosno snaga daju početnu vrijednost razine jakosti zvuka dok ostali parametri predstavljaju korekciju tako dobivene polazne razine. Neovisni su te se mogu kombinirati jednostavnim zbrajanjem prema linearnom obrascu:

L(D,v,l,n)=L_D/P+DL_v+DL_l+DL_n       dB

3.2. Polazna razina

Polazne odrednice za određivanje utjecaja svih parametara na razinu jakosti zvuka vjetroturbina u radu utvrđene su vrstom i veličinom vjetroturbine. Slijedi da je jednadžba (1) polazna jednadžba kojom se opisuje stanje zvuka na mjestu rada vjetroturbine koje vrijednosti mogu varirati ± 5 dB oko proračunske, slika 3.1.

Slika 3.1. Proračun utjecaja promjera kola D u m s granicama odstupanja ± 5 dB

3.3. Korekcije polazne razine zvuka

Utjecaji brzine vjetra, udaljenosti od vjetroturbine i broja vjetroturbina mogu se smatrati korektivima obzirom na polaznu razinu jakosti zvuka vjetroturbina. Na taj način moguće je dobiti jednadžbu promjene razine zvuka koja uzima u obzir sve utjecajne parametre. Za određivanje ove jednadžbe najprije je potrebno jednadžbe dodatnih utjecaja (2), (3) i (4) dobivene vjetroturbinama različitih značajki sravniti za iste početne uvjete. Ovo sravnjivanje uključuje promjenu konstanti u navedenim jednadžbama za referentnu vjetrotubinu. Postupak sravnjivanja kreće s polaznom jednadžbom (1). Pod pretpostavkom da će za različite vjetroturbine u (2) koeficijent pored varijable v ostati isti, 0,5, konstantu je moguće poopćiti s izrazom za jakost zvuka u ovisnosti o promjeru (1) kao početnu razinu. Dobija se (5):

L_v=L_D+0,5v dB za vł v_in        (5)

Dodavanjem izraza koji opisuju utjecaje ostalih parametara i sređivanjem dobiva se (6):

L(D,v,l,n)=61+22 log(D)+0,5v-8,7ln(l)+4,35ln(n) dB za D>0, vł v_in, lł1, nł1        (6)

gdje je D promjer u m, v trenutna brzina vjetra u m/s, n broj vjetroturbina približno jednako udaljenih od promatrača za udaljenost l u m. Slična se formula može dobiti ako se polazna razina dobije sravnjivanjem jednadžbi s početnom jednadžbom za razinu jakosti zvuka funkciji snage VT. Treba imati u vidu odstupanje razine jakosti zvuka od ± 5 obzirom na prethodno spomenute različite izvedbe vjetroturbina.
 
 

4. Testiranje izraza

4.1. Proračun simulacijom

Predloženi izraz (6) može se testirati proračunom za tri karakteristične veličine vjetroturbine ovisno o namjeni, pri brzini vjetra od 8 m/s na osi vratila. Prvi primjer proračunava razinu zvuka kojeg uzrokuje mini vjetroturbina za punjenje akumulatora promjera kola od 1,2 m, drugi primjer za dvije male vjetroturbine promjera kola 15 m za opskrbu manjih potrošača a treći primjer proračunava razinu zvuka kojeg uzrokuje 5 vjetroturbina promjera 50 m u vjetroelektrani. Rezultati simulacije dati su na slici 4.1.

Slika 4.1. Proračun utjecaja porasta razine zvuka vjetroturbina različite veličine, broja i namjene pri proračunskoj brzini vjetra od 8 m/s

Vidljivo je da radi logaritamskog karaktera krivulja, vrijednost jakosti zvuka za (približno) nultu udaljenost visoka a porastom udaljenosti počinje naglo opadati. Pritom treba imati u vidu da je fizički neizvedivo biti udaljen 0 m od dvije male odnosno od pet velikih vjetroturbina u radu. Kako je nulta udaljenost i od jedne VT teoretski pojam kojeg formula ne prihvaća, udaljenosti l trebaju biti jednake ili veće od 1 m (neposrednu blizina, l=1 m).

Dobiven je očekivan tijek krivulja, a razina jakosti zvuka jedne mini vjetroturbine nalazi se unutar prihvatljivih granica od 45 dB na udaljenosti većoj od 10 m, u slučaju dvije male vjetroturbine ova udaljenost je iznad 300 m a rubne jedinice u vjetroelektrani trebaju biti udaljene više od 1 km da se razina jakosti zvuka spusti ispod prihvatljive granice.

4.2. Usporedba proračunatih i mjerenih podataka

Predloženi izraz (6) testiran je preuzimanjem mjerenih podataka za dvije 3 MW jedinice smještenih na visini h_A=92 m odnosno h_B=78 m pri brzini vjetra od v₀=8 m/s na 10 m visine te visinu hrapavosti terena z₀=0,05 m, prema lit.[7]. Upotrijebivši logaritamsku visinsku korekciju brzine vjetra u graničnom sloju (v=v_0×log(z₂/z₀)/log(z₁/z₀)), na osi kola A i B turbine proračunata je brzina v_A=11,4 m/s odnosno v_B=11,1 m/s. Za neposrednu blizinu jedne VT (n=1, l=1) vrijednost razine jakosti zvuka proračunate pomoću predloženog izraza su, tab. 4.1:

Tablica 4.1.

Razlika proračunatih i mjerenih podataka u granicama je navedenih odstupanja ± 5 dB.
 
 

5. Zaključak

Prema rezultatima usporedbe mjerenih i proračunatih podataka, može se zaključiti da predloženi izraz daje suvisle rezultate te ga je moguće koristiti s dovoljnom točnošću u prethodnim studijama mogućih utjecaja na okoliš VE koji se postavljaju u blizini naselja ili objekata koje treba zaštititi od prekomjernog zagađivanja bukom.

U zadnjoj fazi izvedbe takvih projekata, ako postoji potreba, potrebno je pristupiti detaljnijem simuliranju mogućih razina zvuka u okolišu postrojenja, a prije njegovog konačnog puštanja u rad i mjeriti razinu jakosti zvuka u određenim točkama u okolišu postrojenja.
 
 

Literatura:
[ 1] Pilić-Rabadan Lj., Klarin B., Sansević M., Milas Z.: Studija o mogućnostima proizvodnje električne energije iz energije vjetra u Republici Hrvatskoj-II dio, Hrvatska elektroprivreda - FESB, Split, 1996.
[ 2] Sesto E.: Wind energy in Europe, Proc. 2nd World Renewable Energy Congress, Reading, 1992, III; 1535-1557
[ 3] Crone A., Astrup T.: Tonal gear noise from wind turbines, Proc. European Community Wind Energy Conference and Exhibition, Lübeck, 1993.; 294-297
[ 4] Beek J. van, Moller T., Knight S. Davidson R., Newham M., Harrison L.: Noise, Windpower Monthly News Magazine, Knebel, August 1990.
[ 5] TACKE Windtechnik, Windkraftanlangen information und technische daten, 1994.
[ 6] www.windpower.dk
[ 7] Crone A., Astrup T.: Comparison of power performance and noise between Aeolus II and Näsudden II, Proc. European Comm. Wind Energy Conference, Göteborg, 1996.; 804-808

Summary: This paper dealing with noise effect problems from windturbines. As a result of considering several formulas and measurement results from references an easy to use algorithm for fast sound level computing is given. Algorithm is tested in a simple simulation and the measured data.