Transcript Utredning av ljudpåverkan vid nedisning av vindkraftverk

Utredning av ljudpåverkan vid
nedisning av vindkraftverk
Mätningar på ett vindkraftverk i
kallt klimat utfördes under vintern
2012 för att påvisa hur isbildning
på vindkraftverks rotorblad påverkar ljudet. Detta är av intresse då
det finns ljudkrav vid bostäder och
således en risk att dessa överskrids
om ljudnivån ökar. Mätningarna visade på en medelökning på 7 dB
över den garanterade ljudemissionsnivå som tillverkaren angett för aktuell turbintyp, vilken ofta används
för beräkning av ljudnivån vid bostäder. Ljudökningarna var dock begränsade till elva dagar under ett år
och de går inte direkt att koppla till
ljudnivån på längre avstånd, såsom
till bostäder, från vindkraftverket då
mätningarna utförts nära detta.
Nedisning på vindkraftverk skulle
dock kunna vara en förklaring till
de rapporter om ljudstörningar vid
vindkraftparker i kallt klimat som
förekommer.
Isbildning på vindkraftverk är inget nytt
fenomen. Trots detta är det inte förrän på
senare år som problemen med isbildning
har börjat uppmärksammas på allvar.
Detta i och med den ökade utbyggnaden
av vindkraft i Sverige, där många vindkraftparker byggs och planeras även i
kallt klimat. Kända problem innefattar
produktionsbortfall och risk för iskast
med eventuella personskador som följd.
Avisningssystem för rotorbladen erbjuds
av flera turbinleverantörer men dess verkan och lönsamhet är i många fall inte
fullt testad.
På senare tid har också frågan väckts
om isbildning på vindkraftverk påverkar
ljudet, och i så fall hur och i vilken ut-
Artikelförfattare är Peter Arbinge och
Paul Appelqvist, ÅF Infrastructure
AB, Stockholm.
Bygg & teknik 3/13
sträckning. Eftersom många vindkraftanläggningar dimensioneras
inte bara efter vindförhållandena,
utan även efter ljudkrav, kan ljudpåverkan på grund av isbildning
innebära problem. Ljudnivån vid
närboende till vindkraftanläggningar ska inte överstiga ekvivalent ljudnivå 40 dBA enligt Naturvårdsverkets rekommendationer för ljud från vindkraft, vilket
har blivit praxis som villkorsvärde
i ett antal domar.
Detta riktvärde tillsammans
med vindkraftverkens garanterade
ljudemissionsnivå (högsta teoretiska källjud), vilken tillhandahålls från tillverkaren, används
ofta för att dimensionera anläggningens totala ljudnivå i omgivningen, även kallat ljudimmission. Vid projektering och tillståndsprövning av nya vindkraftanläggningar sker detta genom att
ljudnivån i förhand beräknas vid
närboende. På senare tid har en
del tillståndsprövande myndigheter även krävt en viss marginal till
riktvärdet 40 dBA, eller i vilket
fall att det ska finnas möjlighet att
ljudreglera vindkraftverken i
Figur 1: Exempel på nedisat rotorblad.
efterhand. Detta för att säkerställa
att riktvärdet kan klaras även om kon- detta bidrar isbildningen även till att rotortrollmätningar, efter uppförande av an- bladets profil deformeras och följden blir
läggningen, visar att ljudnivån är högre att detta över tid förlorar sin ”lyftkraft”.
än den beräknade. Det bör tilläggas att Dessa tre faktorer är tillsammans avgötillverkarna i flertalet fall även uppger att rande i och med att vindkraftverket aldrig
vindkraftverkens garanterade ljudemis- får en chans att hämta igen förlorat rörelsesionsnivåer enbart gäller då bladen är mängdsmoment, och verket tvingas till
stillastående. Detta även om vindförhålrena och således isfria.
Om isbildning på vindkraftverk inne- landena är oförändrade eller till och med
bär högre ljudemissionsnivåer är det möj- tilltagande. Belägg finns för att tilltagande
ligt att ljudnivån vid bostäder kan översti- vindhastigheter innebär att isbildningen
ga 40 dBA vid vissa tillfällen. Tänkbara också sker snabbare. Vid ett tidigt skede i
följder kan således vara att vindkraftpar- isbildningsprocessen kan det tänkas att det
ken måste regleras vid sådana tidpunkter fortfarande är möjligt att isen spontant
så att riktvärdet klaras alternativt att man lossnar. Om vindförhållandena tillåter och
bygger vindkraftverk med avisningssys- om ispåbyggnaden blivit tillräckligt (men
tem, då det är troligt att dessa kan reduce- ej alltför) tung kan isen slungas iväg på
grund av de centrifugala krafterna. Detta
ra eller helt ta bort ljudökningen.
kallas i vardagligt tal för iskast och kan
Produktionsbortfall och iskast
leda till personskador för personal eller
Ett uppmärksammat problem för vind- andra personer som vistas på vindkraftankraftverk i vinterklimat är isbildning med läggningen. Iskasten sker i rotorplanet,
produktionsbortfall som följd. Anledning- men kan driva med vinden och hamnar
en till detta kan verka uppenbar, nämligen därmed nedströms om verket [1].
att isen ”tynger ned” vindkraftverket, det
vill säga att massa adderas till det rote- Isbildning
rande mekaniska systemet och gör det Främsta orsaken till isbildning på vindtyngre. Hastigheten med vilken is bildas kraftverk är att regn fryser eller snö fäster
kan också spela en avgörande roll. Utöver vid kontakt med rotorbladet. För regn
59
krävs yttemperaturer under 0 °C medan
snö fäster vid rotorbladet vid yttemperaturer mellan 0 och +3 °C. Isbildning kan
även uppstå genom att underkylda vattenpartiklar i moln fryser vid kontakt med
rotorbladet [2]. Om vattenpartiklarna är
små, fryser dessa snabbt och bildar mjuk
rimfrost, om dessa är stora är förloppet
långsammare och hård rimfrost bildas.
Om det finns vatten på ytan bildas klar is.
Vid isbildning till följd av nederbörd är
påbyggnaden av is snabbare, något som
har stor betydelse i flera avseenden. till
exempel för risken för produktionsbortfall eller maskinhaveri. Mycket talar för
att isbildningen är större längre ut på rotorbladen; luftflödet är snabbare, rotorbladen sveper genom en större luftvolym
och bladspetsarna kan nå lågt stående
moln. Analytiska simuleringar visar dock
att isbildningen har ett maximum vid cirka två tredjedelar av bladspannet och att
isen främst bildas på framkant av rotorbladet [3]. Manuella observationer kan
bekräfta detta.
Vindkraftverkets akustik
För att förstå hur isbildning på vindkraftverk skulle kunna bidra till onormala
ljudnivåer, måste man först se till vilka
ljudkällor som finns på vindkraftverket i
vanliga fall. Av ljudkällorna kan två
huvudtyper urskiljas; mekaniskt ljud och
aeroakustiskt ljud. Den förstnämnda typen förekommer sällan i moderna vindkraftverk, såtillvida det inte är mekaniska
missljud vilka orsakas av trasiga maskinkomponenter i till exempel en växellåda.
Dessa bör i så fall snarast repareras/ersättas för att undvika totalt haveri.
Det mekaniska ljudet går ofta bara att
uppfatta vid lägre vindhastigheter, då de
aeroakustiska ljudkällorna ej är särskilt
framträdande. Isbildning på vindkraftverk
60
är inte direkt kopplat till det mekaniska
ljudet utan påverkar i mycket större utsträckning det aeroakustiska (strömningsakustiska) ljudet. På vissa nya typer av
vindkraftverk kan det även förekomma
odämpat ljud från till exempel kylfläktar
eller hydraulik, som inte heller påverkas
av isbildningen.
Ur ljudnivåsynpunkt är det de individuella rotorbladens passage genom luftflödet som bidrar till det största ljudet.
Detta så kallade ”svisch”-ljud har bredbandig karaktär och uppträder främst när
bladen bryter ner i luften, vilket också är
en orsak till att det just ”svischar” eller
modulerar. Luftflödet över rotorbladen är
olika vid olika rotationshastigheter, och
man talar om laminärt flöde vid lägre hastigheter och turbulent flöde vid högre
hastigheter. Laminärt flöde i sig är ingen
ljudkälla, men om detta kopplas till rotorbladens aerodynamiska och geometriska
egenskaper kan ljud uppstå i form av brus
och/eller toner. Det akustiska systemet
ger upphov till en så kallad feedbackfunktion som utnyttjar systemets resonanser. Fenomenet är jämförbart med att få
en flaska att ”sjunga” då man blåser över
öppningen. En konstant luftström som
inte är alltför stark ger en ton som under
en kort stund tilltar i styrka. Tydliga tonkomponenter, om dessa är oönskade,
uppfattas i allmänhet som mer störande
än brus och Naturvårdsverkets rekommenderade riktvärde på 40 dBA skärps
vid tonalt ljud till 35 dBA. Det är mycket
ovanligt att moderna vindkraftverk har en
så tydlig tonal ljudkaraktär att det skärpta
riktvärdet blir gällande.
För vindkraftverk får ljud till följd av
turbulent flöde anses vara den största bidragande ljudkällan. Vid högre rotationshastigheter strömmar luften snabbare
över rotorbladet och ett turbulent flöde
Figur 2: De två olika mätuppställningarna.
ersätter det laminära. Luftflödet separeras
och tvingas om ömse sidor av rotorbladet
innan det åter förenas vid den bakre kanten av bladet, där virvlar avlöses och
tryckfluktuationer i luften uppstår. Dessa
har en slumpmässig karaktär och uppfattas som bredbandigt brus, men störst
energi i ett frekvensområde som bestäms
av strömningshastigheten över bladet och
bakkantens tjocklek. I exemplet med den
”sjungande” flaskan skulle detta innebära
att ett mycket starkare luftflöde passerar
över dess öppning. Det som då skulle höras är inte längre en ton utan endast ett
brus. Noterbart är att det turbulenta flödet
i sig kan fungera som en ljudkälla. I
många fall krävs annars att fysiska objekt
kopplas till flödet för att ljud ska uppkomma. Det är troligen detta flöde som
ger upphov till ovan nämnda ”svisch”ljud när ljudkällan sveper runt. För vindkraftverk i vinterklimat är som sagt påbyggnaden av is störst på rotorbladens
framkant och isens yta/struktur är ofta
grov och oregelbunden. Mest sannolikt är
att isen stör luftströmmen över rotorbladet och ger denna en turbulent karaktär
redan vid låga rotationshastigheter. Man
kan tänka sig, som en naturlig följd av
ökad turbulens i flödet, att ljudet borde
anta en mer brusartat karaktär och ljudnivåerna bli högre. Vidare ändrar ljudkällan
karaktär när bladet blir tjockare.
Ljudmätning i vinterklimat
Vid kontrollmätning av ljud från vindkraft vid bostäder är det i vissa fall lämpligt att mäta då det ej är löv på träden och
då det samtidigt är snöfritt. Löv på träd
kan bidra till högre bakgrundsnivåer, vilket avsevärt försämrar möjligheten att
särskilja vindkraftljudet från bakgrundsljudet. Mätningar kan ej heller utföras
vintertid enligt mätmetoden för ljudimmission (ljud vid bostäder) [4], främst
eftersom det är osäkert hur snö påverkar
ljudutbredningen då det är troligt att den
kan ha en dämpande effekt. Det finns studier som visar att snö kan dämpa ljudet
upp till femton decibel på cirka en kilometers avstånd, till exempel vid bostäder
[5]. Med anledning av detta utförs ibland
kontrollmätningar på vindkraftverk under
sen höst och tidig vår innan det finns snö
på marken. En del mätningar har kritiserats för att göras under för kort tid och att
tillfälligt förhöjda ljudnivåer inte inkluderas. Det finns rapporter/berättelser om att
vindkraftverk låter mer när träden är snötyngda. Den ökade hörbarheten skulle
kunna bero på att det vindalstrade bakgrundsljudet från vegetationen minskar
då trädgrenarna blir tunga av snön. Det
finns även rapporter om upplevd subjektiv
ökning av ljudnivån vid nedisade vindkraftverk. Isbeläggning är en möjlig hypotes som behövde undersökas. För att
vidare studera ljudpåverkan till följd av
nedisning av vindkraftverk har ÅF Ljud
& Vibrationer tillsammans med VattenBygg & teknik 3/13
fall Vindkraft AB valt att låta en student,
artikelförfattaren Peter Arbinge, vid ljud
och vibrationsinriktningen på Kungliga
Tekniska högskolan och Marcus Wallenberg laboratoriet genomföra ett examensarbete i ämnet [6]. Examensarbetet innefattade lång- och korttidsmätningar på ett
vindkraftverk i vinterklimat, vilka utfördes från december 2011 till mars 2012.
Mätningarna genomfördes i så stor utsträckning som möjligt enligt den internationella standarden för mätning av ljudemission (källjud), IEC 61400-11 [7]. Utöver ljudmätningar utfördes simultana
mätningar av vindförhållanden, verkets
produktion och isbildning.
Långtidsmätningarna genomfördes med
vissa avsteg från standarden, bland annat
satt mikrofonen på stativ mot i vanliga
fall en platta på marken. De syftade till att
uppskatta vindkraftverkets ljudnivåskillnad under isiga och isfria förhållanden.
Korttidsmätningarna omfattade totalt åtta
dagar och utfördes vid två tillfällen i februari respektive mars 2012 då det enligt
prognosen fanns risk för isbildning. De
sistnämnda utfördes helt enligt standarden och syftade till att bestämma vindkraftverkets ljudeffektnivå under isiga
och isfria förhållanden. Utöver detta gavs
möjlighet att jämföra mätuppställningen
för långtidsmätningen med den för korttidsmätningen. På så vis kunde båda mätningarna göras ”standardiserade”. Mätningarna utfördes då mätplatsen var täckt
med mycket snö, upp till 1,5 meter, vilket
normalt bör undvikas då snöns påverkan
på ljudet är svår att uppskatta, även vid
mätning av ljudemission nära vindkraftverket. Under hela mätperioden december
2011 till mars 2012 kunde dock snöförhållandena och andra yttre omständigheter
anses vara likvärdiga. Detta gör att skillnaden i uppmätt ljudnivå mellan isiga och
isfria förhållanden under långtidsmätningen med största sannolikhet är korrekt.
ett tydligt problem då man ska relatera till
exempel ljudnivå eller produktionsbortfall till isbildning. En del av lösningen
kan vara att använda sig av ett ”externt”
ismätningssystem, vilket tidssynkroniseras med vindkraftverket och övriga mätningar [6]. Ser man ”onormala” mätdata i
de andra mätningarna, till exempel att
produktionen är låg relativt vindhastigheten, kan detta vara ett tecken på isbildning
på verket. Ismängden på vindkraftverket
kan på så sätt grovt uppskattas och relateras till ismätningen utförd av det externa
mätsystemet. Att under längre tid få god
överensstämmelse (korrelation) mellan
dessa är däremot svårt [6]. Detta beror till
stor del på att isen som bildas på vindkraftverket, till skillnad från isen på mätsystemet, tenderar att spontant lossna, vilket gör att verket återgår till mer normala
driftförhållanden. Korrelationen mellan
mätningarna har därmed förlorats. Under
kortare tid, säg några timmar, kan däremot mycket god korrelation erhållas.
Högre ljudnivåer
Enligt studien [6] gav isbildning på vindkraftverket och dess rotorblad i de allra
flesta fall upphov till högre ljudnivåer i
mätpunkten. Under vintermånaderna december 2011 till och med mars 2012 var
ljudemissionsnivån, beräknad från ljudnivån i mätpunkten enligt [7], vid nedisning och med verket i produktion i snitt 7
dB över den garanterade ljudemissionsnivån vid en vindhastighet på åtta meter
per sekund och medvind. Den garanterade ljudemissionsnivån gäller som sagt
oftast enbart för isfria förhållanden, en
anledning som tydliggörs med klarhet
här. Under kortare stunder gav isbildning
ljudemissionsnivåer upp till 12 dB över
garanterad ljudemissionsnivå. Noterbart
var dock att den uppmätta ljudemissionsnivån var mer än 3 dB under den garanterade ljudemissionsnivån för det aktuella
vindkraftverket utan is på rotorbladen.
Det är vanligt att de garanterade ljudemissionsnivåerna har viss marginal, vilket återspeglas här.
Om man ser till hela mätperioden december 2011 till och med mars 2012, säger statistiken att vindkraftverkets garanterade ljudemissionsnivå kan förväntas
överskridas drygt tio procent av tiden.
Detta motsvarar ungefär tre procent av tiden under ett år, cirka elva dagar, om
mätperioden innefattar årets alla nedisningar oavsett vindriktning. Ljudemissionsnivåer 5 dB över den garanterade
ljudemissionsnivån kan förväntas ungefär
en procent av tiden under ett år eller cirka
tre dagar. Noterbart är att vid allvarlig
nedisning blir vindkraftverket i många
fall stillastående, vilket gör att vindkraftverket istället blir helt tyst bortsett från
eventuellt mekaniskt ljud. Figur 3 tydliggör nedisningsförloppet. Under en period
på ett dygn går vindkraftverket från full
produktion till stillastående till följd av
isbildning. Den övre grafen visar uppmätt
ljudnivå under denna tidsperiod. Den
mellersta och nedre grafen visar hur vindhastighet respektive uppmätt ismängd varierar under samma period. Tydligt syns
hur vindkraftverkets ljudnivå stiger allt
eftersom isen bygger på. Detta sker redan
vid en relativt låg ismängd och vid låga
vindhastigheter. Ett slags kulmen nås efter
cirka nio timmar, då ljudnivån stabiliseras
trots att ispåbyggnaden ser ut att fortsätta.
Anmärkningsvärt är även hur starkt isbildningen är kopplad till vindhastigheten. Då vinden blir starkare bygger isen
Ismätning
Det finns idag ingen vedertagen metod
för att uppskatta mängden is på ett vindkraftverks rotorblad. Det går inte heller
utan manuell observation att upptäcka var
på rotorbladet is bildas. En erfaren tekniker skulle eventuellt kunna se på produktionssiffror och relatera dessa till aktuella
vindförhållanden, och om risk för is föreligger så skulle kanske slutsatsen dras att
det är is på verket. Någon kvantitativ mätmetod existerar dock inte. För mätning av
atmosfärisk isbildning, för andra än för
vindkraftverk, existerar kommersiella
system. Vissa mätsystem beräknar och
loggar tyngden av is som ackumuleras på
ett väderexponerat referensobjekt. Andra
system ”läser” kontinuerligt av hur mycket is som bildas på en yta med särskilda
optiska egenskaper. Det sistnämnda är i
allmänhet lämpligt för mätning av mindre
ismängder. Att inte kunna mäta mängden
is direkt på vindkraftverkets rotorblad blir
Bygg & teknik 3/13
Figur 3: Under ett dygn; ljudnivå, vindhastighet och ismängd över tid. Ljudet är
mätt på ett avstånd lika med verkets totalhöjd.
61
på snabbt och detta bidrar märkbart till
högre ljudnivåer, särskilt under de första
nio timmarna, innan ljudnivån stagnerar.
Omkring klockan 21 blir nedisningen så
allvarlig att vindkraftverket tvingas till
stillastående, vilket syns som avbrott i
kurvorna i figur 3. Vindstyrkan tilltar
dock kraftigt under dygnets sista timmar
och vindkraftverket sätts åter i produktion
men bara under några korta tillfällen,
innan isen blir alltför tung och ett definitivt produktionsstopp är oundvikligt.
mat till exempel atmosfärens stabilitet.
För att utreda påverkan på ”längre” avstånd bör ytterligare mätningar utföras på
stort avstånd från en vindkraftpark, till
exempel vid bostäder, samtidigt med mätningar nära vindkraftverken för att se vilken koppling som finns. Det kan också
vara av intresse att mäta på vindkraftverk
med och utan avisningssystem, för att se
om dessa kan avhjälpa problemet med
förhöjd ljudnivå.
■
Slutsatser
Referenser
Studien visar objektivt genom mätningar
att ljudet från nedisade vindkraftverk faktiskt ökar, vilket endast visats genom beräkningar och subjektiva rapporter tidigare. Det är dock viktigt att påpeka att
denna påvisade ökning har uppmätts nära
ett vindkraftverk och att detta inte direkt
går att koppla till ljudnivån vid bostäder
på längre avstånd från vindkraftverken.
Det är troligt att snön har viss dämpande
effekt på ljudet då det är risk för nedisning. För att den ökning som redovisas i
denna artikel ska kunna inträffa på längre
avstånd krävs också att alla vindkraftverken i en vindkraftpark är nedisade samtidigt. Nedisning kan dock vara en förklaring till höga ljudnivåer som rapporterats
av närboende till vindkraftparker i kallt
klimat. Det finns dock även andra faktorer
som påverkar ljudutbredningen i kallt kli-
62
ceedings Internoise 2012. New York:
INCE.
[6] Arbinge, P. (2012). The effect on
noise emission from wind turbines due to
ice accretion on rotor blades, TRITAAVE-2012:62. Kungliga Tekniska högskolan (KTH), Stockholm, Sweden.
[7] IEC 61400-11 (2006). Wind turbine
generator systems – Part 11: Acoustic
noise measurement techniques. ISO copyright office, Geneve, Switzerland.
[1] Hutton, G. (2013), The applications of ice throw modeling to risk assessment and planning in cold climates. Seminariematerial WinterWind 2013, Östersund, Sverige.
[2] ISO 12494 (2001). Atmospheric
Icing of Structures. ISO copyright office,
Geneve, Schweiz.
[3] Fuchs, L. (2011). CFD in icing and
deicing of WT, risk assessment of ice
throw, increased noise due to iced up
blades and cylindrical sound propagation.
Föreläsningsmaterial. Kungliga Tekniska
högskolan (KTH), Stockholm, Sverige.
[4] Ljungren, S. Elforsk 98:24, Mätning av bullerimmission från vindkraftverk.
[5] Larsson, C. & Öhlund, O. (2012).
Variations of sound from wind turbines
during different weather conditions. Pro-
Bygg & teknik 3/13