Tuulivoimakohteen välkevarjostusmallinnus

Transkriptio

1 Tuulivoimakohteen välkevarjostusmallinnus Simo - Tikkala Erkki Heikkola Numerola Oy

2 Projektiraportin nimi ja kirjoittajat Tuulivoimakohteen välkevarjostusmallinnus: Simo - Tikkala Erkki Heikkola, Numerola Oy Vastaanottaja Rajakiiri Oy Ari Soininen Aineiston käyttöoikeus Sisältää Maanmittauslaitoksen avoimen tietoaineiston lisenssin (09/2016) ( alaista materiaalia. Mallinnuksessa käytetty monilähteisen valtakunnan metsien inventoinnin karttamuotoisia aineistoja vuodelta 2013, Luonnonvarakeskus, Tiivistelmä Raportti sisältää arvion Simon kunnan Tikkalan alueella sijaitsevan 27 tuulivoimalan tuulivoimapuiston aiheuttamista välkevarjostusvaikutuksista. Arviointi tehdään laskennallisten menetelmien avulla. Tuulivoimaloiden aiheuttaman välkevaikutuksen laskennassa käytetään turbiinien napakorkeutta 170 m ja roottorin halkaisijaa 160 m. Välkevaikutuksen laskenta tehdään sekä ilman puustoa että huomioiden puuston näkyvyyttä rajoittava vaikutus. Tulosten arvioinnissa käytetään ympäristöhallinnon esittämiä ohjearvoja tuulivoimarakentamisen suunnitteluun. Paikka ja aika Jyväskylä Projektin vastuuhenkilöt Erkki Heikkola Asiatarkastus Pasi Tarvainen 2

3 Sisällysluettelo 1 Johdanto Välkevarjostusmallinnus Välkevarjostus Ohjearvot Mallinnusmenetelmä ja lähtöaineisto... 6 Välkevarjostusvaikutus Johtopäätökset Välkevarjostuksen laskentamenetelmä

4 1 Johdanto Selvityksessä arvioidaan Simon kunnan Tikkalan alueella sijaitsevan 27 tuulivoimalan kokonaisuuden aiheuttamaa välkevaikutusta. Kohteeseen sijoitettavien turbiinien paikat on esitetty kuvassa (Kuva 1) ja koordinaatit on annettu taulukossa (Taulukko 1). Analyysit suoritetaan turbiineilla, joiden napakorkeus on 170 m ja roottorin halkaisija 160 m. Turbiinien lavan maksimileveydeksi oletetaan 4.3 m ja minimileveydeksi 1.1 m. Taulukko 1: Turbiinin sijaintikoordinaatit ETRS-TM35FIN-koordinaatistossa ja maaston korkeus turbiinipaikalla. Turbiini E N korkeus [m] T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T T

5 Kuva 1: Tuulivoimaloiden sijainnit Simon Tikkalan alueella. Karttaan on merkitty välkevaikutusten tarkemmassa arvioinnissa käytettyjen vertailukiinteistöjen sijainnit. 5

6 2 Välkevarjostusmallinnus 2.1 Välkevarjostus Välkevarjostuksella tarkoitetaan tilannetta, jossa Aurinko paistaa tarkastelupisteeseen pyörivän roottorin läpi. Tällöin katselija havaitsee välkkyvän varjon, joka voi ulottua pisimmillään 1-3 km etäisyydelle voimalasta. Välkevaikutuksen etäisyyteen ja kestoon vaikuttavat tuulivoimalan korkeus ja roottorin halkaisija, vuoden- ja vuorokaudenaika, maaston muodot sekä näkyvyyttä rajoittavat tekijät kuten kasvillisuus ja pilvisyys. Välkevaikutuksen kohdistuminen tiettyyn kohteeseen voidaan ajoittaa tarkasti, joten välkevaikutusta voidaan rajoittaa ohjelmoimalla tuulivoimala pysähtymään välkkeen kannalta kriittisiksi ajoiksi. Suomen sijainnin vuoksi yksittäisen tuulivoimalan välkevaikutus kohdistuu valtaosin voimalan pohjoispuolelle (päiväaika) sekä lounais- ja kaakkoispuolille (aamu- ja ilta-ajat). Voimala aiheuttaa välkevaikutusta eteläpuolelleen vain, jos voimala sijaitsee joko Kravun kääntöpiirin eteläpuolella tai pohjoisen napapiirin pohjoispuolella. Välkevarjostuksen laskenta voi perustua joko ns. astronomisen maksimivälkkeen (worst case) tai todennäköisen tilanteen (real case) mallinnukseen. Astronomisen maksimivälkkeen laskennassa oletetaan, että päiväaikaan Aurinko paistaa jatkuvasti, tuulivoimalan roottori pyörii jatkuvasti ja roottori on aina kohtisuorassa Aurinkoa kohden. Todennäköisen tilanteen mallinnuksessa otetaan huomioon paikallinen tilastollinen aineisto auringonpaisteen määrästä ja ajoittumisesta sekä tuulen suuntien ja nopeuksien jakautumisesta. Tämän selvityksen välkelaskenta perustuu todennäköisen tilanteen mallinnukseen. 2.2 Ohjearvot Tuulivoimaloiden varjostusvaikutukselle ei ole Suomessa määritelty ohjearvoja. Ympäristöministeriön ohjeissa tuulivoimapuiston suunnitteluun suositellaan käytettäväksi muiden maiden suosituksia välkemäärien osalta 1. Tanskassa on määritetty vuotuisen välketuntimäärän suositusarvoksi 10 h. Ruotsissa vastaava suositusarvo on 8 h ja korkeintaan 30 minuuttia päivässä 2. Näiden ohjearvojen käyttö edellyttää todennäköisen välketilanteen laskentaa. Mikäli välketuntien arvioinnissa käytetään laskennallista maksimituntimäärää, voidaan välkevaikutuksien ohjearvona käyttää Saksassa käytettävää 30 h raja-arvoa. Tässä raportissa analysoitu välkevaikutus vastaa todellista odotettavissa olevaa välketuntimäärää, ja näin ollen suunnitteluohjearvona käytetään 8 tai 10 tuntia. 2.3 Mallinnusmenetelmä ja lähtöaineisto Tuulivoimaloiden aiheuttama vilkkuva varjostus (shadow flicker) arvioitiin geometrisella laskentamallilla, joka huomioi auringon paikan vuoden eri aikoina, tuulivoima-alueen ja sen ympäristön maastonmuodot sekä tuuliturbiinien dimensiot (Numerola Oy:n implementoima malli). Laskennan tuloksena saadaan tieto siitä, kuinka monta tuntia vuodessa alueen eri kohteet ovat vilkkuvan varjostuksen alaisena. Tulosta 1 Tuulivoimarakentamisen suunnittelu, Ympäristöhallinnon ohjeita , Ympäristöministeriö, Boverket: Vindkraftshandboken, Planering och prövning av vindkraftverk på land och i kustnärä vattenområden,

7 havainnollistetaan tasa-arvokäyrästöllä, jonka perusteella voidaan arvioida varjostusvaikutusta tarkastelualueella. Laskennassa on käytetty aiemmin mainittua turbiinityyppiä ja -mitoituksia. Tarkastelualueiden maanpinnan korkeuserot on saatu Maanmittauslaitoksen aineistosta Korkeusmalli 10 m. Korkeusdatan resoluutio on 10 m ja tarkkuus 1.4 m. Laskennassa huomioitiin korkeuserot siten, että jos auringon, turbiinin ja tarkastelupisteen kautta kulkeva jana leikkaa maanpintaa, niin varjostusta ei esiinny. Varjostusvaikutus laskettiin 1.5 m korkeudelle maanpinnasta. Auringonpaistekulman rajana horisontista käytettiin kolmea astetta, jonka alle menevää säteilyä ei oteta huomioon varjostuksessa. Turbiinin lapojen aiheuttama varjo heikkenee asteittain liikuttaessa etäämmälle turbiinista, eikä tietyn etäisyyden jälkeen varjo ole enää ihmissilmin havaittavissa. Tämä etäisyys riippuu turbiinin lavan leveydestä, ja esimerkiksi Ruotsin tuulivoimarakentamisen suunnitteluohjeistuksessa määritellään, että välkevarjostus huomioidaan mikäli lapa peittää vähintään 20 % Auringosta. Käytännössä tämä asettaa lavan leveydestä riippuvan maksimietäisyyden yksittäisen turbiinin aiheuttamalle välkevaikutukselle, eikä sen ulkopuolella välkevaikutusta ole. Yleensä välkelaskennan maksimietäisyyden laskenta perustuu lavan keskimääräiseen leveyteen, joka määrää maksimietäisyyden. Käytännössä turbiinin lapa ei ole vakiolevyinen: Levein kohta sijaitsee lähellä turbiinin napaa ja lapa kapenee huomattavasti kärkeä kohti liikuttaessa. Tällä perusteella lavan tyven välkevaikutus ulottuu huomattavasti pidemmälle kuin lavan kärjen, mikäli arviointiperusteena käytetään Auringon peittoastetta. Tässä selvityksessä välkelaskennassa ei ole käytetty tavanomaista maksimietäisyyttä, vaan on huomioitu turbiinin muuttuva lapaprofiili. Laskentamenetelmän yksityiskohdat on kuvattu luvussa 4. Todelliseen välkevaikutukseen vaikuttavat turbiinien käyttöaste, puusto ja paikallinen säätila (pilvisyys ja tuulisuus). Jos esimerkiksi tuulen suunta on kohtisuorassa auringon ja tarkastelupisteen välistä linjaa vasten, ei varjostusvaikutusta esiinny. Varjostuksen laskennassa turbiinin orientaatio voidaan määrittää, jolloin roottori oletetaan tiettyyn suuntaan asetetuksi ympyrätasoksi. Laskenta on suoritettu kuudella eri turbiinien orientaatiolla. Tämä vastaa 12 tuulen suuntasektorin varjostustuloksia, sillä vastakkaiset tuulensuunnat aiheuttavat välkkeen kannalta efektiivisesti saman roottorin orientaation. Kullakin tuulen suunnalla laskettua välketuntimäärää on skaalattu Suomen tuuliatlaksesta saatavan suuntasektorin esiintymisfrekvenssillä ja suuntakohtaisesta nopeusjakaumasta määritellyn turbiinin käyntinopeuksien ajallisella osuudella. Käynnistysnopeutta alemmissa tai pysäytysnopeutta korkeammissa tuulissa turbiinit ovat paikallaan, jolloin roottorin pyörimisestä aiheutuvaa valon välkkymistä ei esiinny. Suomen tuuliatlaksen tuulisuusestimaatti on otettu tuulivoima-alueen keskeltä korkeudelta 150 m, ja sen perusteella lasketut suuntasektorikohtaiset osuudet turbiinin käyntinopeusvälille osuville tuulille on lueteltu taulukossa (Taulukko 2). Paikallinen pilvisyys on huomioitu skaalaamalla eri roottoriorientaatioilla laskettuja varjostusaikoja Oulun sääsasemalta mitattujen auringonpaistetuntien suhteellisella osuudella teoreettisesta maksimipaistetuntien määrästä 3. Oulun sääaseman kuukausittaiset auringonpaisteen todennäköisyydet on koottu taulukkoon (Taulukko 3). Suuntakohtaisesti skaalatut välketuntimäärät yhteen laskien saadaan arvio todellisesta, säätilan huomioonottavasta välketuntimäärästä tarkastelualueella. 3 P. Pirinen et al.: Tilastoja Suomen ilmastosta , Ilmatieteen laitos, Raportteja 2012:1. 7

8 Vuotuinen välkevaikutus Tikkalan voimaloiden ympäristössä on laskettu sekä ilman puustoa että huomioimalla puuston näkyvyyttä ja välkevaikutusta rajoittava vaikutus. Mallinnuksessa käytetyt puiden korkeudet perustuvat Luonnonvarakeskuksen tuottamaan monilähteiseen valtakunnan metsien inventointiin vuodelta 2013 ( Luonnonvarakeskus, 2015). Aineiston mukaiset puun korkeudet Tikkalan alueen ympäristössä on esitetty karttakuvana (Kuva 2). Taulukko 2: Suuntasektorikohtaiset osuudet yli 3 m/s tuulennopeuksille Suomen tuuliatlaksen perusteella. Suuntasektori 0/180 30/210 60/240 90/ / /330 Yli 3 m/s osuus Taulukko 3: Auringonpaisteen kuukausittaiset todennäköisyydet Oulun sääasemalla. Kuukausi Auringonpaisteen todennäköisyys Tammikuu Helmikuu Maaliskuu Huhtikuu Toukokuu Kesäkuu Heinäkuu Elokuu Syyskuu Lokakuu Marraskuu Joulukuu

9 Kuva 2: Valtakunnallisen metsien inventoinnin mukaiset puun korkeudet Simon Tikkalan alueella. Välkevarjostusvaikutus Mallinnetut arviot todellisten välketuntien vuotuisesta määrästä on esitetty karttakuvina ilman puustoa (Kuva 3) sekä puuston vaikutus huomioiden (Kuva 4). Suuremmat versiot samoista karttakuvista on liitetty raportin loppuun. Puiden korkeuksien osalta lähtötietona käytetty Luonnonvarakeskuksen aineisto kuvaa vuoden 2013 tilannetta. Karttoihin on merkitty ympäristössä sijaitsevat loma- ja asuinrakennukset käyttäen lähtötietona Maanmittauslaitoksen maastotietokannan sisältämiä tietoja. Tulosten arvioinnissa on huomioitava, että metsänhoidolliset toimenpiteet aiheuttavat poikkeamia todelliseen tilanteeseen. Analyysissä oletetaan, että metsän sisälle turbiinit eivät näy, vaan puusto peittää näkyvyyden. Tämä ei välttämättä vastaa tarkalleen todellisuutta, sillä varsinkin metsän reunaa lähestyttäessä voimalat alkavat näkyä myös puiden ja kasvillisuuden lomasta. Taulukossa (Taulukko 4) on määritelty tuulivoimaloiden ympäristöstä kahdeksan vertailukiinteistöä, joiden kohdilla välkevaikutusta tarkastellaan tarkemmin. Vertailukiinteistöjen sijainnit suhteessa tuulivoimaloihin on esitetty kuvassa (Kuva 1). Taulukkoon on listattu myös vuotuinen välkevarjostusaika näiden kiinteistöjen kohdilla ilman puustoa ja puustovaikutuksen kanssa sekä suurin päiväkohtainen välkeaika ilman puustoa. Vuotuinen välkevaikutus ylittää 8 tunnin ohjearvon yhden asunnon kohdalla tuulivoima-alueen itäpuolella (kiinteistö K6). Puusto ei juurikaan rajoita voimaloiden näkyvyyttä tälle kiinteistölle, joten välkevaikutus ylittää 8 tuntia myös kun puuston vaikutus huomioidaan. Tuulivoima-alueen itäpuolella Viantienjoen varrella 9

10 on muutamia muitakin asuntoja, joiden kohdilla välkevaikutus on lähes 8 tuntia. Päiväkohtainen välkeaika pysyy kaikkien rakennusta kohdilla alle 30 minuutin ohjearvon. Taulukko 4: Vertailukiinteistöjen koordinaatit ETRS-TM35FIN-koordinaatistossa sekä välkevaikutus kiinteistön kohdalla. Kiinteistö E N Välkeaika ilman puustoa [h:min] Välkeaika puustolla [h:min] Suurin päiväkohtainen välkeaika [min] K :45 1:45 3 K :19 0:00 10 K :31 7:31 10 K :32 5:32 7 K :56 7:56 10 K :10 9:10 10 K :52 7:01 8 K :53 2:22 10 Kuva 3: Tuulivoimaloiden aiheuttama välketuntien määrä ilman puustoa. 10

11 Kuva 4: Tuulivoimaloiden aiheuttama välketuntien määrä puusto huomioiden. Välkkeen ajoittuminen vuoden- ja vuorokaudenaikojen suhteen vertailukiinteistöjen K3, K6 ja K8 kohdilla on esitetty taulukoissa (Taulukko 5-Taulukko 7). Ajoittuminen vastaa välkevaikutusta ilman puustoa: K3: touko-heinäkuulle aamuihin klo 6-10 ja iltapäiville klo 14-17, K6: touko-elokuulle iltapäiville klo 14-16, K8: maalis-syyskuulle iltapäiville klo

12 Taulukko 5: Välkevaikutuksen ajoittuminen ja kesto minuutteina kiinteistön K3 kohdalla. Kellonaika Tammikuu :00 Helmikuu :00 Maaliskuu :00 Huhtikuu :09 Toukokuu :18 Kesäkuu :28 Heinäkuu :41 Elokuu :54 Syyskuu :00 Lokakuu :00 Marraskuu :00 Joulukuu :00 Yhteensä :27 0:38 0 0:04 5:44 0: :31 Taulukko 6: Välkevaikutuksen ajoittuminen ja kesto minuutteina kiinteistön K6 kohdalla. Kellonaika Tammikuu :00 Helmikuu :00 Maaliskuu :00 Huhtikuu :14 Toukokuu :29 Kesäkuu :13 Heinäkuu :36 Elokuu :37 Syyskuu :00 Lokakuu :00 Marraskuu :00 Joulukuu :00 Yhteensä :09 6:11 2: :10 12

13 Taulukko 7: Välkevaikutuksen ajoittuminen ja kesto minuutteina kiinteistön K8 kohdalla. Kellonaika Tammikuu :00 Helmikuu :05 Maaliskuu :21 Huhtikuu :19 Toukokuu :13 Kesäkuu :10 Heinäkuu :58 Elokuu :10 Syyskuu :32 Lokakuu :06 Marraskuu :00 Joulukuu :00 Yhteensä :55 2: :53 13

14 3 Johtopäätökset Raportissa on esitetty Simon kunnassa Tikkalan alueella sijaitsevan tuulivoimapuiston ympäristölleen aiheuttaman välkevaikutuksen laskennalliset arviot. Mallinnus suoritettiin sekä ilman puustoa että huomioimalla puuston näkyvyyttä rajoittava vaikutus. Suomen olosuhteissa puusto usein rajoittaa näkyvyyttä turbiineille ja vähentää vuotuista välkevaikutusta. Mallinnuksessa käytetyt puiden korkeudet perustuivat Luonnonvarakeskuksen tuottamaan monilähteiseen valtakunnan metsien inventointiin vuodelta 2013 ( Luonnonvarakeskus, 2015). Välkevarjostusmallinnuksen mukaan vuotuinen välkevarjostusaika ylittää 8 tunnin ohjearvon yhden asunnon kohdalla alueen itäpuolella. Muiden lähialueen asuntojen kohdilla välkevaikutus jää alle 8 tunnin. Puusto ei merkittävästi vaikuta vuotuiseen välkevaikutukseen alueen itäpuolella Viantienjoen varrella sijaitseville asunnoille. 14

15 4 Välkevarjostuksen laskentamenetelmä Välkevaikutuksen laskennassa hyödynnetään taivaanpallon käsitettä, joka on maapallon maantieteellistä koordinaatistoa vastaava kuvitteellinen kuori katsottaessa maapallolta taivaalle. Samalla tavoin kuin paikan sijainti maapallolla voidaan ilmoittaa pituus- ja leveyspiirien avulla, voidaan taivaankappaleiden paikat taivaanpallolla ilmoittaa kahden koordinaatin (rektaskensio ja deklinaatio) avulla. Aurinko kulkee vuoden aikana taivaanpallolla kääntöpiirien väliin asettuvalla nauhalla, ja Auringon esiintymistiheys kyseisellä nauhalla voidaan esittää tiheysfunktiona. Tiettyyn pisteeseen kohdistuvaa vuotuista välkevaikutusta laskettaessa tarkastellaan sitä osaa taivaanpallosta, joka näkyy pisteeseen tuulivoimaloiden roottorikehien läpi. Näkyvyyden arvioinnissa otetaan huomioon paikallinen maaston korkeusaineisto. Mikäli kääntöpiirien väliin asettuva nauha ei näy roottorikehien läpi, tarkastelupisteeseen ei kohdistu välkevaikutusta. Muussa tapauksessa yksittäisen turbiinin aiheuttamien välketuntien määrä saadaan integroimalla tiheysfunktiota turbiinin roottorikehän läpi näkyvällä taivaanpallon osuudella. Turbiinien yhteisvaikutus saadaan summaamalla turbiinikohtaiset välketunnit ottaen kuitenkin huomioon mahdolliset päällekkäisyydet roottorikehien peittämissä alueissa. Laskenta suoritetaan erikseen turbiinien eri orientaatioille, joita skaalataan suuntakohtaisilla tuulisuusosuuksilla. Huomioitaessa kuukausittaista (tai muuta lyhytaikaista) vaihtelua auringonpaisteen todennäköisyydessä, taivaanpallon nauha jaetaan vastaaviin osiin Auringon deklinaation mukaan. Tiheysfunktio määritellään näissä osissa erikseen, ja integroinnin tuloksia skaalataan kuukausikohtaisilla todennäköisyyksillä. Turbiinin lapojen aiheuttama varjo heikkenee asteittain liikuttaessa etäämmälle turbiinista, eikä tietyn etäisyyden jälkeen varjo ole enää ihmissilmin havaittavissa. Tämä etäisyys riippuu turbiinin lavan leveydestä, ja esimerkiksi Ruotsin ja Saksan tuulivoimarakentamisen suunnitteluohjeistuksessa määritellään, että välkevarjostus huomioidaan, mikäli lapa peittää vähintään 20 % Auringosta. Käytännössä tämä asettaa lavan leveydestä riippuvan maksimietäisyyden yksittäisen turbiinin aiheuttamalle välkevaikutukselle, eikä sen ulkopuolella välkevaikutusta ole. Kun lavan leveys on w metriä, niin 20 % Auringon peittoon perustuvan välkevarjostuksen maksimietäisyyden määrittämiseen voidaan johtaa laskentakaava maksimietäisyys = (5 * d * w)/ , missä d on etäisyys Aurinkoon ( km). Yleensä välkelaskennan maksimietäisyyden laskenta perustuu lavan keskimääräiseen leveyteen, joka määrää maksimietäisyyden. Käytännössä turbiinin lapa ei ole vakiolevyinen: Levein kohta sijaitsee lähellä turbiinin napaa ja lapa kapenee huomattavasti kärkeä kohti liikuttaessa. Tällä perusteella lavan tyven välkevaikutus ulottuu huomattavasti pidemmälle kuin lavan kärjen, mikäli arviointiperusteena käytetään Auringon peittoastetta. Seuraavassa kaaviokuvassa on esitetty yksinkertaistettu malli tyypillisestä profiilista, jossa lavan maksimileveys on H etäisyydellä L lavan tyvestä. Lavan kokonaispituus on R ja lavan leveys 90% etäisyydellä tyvestä on h. Lavan oletetaan kapenevan lineaarisesti arvosta H arvoon h liikuttaessa maksimikohdasta kärkeen. Tavanomaisesti välkelaskennassa turbiinin keskimääräinen leveys määritetään parametrien H ja h keskiarvona (esim. WindPRO Shadow). 15

16 Kuva 5: Turbiinin lavan yksinkertaistettu profiili. Tämän raportin välkelaskennassa huomioidaan lavan leveyden muuttuminen laskemalla leveyksiä H ja h vastaavat välkevarjostuksen maksimietäisyydet D H ja D h: D H(h) = (5 * d * H(h))/ Jos laskentapisteen ja turbiinin välinen etäisyys on pienempi kuin D h, niin välkelaskennassa huomioidaan turbiinin roottori kokonaisuudessaan (säde R). Jos etäisyys on suurempi kuin D H, niin turbiinin välkevaikutus tulkitaan nollaksi, eikä turbiinia huomioida välkevaikutuksen laskennassa. Mikäli laskentapisteen ja turbiinin välinen etäisyys t liikkuu arvojen D h ja D H välillä, niin laskennassa huomioitava roottorin säde r muuttuu lineaarisesti arvosta R arvoon L: r = L (t - D h)/(d H D h) + R (D H t)/(d H D h). Tällä tavoin välkelaskennassa huomioidaan turbiinin muuttuva lapaprofiili, ja saadaan realistisempia tuloksia kuin olettamalla tietty keskimääräinen lavan leveys ja sitä vastaava kiinteä maksimietäisyys. Välkelaskennassa tarvittavia laskentaparametreja ovat H, h ja L. Mallinnuksessa käytetyn turbiinityypin lavan maksimileveydeksi H oletettiin 4.3 m ja parametrin h arvoksi 1.1 m. Lavan leveimmän kohdan oletetaan sijaitsevan 10% etäisyydellä tyvestä eli L=0.1*R. 16

17 17

18 18