Vaasan Yliopisto 9. Lokakuuta 2014
Johdanto
Tekniikka Tekniikka Tekniikka tarkoittaa menetelmiä, joilla ihminen vaikuttaa ympäristöönsä ja käyttää sitä hyväkseen. a a Lähde: Wikipedia Luonnon mahdollisuuksien hyödyntämistä, varsinkin aineellisten tuotteiden valmistusta ja käyttöä luonnontieteiden sovelluksiin perustuvin keinoin. Tekniikan etiikka Kuinka hyödyntää luontoa vastuullisesti?
Kestävä kehitys Gro Harlem Brundtland (1987) Kestävä kehitys on kehitystä, joka tyydyttää nykyhetken tarpeet viemättä tulevilta sukupolvilta mahdollisuutta tyydyttää omat tarpeensa. Käytännössä voimme hyödyntää luonnonvaroja vain niin nopeasti kuin ne uudistuvat. Vrt. Uusiutuva energia, fossiiliset polttoaineet, turve.
Suomen tuulivoimakapasiteetti 1 1 Lähde: VTT tuulienergiatilastot http://www.vtt.fi/proj/windenergystatistics/
Tuulivoimakapasiteetti Euroopassa, 2013 lopussa Country Malta Germany Spain UK Italy France Denmark Portugal Sweden Poland Netherlands Romania Ireland Greece Austria Belgium Bulgaria Finland Hungary Estonia Lithuania CzechR Cyprus Latvia Luxembourg Slovakia Slovenia 0 5000 10000 15000 20000 25000 30000 35000 Capacity / MW 2
TEM energiaskenaariot 2010 2020 Uusiutuvat 110 TWh 134 TWh Teoll. jäteliemet 38 TWh 39 TWh Teoll. lähdepuu 20 TWh 18 TWh Muu puu 31 TWh 38 TWh Tuulivoima 0,3 TWh 6 TWh Öljy 98 TWh 88 TWh Kokonaiskulutus 323 TWh 317 TWh Primäärienergian tarve 407 TWh 426 TWh josta uusiutuvilla 24 TWh 33 TWh 28% 35 % Tuulivoiman tuotantotavoite 6 TWh vuonna 2020 9 TWh vuonna 2025
TEM 19.12.2013 Tuulivoimarakentamisen kannalta keskeisin kysymys on tuulivoimaloiden melua koskevat suunnitteluohjearvot ja niiden soveltaminen.
Melun raja-arvot ja ohjearvot Tuulivoimarakentamisen ulkomelutason suunnitteluohjearvot 3 ajalle (7-22) L Aeq päivä- Asumiseen käytettävillä alueilla, loma-asumiseen käytettävillä alueilla taajamissa, virkistysalueilla Loma-asumiseen käytettävillä alueilla taajamien ulkopuolella, leirintäalueilla, luonnonsuojelualueilla L Aeq yöajalle (22-7) 45 db 40 db (45 db) 4 (40 db) 40 db (45 db) 35 db (40 db) Muilla alueilla ei sovelleta ei sovelleta Valtioneuvoston päätöksen (VNp 993/1992) mukaan melutaso päivällä ei saa asuinalueilla ylittää 55 db eikä yöllä 50 db. Uusilla alueilla yöohjearvon on 45 db. Sisätiloissa melutaso ei saa päivällä ylittää 35 db ja yöllä 30 db. 3 Lähde: Ympäristöministeriö, Tuulivoimarakentamisen suunnittelu, 4.2012 4 Lähde: Valtioneuvoston asetusluonnos 17.11.2014
Tuulivoiman äänen luonne
Ääntä kuvaavia suureita Suure Tunnus yksikkö Äänenpaine p Pascal Äänenpainetaso L desibeli, db L = 20 log 10 (p/p 0 ), (1) Missä p 0 = 20 µpa, on vertailutaso, joka vastaa pienintä kuultavissa olevaa äänenpainetasoa 1000 Hz taajuudella. Painottamattoman äänenpainetason L sijasta käytetään usein ihmisen kuulokäyrän mukaan painotettua äänenpainetasoa L A. Katso lisää wikipediasta: painotettu äänenpainetaso (engl). Äänen spektri: 0.5 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 0.1 Infraääni: 0-20 Hz Kuuluva ääni 20Hz - 20 khz Ultraääni 20 khz - Matalataajuinen ääni 20-200 Hz 0.2 10-1 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 Taajuus / Hz
Aerodynaamisen melun syntymekanismit Ääninäytteet: siipiprofiilin ääni, tuuliturbiinin ääni.
Aerodynaamisen melun sisältämät taajuudet, eli spektri Matalien taajuuksien taajuuskomponentit korostuvat. Kun tuulen nopeus kasvaa, niin korkeiden taajuuksien osuus kasvaa. 70 60 50 Meluspektri: Havaitsijan paikka [-10.0, 0.0, 2.0] Yhteensä Jättöreuna Kärki Etureuna Tylppä reuna Teho / db 40 30 20 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 Taajuus / khz
Tuuliturbiinin yksittäisen siiven aiheuttama ääni I 0.045 0.040 0.035 0.030 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 0 50 100 150 200 250 300 350 400 t [s] Havaitsijan sijainti: x=35 m, y=0 m, z=2 m, tuuligradientti 0.6. Modulaatioindeksi 0.092, modulaatiosyvyys 1.6 db. Ääni kuulostaa turbiinin lähellä suhahtelulta (swishing). [Brooks et al., 1989]
Tuuliturbiinin äänen sykintää kaukokentässä I Lavan yläasennossa syntyvällä äänellä on esteetön reitti havainnointipaikkaan, kun taas ala-asennossa syntyvä melu vaimenee enemmän. Tästä etenemistien epäsymmetrisyydestä saattaa syntyä sykintää (AM modulaatio) havaittuun turbiinin ääneen. [Smith et al., 2012]
Tuuliturbiinin äänen sykintää kaukokentässä II Lavan yläasennossa turbiinin lapakulma on epäedullinen voimakkaasta tuuligradientista johtuen. Siksi virtaus irtoaa lavan yläreunasta, eli lapa sakkaa. Sakkaustilanteessa rajakerroksen paksuus kasvaa, ja lavan siipiprofiilin yläpinnalle muodostuu suurempia ja voimakkaampia turbulensseja, aiheuttaen voimakasta ääntä, jonka taajuus on normaalia alhaisempaa. Jos tämä toistuu joka kierroksella, kaukokentässä ääni havaitaan voimakkaasti sykkivänä, jopa jyskyttävänä (thumping). [Oerlemans, 2013, Cand et al., 2012]
Esimerkki tuulivoimamelusta I 0.05 0.04 signal Modulation index Envelope 90% percentile 50% percentile Modulation index 1.6 1.4 1.2 Sound pressure [Pa] 0.03 0.02 0.01 1.0 0.8 0.6 Modulation index 0.4 0.2 0.00 0.0 665 670 675 680 685 690 Time [s] Äänisignaali, verhokäyrä ja verhokäyrän vaihteluväli. Tuulennopeus 5 m/s, sijainti 1050 m ylätuuleen turbiinista, äänenpainetaso 47 db (35 dba) ilman taustamelukorjausta. Ääninäyte
Esimerkki tuulivoimamelusta II Sound pressure [Pa] 0.025 0.020 0.015 0.010 0.005 0.000 Envelope 50% percentile Modulation index 1.6 1.4 1.2 1.0 0.8 0.6 Modulation index 0.4 0.2 0.005 0.0 650 700 750 800 850 900 950 1000 Time [s] 100 ms äänenpainetaso, keskiarvo ja modulaatioindeksi.
Tuulivoiman meluvaikutusten arviointi
Melutason etukäteisarviointi
Porin Peittoon osayleiskaava
STM:n suojavyöhyke-ehdotus, (HS 5.10)
Tuulivoimalan näennäisen äänitehon määrittäminen: IEC-61400-11 standardin mukainen mittaus d Sääasema h R 1 Mikrofoni 2d - 4d R=h+d/2 Turbiinin äänenpainetaso mitataan turbiinin nimellistuulennopeudella melumallinnuksen lähtöarvoksi. 5 Lähde: VTT, Tuulivoimamelun mittausmetodiikan kehittäminen, 2013, Standardi IEC 61400-11 5
Tuulivoimalan äänenpainetason määrittäminen mallintamalla 1 Tehdään IEC 61400-11 standardin mukainen mittaus 2 Lasketaan äänitehotaso (melulähteen voimakkuus) ( ) R1 L WA = L Aeq 6 db + 20 log 10, (2) R 0 3 Mallinnetaan melun leviäminen, eli melutaso etäisyydellä R L ft = L WA 11 db 20 log 10 ( R R 0 ) A atm, (3) L Aeq on ekvivalentti A painotettu äänenpainetaso desibeleinä, R 1 on havaitsijan ja äänilähteen välinen etäisyys, R 0 on referenssietäisyys (1 m), A atm on ilmakehän vaimennus (absorptio).
Vaimennus [db] Vaimennus [db / km] Äänen vaimeneminen ilmakehässä 70 60 50 40 30 20 10 0 10 0 10 1 10 2 10 3 10 4 Etäisyys [m] 4.0 3.5 3.0 2.5 2.0 1.5 1.0 0.5 0.0 10 1 10 2 10 3 Taajuus [Hz] Ääni vaimenee pääasiassa geometrisen hajaantumisen ja ilmakehän absorption vaikutuksesta. Absorptio kilometriä kohti riippuu äänen taajuudesta. 250Hz taajuinen ääni vaimenee noin 1 db/km Geometrinen hajaantuminen riippuu etäisyydestä, mutta ei taajuudesta. Vaimennus 6 db etäisyyden kaksinkertaistuessa.
Melumallinnus Yhdistetään edelliset kaavat, ja tehdään pieni Python-ohjelma sen visualisoimiseksi: 110 Lw=108 100 Aatm=1.0 90 R=linspace(1,5000) 80 L=Lw-11-20*log10(R)-Aatm 70 plot(d,l, linewidth=2) 60 grid() 50 xlabel( Etäisyys [m] ) 40 30 ylabel( Vaimennus [db] ) 0 1000 2000 3000 4000 5000 Etäisyys [m] Vaimennus [db]
Tuulivoiman äänen terveysvaikutukset
Terveysvaikutusten tutkimusta I [Hongisto, 2014]: Yhteenveto kuudesta kenttätutkimuksesta. Alueilla joissa A painotettu äänenpainetaso talon ulkopuolella ylittää 40 db, niin 10% asukkaista kokee äänen häiritseväksi talon sisäpuolella. Yhteyttä terveysvaikutuksiin tai unen laatuun ei havaittu. Jos äänenpainetaso on alle 40 dba, niin muut tekijät selittävät häiritsevyyttä äänenpainetasoa paremmin. Epävarmuustekijänä äänenpainetasojen mittaustulosten puuttuminen.
Terveysvaikutusten tutkimusta II Health Canada 2014: Laaja tuulivoiman äänivaikutusten tutkimus johon osallistui 1238 kotitaloutta 399 tuuliturbiinin vaikutusalueelta, vastausprosenti 78.9%. Kyselyn lisäksi äänenpainetasoja mitattiin. Tuulivoiman äänellä ei havaittu yhteyttä itse raportoitujen unihäiriöiden sairauksien tai elämän laadun kanssa. Tuulivoimamelusta kiusaantumisen todettiin korreloivan melutason kanssa. Myöskään C painotetut äänenpainetasot eivät korreloineet terveysvaikutusten kanssa. Matalataajuisten äänten taso korreloi niin vahvasti A painotettujen äänitasojen kanssa, että C painotetusta tasomittauksesta ei nähty mitään etua A painotettuihin mittauksiin nähden. Infraääniä mitattiin vielä jopa 10 km etäisyydellä tuulipuistosta, mutta yleensä niiden taso oli alle taustamelutason. Kanadalaisten talojen ääneneristävyys matalataajuisille äänille oli keskimäärin 14 db kun ikkunat olivat kiinni ja 10 db kun ikkunat ovat auki.
Terveysvaikutusten tutkimusta III Kopsan sisämelumittaus ja ulkomelumittaus: Äänitasoja mitattiin noin 1,5 km etäisyydellä lähimmästä turbiinista sijaitsevassa talossa. Yhden minuutin aikana keskiarvotetut sisämelutasot pysyivät alle 30 db ja ulkona alle 45 db. Myöskään pienitaajuisen melun taajuuskaistoittaiset ohjearvot eivät ylittyneet. Mittaukset tehtiin silloin kun asukas piti ääniä häiritsevinä. Ulkomelumittauksissa yli 50 db äänenpainetasoja ei havaittu mittauspisteessä, noin 1,5 km etäisyydellä turbiineista. Toisinaan mittauksissa havaittiin 80 Hz soinnikas (tonaalinen) komponentti.
Yhteenveto terveysvaikutuksista ja häiritsevyydestä Tuulivoimamelun ei ole havaittu korreloivan itse raportoitujen terveysvaikutusten kanssa Äänimittauksia ei ole useinkaan tehty, ennen kuin uusimmissa tutkimuksissa. Tuulivoimamelun on todettu joissain tapauksissa häiritsevän asukkaita, silloinkin kun sallitut äänitasot eivät ylity Äänenpainetaso korreloi kuitenkin huonosti koetun häiritsevyden kanssa. Kyseessä voi olla henkilökohtaiset ominaisuudet tai tuuliturbiinin äänen erityspiirteet.
Hiljainen tuulivoima?
Ääneen vaikuttavia turbiinin parametreja Toimintatapa: Ilmanvastus (drag) vai noste (lift) Siipien muotoilu: Kaarevampi muotot (chamber) voi auttaa vähentämään melua, vaikka teho ei vähene. Siiven kärjen nopeus suhteessa tuulennopeuteen, eli ns. kärkinopeussuhde: Suurella kärkinopeussuhteella (esim 10) tehokkuus on hyvä, mutta turbiini tuottaa paljon melua. Siiven kärkien muotoilu: Siivekkeet pienentävät kärkipyörrettä, vertaa lentokoneet. Jättöreunan muotoilu: Hammastuksen on todettu vähentävän melua. Pöllön jäljittely: Käsisulat, pehmeä höyhenpeite ja eteenpäin harottavat sulat pehmentävät kaikki ilman ja siiven välistä rajapintaa, mikä vähentää melua.
Hiljainen siipi :)
References Brooks, T. F., Pope, D. S., and Marcolini, M. A. (1989). Airfoil self-noise and prediction, volume 1218. National Aeronautics and Space Administration, Office of Management, Scientific and Technical Information Division. Cand, M., Bullmore, A., Smith, M., Von-Hunerbein, S., and Davis, R. (2012). Wind turbine amplitude modulation: research to improve understanding as to its cause & effect. In d Acoustique, S. F., editor, Acoustics 2012 Nantes, Nantes, France. 00004 EN-S05: Wind turbine noise EN-S05: Wind turbine noise. Hongisto, V. (2014). Tuulivoimalamelun terveysvaikutukset. Työterveyslaitos. 00000. Oerlemans, S. (2013). An explanation for enhanced amplitude modulation of wind turbine noise. Wind Turbine Amplitude Modulation: Research to Improve Understanding as to its Cause and Effect, Work Package A, 1. 00001. Smith, M., Bullmore, A., CAND, M., and Davis, R. (2012). Mechanisms of amplitude modulation in wind turbine noise. In d Acoustique, S. F., editor, Acoustics 2012, Nantes, France. 00006.