Głównym źródłem emisji hałasu do środowiska elektrowni wiatrowych są turbiny, które mogą być łączone w farmy wiatrowe, pod warunkiem zachowania odległości pomiędzy poszczególnymi elektrowniami.
Turbiny wiatrowe są źródłem dwóch rodzajów hałasu, tj:
• hałasu mechanicznego, pochodzącego z gondoli, tj. generatora i przekładni biegów,
• hałasu aerodynamicznego, wytwarzanego przez obracające śmigła, tj. zaburzenia ośrodka na końcach łopat, turbulencje, zmiany ciśnienia podczas przejścia łopat obok wieży.
Pracy turbin wiatrowych towarzyszy emisja zarówno hałasów słyszalnych w przedziale od ok. 20 Hz do ok. 20 kHz, jak również infradźwięków, występujących w zakresie od 0,5 Hz do 20 Hz. Głównymi źródłami hałasu eksploatowanej elektrowni wiatrowej będzie szum obracających się śmigieł oraz praca generatora.
Elementami składowymi elektrowni wiatrowej są (Rys.1):
• Wieża - konstrukcja stalowa lub żelbetowo – stalowa, pokryta powłoką lakierniczą. Wewnątrz niej znajduje się drabina lub winda z atestowanymi zabezpieczeniami. Umieszczone są w niej także szafy sterownicze elektrowni.
• Gondola - samonośna konstrukcja wsporczą dla zespołu napędowego. Najważniejszymi elementami maszynowni elektrowni wiatrowej są generator prądotwórczy, przekładnia i hamulec. Wirnik obraca się zwykle z prędkością 15-20 obr/min, natomiast typowy generator asynchroniczny wytwarza energię elektryczną przy prędkości ponad 1500 obr/min. Zwiększenie prędkości obrotowej dokonuje się przy użyciu skrzyni przekładniowej. Gondola połączona jest z wieżą w taki sposób, że możliwe jest jej obrót i ustawienie się pod wiatr. Zapewnia jej to zainstalowany silnik na szczycie wieży, który poprzez przekładnię zębatą może ją obracać.
• Wirnik – element złożony z żeliwnej piasty oraz trzech łopat wykonanych z tworzywa sztucznego. Wirnik jest przymocowany do wału i za jego pośrednictwem napędza generator prądu.
Na przykład siłownie o mocy nominalnej do 3 MW mają wysokość wieży ok. 150 m, a rozpiętość łopat wirnika do 100 m. Ich moc akustyczna wynosi ok. 108 dB(A).
Głównym źródłem hałasu emitowanego przez turbiny wiatrowa są łopaty wirnika,
które podczas ruchu obrotowego pokonują aerodynamiczny opór powietrza. Krawędzie śmigieł wykonują drgania przy przepływie wokół nich powietrza. To sprawia, że największa emisja hałasu pochodzi z końcowych fragmentów śmigieł, gdzie prędkość obrotowa jest największa. Hałas ten charakteryzuje się wyrównaną charakterystyką widmową bez dominujących składowych tonalnych. Również układ przetwarzający energią, tj. wirnik, przekładnia, generator, ma swój wkład w całkowitym poziomie hałasu generowanego przez turbinę. W nowoczesnych rozwiązaniach stosuje sie turbiny niskoszumowe. Poziom mocy akustycznej elektrowni jest ściśle związany z prędkością wiatru, przy której elektrownia pracuje. Wynika to ze znaczącego udział hałasu aerodynamicznego. Turbina wiatrowa jest kierunkowym źródłem dźwięku, gdzie maksymalna emisja hałasu występuje w kierunku zgodnym z kierunkiem wiatru. Rys. 2 przedstawia zależność poziomu mocy akustycznej elektrowni ENERCON E-82 2MW w funkcji prędkości wiatru. Uwzględnienie kierunkowości źródła w obliczeniach propagacji dźwięku jest konieczna w przypadku dokładnego określenia poziomów dźwięku na terenie znajdującym się pomiędzy poszczególnymi elektrowniami wchodzącymi w skład farmy wiatrowej. W sytuacji rozmieszczenia zabudowy dookoła elektrowni farmy wiatrowej, można wykonać uproszczone obliczenia akustyczne z pominięciem kierunkowości. W takim przypadku przyjmujemy maksymalną i jednakową emisję we wszystkich kierunkach. Jednak, gdy tereny podlegające ochronie akustycznej znajdują się pomiędzy elektrowniami i istnieje konieczność dotrzymania dopuszczalnych poziomów hałasu, to należy wykonać wariantowe obliczenia trybów pracy turbin w zależności od warunków meteorologicznej, tj. wykonanie obliczenia dla różnych kierunków wiatrów z uwzględnieniem kierunkowości emisji hałasu z turbin. Funkcję kierunkowości przedstawioną na Rys. 3 przyjęto za opracowaniem Wind farm cumulative impact assessment, (Hoare Lea Acoustics & Hayes McKenzie Partnership Ltd., 2007); kąt 180o - kierunek z wiatrem.
Natężenie hałasu emitowanego przez farmę jest uzależnione od następujących czynników:
• sposobu rozmieszczenia turbin w obrębie farmy,
• modelu elektrowni wiatrowych,
• ukształtowania terenu,
• prędkości i kierunku wiatru.
Ze wzrostem prędkości wiatru wzrasta poziom szumu aerodynamicznego emitowanego przez turbinę. Rośnie również natężenie szumu wiatru, który w dużym stopniu maskuje dźwięki emitowane przez turbinę. Hałas mierzony w punkcie obserwacji (pomiarowym) określa się mianem imisji hałasu. Na wielkość imisji hałasu wpływa emisja źródła hałasu oraz propagacja hałasu w środowisku, która zależy od odległości między emiterem hałasu a punktem imisji, efektem ekranowania fal dźwiękowych w środowisku, tłumieniem dźwięku przez grunt, zieleń oraz powietrze.
Przeprowadzone badania (Pedersen & Waye, 2004) wykazały, że osoby mieszkające w pobliżu elektrowni wiatrowych uzależniali poziom hałasu emitowanego przez turbiny od kierunku i prędkości wiatru. Dla 54% osób, dla których hałas ten jest zauważalny, był on wyższy w przypadku, gdy wiatr wiał od turbiny w kierunku ich domu, a dla 39% gdy wiatr wiał z dużą siłą. Kolejno 7% badanych przyznało, że hałas był dla nich uciążliwy również wewnątrz budynków. Natomiast 23% badanych osób wiązało zaburzenia snu z hałasem, który słyszeli. Większość z nich narażona była jednak na hałas na poziomie przekraczającym 35 dB i prawie wszyscy spali przy otwartym oknie. Ludzie zwykle są wrażliwsi na hałas emitowany przez turbiny wiatrowe niż przez inne źródła hałasu o takim samym natężeniu, np. hałas samochodowy czy lotniczy. Zjawisko to kojarzy się z oddziaływaniem farm wiatrowych na krajobraz, które może potęgować negatywne nastawienie ludzi do tego rodzaju inwestycji w porównaniu z innymi źródłami hałasu.
Pracy elektrowni wiatrowych towarzyszą infradźwięki. Są to niskoczęstotlowościowe fale dźwiękowe, tj. leżące w zakresie częstotliwości od 0,5 Hz – 20 Hz, niesłyszalne dla ludzkiego ucha. Mają bardzo duże długości fali (powyżej 17 m), są słabo tłumione i mogą rozchodzić się na duże odległości. Generują je łopaty przy przejściu obok wieży turbiny, a ich częstotliwość i natężenie zależy od prędkości obrotowej wiatraka. Istnieją rozbieżne stanowiska wpływu pracy turbin na komfort i zdrowie człowieka. Aktualnie jakość klimatu akustycznego w środowisku reguluje Rozporządzenie Ministra Środowiska z 2007 r., w którym do oceny używa się wartości dopuszczalnych hałasu dla charakterystyki częstotliwościowej A, tj. dla zakresu słyszalnego dźwięku. Nie istnieją żadne regulacje prawne dla hałasu infradźwiękowego w środowisku. W Rozporządzeniu Ministra Pracy i Polityki Społecznej z dnia 05.08.2005 podaje się dopuszczalne poziomy hałasu w zakresie infradźwięków na stanowisku pracy odniesione do 8-godzinnego dobowego wymiaru czasu pracy. Wartości dopuszczalne, ze względu na ochronę zdrowia dla poszczególnych częstotliwości środkowych pasm oktawowych, wynoszą:
• 4 Hz – 110 dB,
• 8 i 16 Hz – 110 dB,
• 31,5 Hz – 105 dB.
Przy wysokich poziomach ciśnienia akustycznego (ponad 160 dB) mogą wywoływać poczucie ucisku w uszach, nadmiernego zmęczenia, senności oraz zaburzenia sprawności psychomotorycznej. Jednak tych przepisów nie należy stosować do określania hałasu w środowisku.
Np. zmierzone poziomy infradźwięków w odległości 500 m od wieży turbiny VESTAS V80 (o mocy elektrycznej 2MW) nieznacznie wykraczały poza poziom tła i leżały w granicach [20]: - 62 dB (31,5 Hz), - 70 dB (16 Hz), - 78 dB (8 Hz), - 83 dB (4 Hz). Posiłkując się kryteriami dotyczącymi stanowisk pracy, można wnioskować, że praca elektrowni wiatrowych nie stanowi źródła infradźwięków o poziomach mogących zagrozić zdrowiu ludzi.
Podstawy prawne oraz szczegółowe uregulowania w zakresie wykonywania ocen wpływu drgań od różnych urządzeń na konstrukcję budynku i na ludzi w budynkach są zawarte w dwóch polskich normach:
• PN-85/B-02170. Ocena szkodliwości drgań przekazywanych przez podłoże na budynki.
• PN-88/B-02171. Ocena wpływu drgań na ludzi w budynkach.
Eksploatacja elektrowni wiatrowych stanowi źródło wibracji pochodzących z generatora i rotora, a także drgań wieży powstających na skutek jej odchylania się od pionu pod wpływem naporu wiatru. Wibracje o bardzo niskich częstotliwościach, związane z obrotem śmigieł wiatraka, po przeniknięciu przez konstrukcje wieży mogą przedostawać sie do gruntu i propagować w najbliższym otoczeniu. Z przeprowadzonych dotychczas badań wynika, że wartość skuteczna przyspieszenia drgań na obudowie wieży turbiny wiatrowej kształtuje sie na poziomie od 12,136 cm/s2 do 23,363cm/s2. Jednocześnie badania drgań wykonane na fundamencie wieży turbiny wiatrowej wykazały występowanie drgań na poziomie od 5,377cm/s2 do 10,815cm/s2. Decydujący wpływ na konstrukcję budynków mają drgania poziome. Dostępne dane pomiarowe wskazują, że są to drgania o częstotliwości poniżej 600 Hz i bardzo małej amplitudzie. Jednak ta amplituda drgań przekazywana przez podłoże na budynki znajdujące się w sąsiedztwie projektowanej farmy wiatrowej nie przekroczy dolnej granicy strefy drgań odczuwalnych przez budynki. Brak jest również dowodów potwierdzających wpływ wibracji z elektrowni wiatrowych przenoszonych przez grunt na zdrowie ludzi.
Autor: rzeczoznawca akustyk dr Witold Ziółkowski
tempus-halas.pl/