Geluid van windturbines

Transcriptie

1 Geluid van windturbines Stefan Oerlemans Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium NLR ODE Windsectie bijeenkomst, 28 november 2009, Utrecht Nationaal Lucht- en Ruimtevaartlaboratorium National Aerospace Laboratory NLR

2 Inhoud Introductie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Voorspellen van windturbinegeluid Stille windturbines Conclusie Geluid van windturbines 28 november

3 Inhoud Introductie Achtergrond Motivatie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Voorspellen van windturbinegeluid Stille windturbines Conclusie Geluid van windturbines 28 november

4 Windturbines en het NLR Het NLR is het centrale onderzoeksinstituut op het gebied van lucht- en ruimtevaart in Nederland Twee vestigingen (Amsterdam en Noordoostpolder) Ongeveer 700 medewerkers Onderzoek naar stillere vliegtuigen Geluid van de motoren Stromingsgeluid (landingsgestellen, vleugelkleppen) Geluid windturbines vergelijkbaar met vliegtuigen Proefschrift Universiteit Twente gebaseerd op onderzoek bij NLR Geluid van windturbines 28 november

5 Waarom dit onderzoek? Het geluid van windturbines is een belangrijke belemmering voor de toepassing van windenergie Veel molens draaien s nachts op half vermogen Sommige projecten afgelast vanwege geluid Windturbines hinderlijker dan ander omgevingsgeluid Onvoorspelbaar en zoevend karakter Verminderen van overlast Grote afstand tot bebouwing: weinig lokaties Windmolens op zee: hoge kosten (onderhoud, transport) Beperkingen en overlast kunnen worden verminderd door stillere windturbines Hoe ontstaat het geluid? Geluid van windturbines 28 november

6 Inhoud Introductie Akoestische antenne Detectie van geluidsbronnen Kwantificeren van resultaten Bewegende bronnen Geluidsbronnen op windturbines Voorspellen van windturbinegeluid Stille windturbines Conclusie Geluid van windturbines 28 november

7 Detectie van geluidsbronnen Om het geluid te kunnen verminderen moeten eerst de bronnen bekend zijn Met een enkele microfoon kan alleen het totale geluidsniveau worden gemeten Door meerdere microfoons te combineren kunnen verschillende geluidsbronnen worden gelokaliseerd slat noise engine outlet landing gear nose wheel engine inlet flap noise akoestische antenne Geluid van windturbines 28 november

8 Akoestische antennemethode Geluidsgolven vergelijkbaar met golven in water X bron antenne golf Geluid van windturbines 28 november

9 Delay and sum beamforming microphone signals array scan plane delay&sum source map 2D source map p 1 p 2 t ( ) t = r r c 2 1 t m 1 m 2 r 1 r 2 source α X X pos.1 pos.2 σ 1 σ 2 t t X X Geluid wordt met meerdere microfoons tegelijk gemeten Door aankomsttijden van het geluid op de microfoons te vergelijken, kan de richting van de bron worden bepaald Slechts 1 meting: dataverwerking gebeurt naderhand Geluid van windturbines 28 november

10 Voorbeeld akoestische antennemeting Vliegtuigmodel in wind tunnel Meeste geluid komt van de voorrand van de vleugel Geluid van windturbines 28 november

11 Kwantificeren van antenneresultaten Integratiecontouren rond hoofd- en staartrotor van helicopter 800 Hz 6300 Hz 120 SPL [db] TR MR Frequency [Hz] Geluid van windturbines 28 november

12 Bewegende bronnen Blade-vortex-interaction geluid van helicopter 1600 Hz 2000 Hz Stationary source maps: BVI on retreating side Corresponding rotating maps: equal noise production by four MR blades Geluid van windturbines 28 november

13 Inhoud Introductie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Hoe ontstaat het geluid? Voorspellen van windturbinegeluid Stille windturbines Conclusie Geluid van windturbines 28 november

14 Bronnen van windturbinegeluid Grote moderne windturbines Horizontale as Rotor stroomopwaarts van mast Mechanisch geluid uit de gondel Aerodynamisch geluid van de bladen Inflow turbulentie geluid Tipgeluid Profielgeluid trailing edge leading edge rotor hub blade tip Geluid van windturbines 28 november

15 Mechanismen van profielgeluid Grote windturbines: tipsnelheid ~ 75 m/s, koorde ~ 1 m Re ~ 5 miljoen, M ~ 0.2 Geluidmechanismen: Stompe achterrand kan worden voorkomen door goed ontwerp Wervelafschudding laminaire grenslaag alleen voor kleine windturbines (Re<1 miljoen) Loslating niet belangrijk voor pitch-control turbine Grenslaagachterrandgeluid ondergrens voor profielgeluid (achterrandgeluid) Geluid van windturbines 28 november

16 Geluidsmetingen windturbines Twee windturbines Spanje: 850 kw, 60 m Wieringermeer: 2.3 MW, 100 m Akoestische antenne voor brondetectie Platform 18 x 20 m microfoons Elliptisch patroon van microfoons Turbine Turbine 10 Wind 5 Antenne [m] 0 Antenne 45 Wind [m] Geluid van windturbines 28 november

17 Praktische problemen... Regen Hitte Geen wind Falende systemen Vertragingen Spaanse klimmers Boeren Heli s Geluid van windturbines 28 november

18 Geluidsbronnen windturbines Geluid van de bladen dominant Meeste geluid komt van het buitenste deel van de bladen (maar niet de uiterste tip) Vrijwel al het geluid geproduceerd tijdens neergaande beweging Verklaring voor zoevend geluid tijdens passeren van bladen Achterrandgeluid is het dominante mechanisme! Geluid van windturbines 28 november

19 Inhoud Introductie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Voorspellen van windturbinegeluid Voorspellingsmethode Validatie met metingen Voorspelling geluidfootprints Stille windturbines Conclusie Geluid van windturbines 28 november

20 Voorspellen van windturbinegeluid Motivatie: Ontwerpen van stille bladen Voorspellen van geluidshinder Experimenten: achterrandgeluid dominante bron Semi-analytische, semi-empirische predictiecode voor achterrandgeluid van 2D bladprofiel U r SPL p 2 ~U 5 δ * L/r 2 f~u/δ * U 2 >U 1 δ * L U 1 Geluid van windturbines 28 november f

21 Predictiemethode Input: bladgeometrie en bedrijfscondities + RPM, U wind, blade pitch Geluid van windturbines 28 november

22 Predictiemethode Input: bladgeometrie en bedrijfscondities + RPM, U wind, blade pitch Predictie bladgeluid per segment in 4 stappen: Stap 1: Stroming (RFOIL+BEM) U,α δ s δ p Geluid van windturbines 28 november

23 Predictiemethode Input: bladgeometrie en bedrijfscondities + RPM, U wind, blade pitch Predictie bladgeluid per segment in 4 stappen: Stap 1: Stroming (RFOIL+BEM) U,α δ s δ p Stap 2: Achterrandgeluid: p 2 ~M5 δ * L/r2 Geluid van windturbines 28 november

24 Predictiemethode Input: bladgeometrie en bedrijfscondities + RPM, U wind, blade pitch Predictie bladgeluid per segment in 4 stappen: Stap 1: Stroming (RFOIL+BEM) U,α δ s δ p Stap 2: Achterrandgeluid: p 2 ~M5 δ * L/r2 Stap 3: Directivity en Dopplerversterking sin 2 (θ/2) Geluid van windturbines 28 november

25 Predictiemethode Input: bladgeometrie en bedrijfscondities + RPM, U wind, blade pitch Predictie bladgeluid per segment in 4 stappen: Stap 1: Stroming (RFOIL+BEM) U,α δ s δ p Stap 2: Achterrandgeluid: p 2 ~M5 δ * L/r2 Stap 3: Directivity en Dopplerversterking sin 2 (θ/2) Stap 4: Bronplaatje & footprint Geluid van windturbines 28 november

26 Inhoud Introductie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Voorspellen van windturbinegeluid Voorspellingsmethode Validatie met metingen Voorspelling geluidfootprints Stille windturbines Conclusie Geluid van windturbines 28 november

27 Vergelijking met metingen Bronplaatjes voor verschillende frequenties: EXPERIMENT SIMULATIE Gesimuleerd patroon zelfde als metingen Geluid van windturbines 28 november

28 Geluidspectrum SPL (dba) EXP SIM 5 db Frequency (Hz) Geluidsniveau en vorm spectrum komen goed overeen met metingen Geluid van windturbines 28 november

29 Afhankelijkheid van windsnelheid Totale geluidsniveau voor toenemend vermogen: OASPL (dba) db EXP SIM Power (kw) Trend wordt goed voorspeld! Geluid van windturbines 28 november

30 Directivity (richtingsafhankelijkheid) Geluidsniveau voor verschillende meetlokaties: doaspl (dba) EXP SIM Ground microphones ξ 8 Turbine Array Wind ξ ( ) Experimenten tonen twee dips in rotorvlak Trends goed gereproduceerd in simulaties Geluid van windturbines 28 november

31 Zoeven ( swish ) Variatie in geluid tijdens omwenteling: Time history (EXP) Ground microphones ψ ξ 8 Turbine Array doaspl (dba) Swish amplitude EXP SIM rotor azimuth ξ ( ) Hoge swish in rotorvlak goed voorspeld Voorspellingen binnen 1-2 db nauwkeurig voor beide turbines (geluidsniveau, directivity, swish) Geluid van windturbines 28 november

32 Inhoud Introductie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Voorspellen van windturbinegeluid Voorspellingsmethode Validatie met metingen Voorspelling geluidfootprints Stille windturbines Conclusie Geluid van windturbines 28 november

33 Voorspelling geluidfootprints Geluidfootprint tijdens omwenteling: Bovenaanzicht Turbine in centrum Wind van links naar rechts Tot 10 rotordiameters Decibelschaal 10 db Stand bladen aangegeven Geluidsniveau varieert sterk dwars op windrichting Constant geluidsniveau in windrichting Geluid van windturbines 28 november

34 Voorspelling geluidfootprints Geluidfootprint tijdens omwenteling: ψ=90 ψ=120 ψ=150 ψ= db(a) 0 Bovenaanzicht Turbine in centrum Wind van links naar rechts Tot 10 rotordiameters Decibelschaal 10 db Stand bladen aangegeven Geluidsniveau varieert sterk dwars op windrichting Constant geluidsniveau in windrichting Geluid van windturbines 28 november

35 Inhoud Introductie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Voorspellen van windturbinegeluid Stille windturbines Reductieconcepten Windtunnelmetingen Veldmetingen Conclusie Geluid van windturbines 28 november

36 Verminderen van achterrandgeluid Achterrandgeluid: 2 5 * p ~ M δ L r cos α sin ( θ 2) sinφ Doel: geluidsreductie zonder energieverlies Lager toerental (M ) geeft energieverlies Lagere bladhoek (δ * ) geeft energieverlies Geluidsreductieconcepten Geoptimaliseerd bladprofiel: lagere δ s en hogere δ p Zaagtanden op achterrand: andere α referentie profiel δ s δ p SPL δ s δ s δ p δ p zaagtanden α 0 α =0 f Geluid van windturbines 28 november

37 Windtunnelmetingen 2D bladprofielen Geoptimaliseerd bladprofiel: 2-3 db geluidsreductie Zaagtanden: flinke reductie maar uitlijning tanden essentieel Model windturbine in windtunnel Geluid van windturbines 28 november

38 Veldmetingen Twee reductieconcepten getest nieuw bladprofiel en zaagtanden alleen buitenste deel van blad referentie profielvorm zaagtanden Antenne focusseren op bewegende bladen referentie profielvorm zaagtanden 12 db 0 db Zaagtanden halveren geluid zonder energieverlies! Geluid van windturbines 28 november

39 Spectra van bladgeluid Geluidspectra voor verschillende bladen: Referentie Bladprofiel Zaagtand 90 SPL (dba) db Reductie bij lage frequenties, toename bij hoge frequenties Totale reductie SIROCCO: 0.5 db Serration: 3.2 db Frequency (Hz) Geluid van windturbines 28 november

40 Geluid van bladen tijdens omwenteling Bronplaatjes tijdens omwenteling: Referentie bladprofiel Zaagtand Toename in tipgeluid voor gemodificeerde bladen tijdens opgaande beweging Geluid van windturbines 28 november

41 Invloed van windsnelheid Bladgeluid voor verschillende windsnelheden: Referentie m/s wind 10 m/s wind Bladprofiel 95 Zaagtand 90 SPL (dba) 85 SPL (dba) db 5 db Frequency (Hz) Tipgeluid belangrijk voor gemodificeerde bladen bij lage windsnelheden (hoge belasting) Frequency (Hz) Geluid van windturbines 28 november

42 Inhoud Introductie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Voorspellen van windturbinegeluid Stille windturbines Conclusies Geluid van windturbines 28 november

43 Conclusies De belangrijkste geluidsbron voor windturbines is achterrandgeluid van de bladen Het zoeven wordt veroorzaakt door directivity en Dopplerversterking van het achterrandgeluid Windturbinegeluid kan goed worden voorspeld Windturbinegeluid kan door middel van zaagtanden worden gehalveerd zonder energieverlies Toekomst: nog stillere windturbines door uilenborstels op de bladen? Geluid van windturbines 28 november

44 Geluid van windturbines 28 november