Geluid van windturbines

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

Inhoud Introductie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Voorspellen van windturbinegeluid Stille windturbines Conclusie Geluid van windturbines 28 november 2009 2

Inhoud Introductie Achtergrond Motivatie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Voorspellen van windturbinegeluid Stille windturbines Conclusie Geluid van windturbines 28 november 2009 3

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 2009 4

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 2009 5

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 2009 6

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 2009 7

Akoestische antennemethode Geluidsgolven vergelijkbaar met golven in water X bron antenne golf Geluid van windturbines 28 november 2009 8

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 2009 9

Voorbeeld akoestische antennemeting Vliegtuigmodel in wind tunnel Meeste geluid komt van de voorrand van de vleugel Geluid van windturbines 28 november 2009 10

Kwantificeren van antenneresultaten Integratiecontouren rond hoofd- en staartrotor van helicopter 800 Hz 6300 Hz 120 SPL [db] 115 110 105 100 TR MR 95 90 85 315 500 800 1250 2000 3150 5000 8000 Frequency [Hz] Geluid van windturbines 28 november 2009 11

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 2009 12

Inhoud Introductie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Hoe ontstaat het geluid? Voorspellen van windturbinegeluid Stille windturbines Conclusie Geluid van windturbines 28 november 2009 13

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 2009 14

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 2009 15

Geluidsmetingen windturbines Twee windturbines Spanje: 850 kw, 60 m Wieringermeer: 2.3 MW, 100 m Akoestische antenne voor brondetectie Platform 18 x 20 m 2 152 microfoons Elliptisch patroon van microfoons Turbine Turbine 10 Wind 5 Antenne [m] 0 Antenne 45 Wind -5-10 -10-5 0 5 10 [m] Geluid van windturbines 28 november 2009 16

Praktische problemen... Regen Hitte Geen wind Falende systemen Vertragingen Spaanse klimmers Boeren Heli s Geluid van windturbines 28 november 2009 17

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 2009 18

Inhoud Introductie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Voorspellen van windturbinegeluid Voorspellingsmethode Validatie met metingen Voorspelling geluidfootprints Stille windturbines Conclusie Geluid van windturbines 28 november 2009 19

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 2009 20 f

Predictiemethode Input: bladgeometrie en bedrijfscondities + RPM, U wind, blade pitch Geluid van windturbines 28 november 2009 21

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 2009 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 Stap 2: Achterrandgeluid: p 2 ~M5 δ * L/r2 Geluid van windturbines 28 november 2009 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 Stap 3: Directivity en Dopplerversterking sin 2 (θ/2) Geluid van windturbines 28 november 2009 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) Stap 4: Bronplaatje & footprint Geluid van windturbines 28 november 2009 25

Inhoud Introductie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Voorspellen van windturbinegeluid Voorspellingsmethode Validatie met metingen Voorspelling geluidfootprints Stille windturbines Conclusie Geluid van windturbines 28 november 2009 26

Vergelijking met metingen Bronplaatjes voor verschillende frequenties: EXPERIMENT SIMULATIE Gesimuleerd patroon zelfde als metingen Geluid van windturbines 28 november 2009 27

Geluidspectrum 95 90 SPL (dba) 85 80 EXP SIM 5 db 75 70 315 500 800 1250 2000 3150 5000 Frequency (Hz) Geluidsniveau en vorm spectrum komen goed overeen met metingen Geluid van windturbines 28 november 2009 28

Afhankelijkheid van windsnelheid Totale geluidsniveau voor toenemend vermogen: 108 106 104 OASPL (dba) 102 100 98 96 2 db EXP SIM 94 92 0 200 400 600 800 1000 Power (kw) Trend wordt goed voorspeld! Geluid van windturbines 28 november 2009 29

Directivity (richtingsafhankelijkheid) Geluidsniveau voor verschillende meetlokaties: doaspl (dba) 4 2 0-2 -4-6 1 2 3 4 5 6 7 8 EXP SIM Ground microphones 2 3 1 ξ 8 Turbine Array 7 5 6-8 0 45 90 135 180 225 270 315 360 4 Wind ξ ( ) Experimenten tonen twee dips in rotorvlak Trends goed gereproduceerd in simulaties Geluid van windturbines 28 november 2009 30

Zoeven ( swish ) Variatie in geluid tijdens omwenteling: Time history (EXP) 7 6 5 4 3 2 1 8 Ground microphones ψ 2 3 1 ξ 8 Turbine Array 4 7 5 8 6 doaspl (dba) 6 4 2 1 Swish amplitude 6 3 5 2 7 4 8 EXP SIM rotor azimuth 0 0 45 90 135 180 225 270 315 360 ξ ( ) Hoge swish in rotorvlak goed voorspeld Voorspellingen binnen 1-2 db nauwkeurig voor beide turbines (geluidsniveau, directivity, swish) Geluid van windturbines 28 november 2009 31

Inhoud Introductie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Voorspellen van windturbinegeluid Voorspellingsmethode Validatie met metingen Voorspelling geluidfootprints Stille windturbines Conclusie Geluid van windturbines 28 november 2009 32

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 2009 33

Voorspelling geluidfootprints Geluidfootprint tijdens omwenteling: ψ=90 ψ=120 ψ=150 ψ=180 10 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 2009 34

Inhoud Introductie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Voorspellen van windturbinegeluid Stille windturbines Reductieconcepten Windtunnelmetingen Veldmetingen Conclusie Geluid van windturbines 28 november 2009 35

Verminderen van achterrandgeluid Achterrandgeluid: 2 5 * 2 3 2 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 2009 36

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 2009 37

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 2009 38

Spectra van bladgeluid Geluidspectra voor verschillende bladen: 100 95 Referentie Bladprofiel Zaagtand 90 SPL (dba) 85 80 75 70 160 250 5 db 400 630 1000 1600 2500 4000 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 2009 39

Geluid van bladen tijdens omwenteling Bronplaatjes tijdens omwenteling: 12 3 6 9 12 Referentie bladprofiel Zaagtand Toename in tipgeluid voor gemodificeerde bladen tijdens opgaande beweging Geluid van windturbines 28 november 2009 40

Invloed van windsnelheid Bladgeluid voor verschillende windsnelheden: 100 95 90 Referentie 100 7 m/s wind 10 m/s wind Bladprofiel 95 Zaagtand 90 SPL (dba) 85 SPL (dba) 85 80 75 5 db 5 db 80 75 70 160 250 400 630 1000 Frequency (Hz) 1600 2500 4000 Tipgeluid belangrijk voor gemodificeerde bladen bij lage windsnelheden (hoge belasting) 70 160 250 400 630 1000 Frequency (Hz) 1600 2500 4000 Geluid van windturbines 28 november 2009 41

Inhoud Introductie Akoestische antenne Geluidsbronnen op windturbines Voorspellen van windturbinegeluid Stille windturbines Conclusies Geluid van windturbines 28 november 2009 42

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 2009 43

Geluid van windturbines 28 november 2009 44