دریاهای تغییر برای توربین های بادی

سر و صدای توربین بادی موضوعی (به شدت مورد بحث) است که قبلاً در وبلاگ به آن اشاره کرده ایم . در حالی که تحقیق در مورد تولید سر و صدا توسط مزارع بادی هنوز در میان محققان مورد بحث است، یکی از راه‌هایی که ما برای غلبه بر این مشکلات توربین‌های پر سر و صدا پیدا کرده‌ایم، قرار دادن توربین‌ها در سواحل در جایی است که شنیده نمی‌شوند و به راحتی، بادهای شدید با منظم‌تر انرژی تولید می‌کنند. تولید موثرتر با این حال، سوالی که به ذهن خطور می کند این است: مزارع بادی فراساحلی چه تأثیری بر حیات دریایی دارند؟

قدرت و وعده باد فراساحلی

از زمانی که اولین مزرعه بادی فراساحلی در سواحل دانمارک در سال 1991 ساخته شد، باد دریایی محبوبیت بیشتری پیدا کرد. کمی بیش از دو دهه بعد، در پایان سال 2012، اتحادیه اروپا به اندازه کافی برق از مزارع بادی فراساحلی برای تامین برق تقریباً پنج میلیون خانوار تولید می کرد . طبق گزارش انجمن انرژی بادی اروپا ، انتظار می‌رود در دهه آینده، مزارع بادی فراساحلی نزدیک به یک پنجم مصرف برق اتحادیه اروپا را تولید کنند و از حدود 6.04 گیگاوات در سال 2013 به بیش از 150 گیگاوات تا سال 2030 جهش کنند .

پارک آسیاب بادی در اورسوند بین کپنهاگ، دانمارک و مالمو، سوئد. اعتبار عکس: زیاد ، ویکی‌پدیا کامانز.

با این افزایش عظیم در نیروی باد مورد انتظار، مهندسان برای بررسی تأثیری که توربین‌های دریایی می‌توانند بر حیات دریایی داشته باشند، فراخوانده شده‌اند. در گزارش اخیری که توسط مشاوران مهندسی شی انجام شده استبرای دولت اسکاتلند، برت مارمو، ایین رابرتز و مارک-پل باکینگهام بررسی کردند که چگونه انواع مختلف پایه های توربین بادی بر ارتعاشاتی که از توربین به داخل دریا منتشر می شود، و در نهایت چگونه این ارتعاشات می تواند بر حیات دریایی اطراف تأثیر بگذارد. همچنین ایان دیویس و کیت بروکس از مارین اسکاتلند در این پروژه شرکت داشتند که به تعریف عمق آب، اندازه توربین و انواع پایه توربین‌های مدل‌سازی شده در این مطالعه بر اساس انواع توربین‌های ارائه شده به دولت اسکاتلند برای مجوز کمک کردند. . علاوه بر این، دیویس و بروکس به شناسایی گونه‌های دریایی کمک کردند که احتمالاً تحت تأثیر بادهای فراساحلی قرار می‌گیرند.

من اخیراً در مورد این پروژه با برت مارمو مصاحبه کردم. مارمو توضیح داد: «در تحقیق خود، ما بررسی کردیم که چگونه پایه‌های مختلف بر سر و صدای تولید شده توسط توربین‌های دریایی تأثیر می‌گذارند و اینکه آیا این صدا به اندازه‌ای بلند است که توسط جانداران دریایی شنیده شود یا خیر. ما سه پایه توربین بادی مختلف را مطالعه کردیم و تأثیر احتمالی صدا را بر روی انواع نهنگ‌های محلی، گراز دریایی، فوک‌ها، دلفین‌ها، قزل آلا و ماهی قزل آلا بررسی کردیم.»

مدل سازی نویز تولید شده توسط باد فراساحلی

ارتعاشات تولید شده توسط توربین های دریایی از برج به پایه توربین منتقل می شود و به عنوان نویز در محیط دریایی اطراف منتشر می شود. Marmo توضیح داد: «از آنجایی که نویز در سطح مشترک بین فونداسیون و آب دریا منتشر می شود، این احتمال وجود دارد که شدت و فرکانس نویز با نوع فونداسیون مورد استفاده متفاوت باشد. با استفاده از تحلیل اجزای محدود، ما سه توربین بادی یکسان را مدل‌سازی کردیم که فقط ساختار پی را تغییر داد.

در زیر می توانید سه نوع متداول پایه را مشاهده کنید: پایه ثقلی، فونداسیون جک و فونداسیون مونوپیل. به طور کلی، ژاکت و پایه جاذبه در آب 50 متر یا عمیق تر استفاده می شود، در حالی که مونوپیل معمولا در عمق بیش از 30 متر استفاده نمی شود. به دلیل ساختار، مواد و اندازه متفاوت هر یک از این پایه‌ها، ارتعاشاتی که در پایه منتشر می‌شوند رفتار بسیار متفاوتی دارند که منجر به ایجاد نویز با فرکانس‌ها و سطوح فشار صوتی مختلف (SPL) می‌شود.

سه نوع پایه مختلف نشان داده شده است: یک ساختار پایه گرانشی که روی بستر دریا (سمت چپ) قرار دارد، یک ژاکت با اتصالات پین شمع به کف دریا (وسط)، و یک تکه‌پایه که با یک قطعه انتقالی (سمت راست) روی بستر قرار گرفته است.

مارمو می‌گوید: «استفاده از شبیه‌سازی به ما این امکان را می‌دهد تا نویز تولید شده توسط پایه‌ها را در شرایط عملیاتی یکسان مدل‌سازی کنیم – چیزی که تنها با اندازه‌گیری توربین‌های بادی در حین کار نمی‌توانستیم به آن برسیم. بدون شبیه‌سازی، محیط‌ها و بارهای بادی متفاوتی که این توربین‌ها تجربه می‌کنند، تعیین اینکه آیا واقعاً پایه‌ای است که بر نویز تولید شده تأثیر می‌گذارد یا نه متغیر دیگری که نامشخص است، بسیار دشوار می‌سازد.

قبل از پرداختن به شبیه‌سازی‌ها، اجازه دهید ابتدا بررسی کنیم که خود نویز از کجا می‌آید. سر و صدای توربین های بادی می تواند از دو مکان باشد. صدای آیرودینامیکی از طریق برش تیغه ها از هوا تولید می شود و صدای مکانیکی توسط ماشین آلات قرار گرفته در جعبه دنده تولید می شود. تقریباً تمام صدای تولید شده توسط خود تیغه ها به دلیل اختلاف انکساری زیاد بین هوا و آب از سطح آب منعکس می شود و وارد محیط دریایی نمی شود.

بنابراین، اکثر نویز توسط ارتعاشات مکانیکی تولید شده در گیربکس و پیشرانه توربین توسط عدم تعادل چرخشی، مش بندی دنده، عبور پره و اثرات الکترومغناطیسی بین قطب ها و استاتورها در ژنراتور ایجاد می شود. هر یک از این منابع نویز، ارتعاشاتی با فرکانس متفاوت تولید می‌کنند که سپس به پایین قطب توربین و به فونداسیون منتقل می‌شوند. در اینجا جدولی از فرکانس های مختلف تولید شده و منشاء آنها آورده شده است:

باندهای فرکانس احتمالاً حاوی زنگ های ارتعاشی تولید شده در قطار محرکه توربین های بادی هستند. جدول توسط مهندسی شی و اقتباس از گزارش آنها .

هنگامی که ارتعاشات وارد فونداسیون می شوند، دامنه نویز ساطع شده تحت تأثیر اندازه نیروی تحریک، فرکانس تشدید سازه و میزان میرایی سازه قرار می گیرد. علاوه بر این، سرعت باد بیشتر منجر به افزایش گشتاور روی روتور می‌شود که احتمالاً به این معنی است که صدای بیشتری منتشر می‌شود.

Marmo توضیح داد: “درک اثر میرایی – اتلاف انرژی ارتعاش از یک سازه – یکی از تحلیل های کلیدی انجام شده در پروژه ما بود.” به طور کلی، سازه های فولادی مانند فونداسیون ژاکت نسبت به سازه های ساخته شده از مواد دانه ای، مانند پایه گرانشی که از بتن ساخته شده است، میرایی کمتری دارند. بنابراین میزان میرایی داخلی که در یک سازه اتفاق می‌افتد بر نویز ساطع شده از سازه‌های مختلف تأثیر می‌گذارد. به منظور تعیین اینکه چگونه این عوامل بر نویز تولید شده تأثیر می گذارد، Marmo و تیم به شبیه سازی با COMSOL Multiphysics روی آوردند.

آکوستیک زیر آب و انتشار صدا

نویز در حد فاصل بین پایه توربین بادی و آب دریا تولید می‌شود، جایی که ارتعاش پایه مولکول‌های آب را به نوسان می‌اندازد تا موج فشاری تولید کند که به صورت صدا از پایه تابش می‌کند. پخش و جذب هندسی شدت صوت را با انتشار دورتر از پایه کاهش می دهد، به طوری که صدای فرکانس بالا سریعتر جذب می شود و صدای فرکانس پایین کندتر جذب می شود و در نتیجه بیشتر منتشر می شود.

مارمو هر یک از سه پایه را در سه سرعت باد مختلف (5 متر بر ثانیه، 10 متر بر ثانیه و 15 متر بر ثانیه) تجزیه و تحلیل کرد و دریافت که به طور معمول، هر چه سرعت باد بیشتر باشد، صدای تولید شده بلندتر می شود. مقایسه میانگین سطح فشار صوت در سرعت باد 15 متر بر ثانیه در فرکانس های مختلف برای هر یک از سه نوع پی در زیر نشان داده شده است.

در فرکانس های کمتر از 180 هرتز، مونوپیل بیشترین میزان نویز را تولید می کند. از سه نوع فونداسیون، مونوپیل به تولید مقادیر SPL بزرگتر تا 500 هرتز ادامه می دهد. در حدود 600 هرتز، هر سه نوع فونداسیون در میانگین 30 متر SPL قابل مقایسه هستند و روند فونداسیون ژاکت در فرکانس های بیشتر از 700 هرتز به پر سر و صداترین افزایش می یابد.

همانطور که نمودار نشان می دهد، پایه ژاکت کمترین سطح فشار صدا را در فرکانس های پایین (حدود 200 هرتز و پایین تر) نشان می دهد. با این حال، در فرکانس های بالا، ژاکت بالاترین سطح فشار صدا را تولید می کند. پایه مونوپیل و گرانشی سطوح فشار صوتی قابل مقایسه ای را در فرکانس های پایین تر نشان می دهند، در حالی که در فرکانس های بالاتر، پایه گرانشی کمترین سطح فشار صوتی را در بین سه پایه ایجاد می کند. تصاویر زیر سطح فشار صدا را در اطراف هر یک از سه نوع فونداسیون در فرکانسی که فونداسیون بلندترین صدا را تولید می کند نشان می دهد.

 

پایه گرانشی: 200 هرتز

 

ژاکت: 560 هرتز

 

مونوپایل: 120 هرتز

Marmo و تیم همچنین یک مدل میدان دور ایجاد کردند که از یک مدل ردیابی پرتو گاوسی برای تجزیه و تحلیل فواصل که در آن یک مزرعه بادی حاوی 16 توربین می‌توان شنید، استفاده کرد. همانطور که در بالا ذکر شد، صدا در فرکانس‌های پایین‌تر نسبت به صدا در فرکانس‌های بالاتر تمایل بیشتری به انتشار دارد. علاوه بر این، سر و صدای محیط می تواند صدای تولید شده توسط توربین های بادی را بپوشاند و شنیدن آنها را تقریبا غیرممکن می کند. این موضوع در تحلیل های مارمو نیز مورد توجه قرار گرفت.

Marmo توضیح داد: “ما دریافتیم که هر یک از پایه های مختلف بلندترین صدا را در میدان دور در فرکانس های مختلف تولید می کنند.” “در سرعت باد 10 و 15 متر بر ثانیه، پایه های مونوپیل و گرانش حداقل در 18 کیلومتر دورتر در اکثر فرکانس های زیر 800 هرتز قابل شنیدن هستند، در حالی که ژاکت در 10 کیلومتری دورتر 250 هرتز و حداقل 18 کیلومتر با فرکانس 630 هرتز قابل شنیدن است. دور.” در اینجا خلاصه ای از این نتایج آمده است:

تشخیص نویز توربین های بادی فراساحلی توسط گونه های دریایی

مرحله بعدی این پروژه تعیین فرکانس هایی بود که گونه های دریایی می توانند صدا را در چه فاصله هایی تشخیص دهند. هر یک از انواع مختلف فونداسیون، سطوح فشار صوتی متفاوتی را در قدرت‌ها و فرکانس‌های مختلف منتشر می‌کنند. از آنجایی که حیوانات دریایی مختلف آستانه شنوایی متفاوتی دارند، این نیز باید در نظر گرفته شود.

Cormac Booth و Stephanie King از SMRU Marine در دانشگاه سنت اندروز زیست شناسان دریایی کلیدی بودند که آستانه شنوایی گونه های مختلف دریایی را تجزیه و تحلیل کردند و تعیین کردند که آیا صدای تولید شده می تواند بر رفتار حیوان تأثیر بگذارد یا خیر.

آستانه شنوایی برای دلفین ها، نهنگ ها، گراز دریایی و فوک ها.

از میان گونه‌های مورد بررسی، نهنگ مینک حساس‌ترین شنوایی را در فرکانس‌های پایین (کمتر از 2000 هرتز) داشت و قادر به شنیدن توربین از دورترین فاصله‌ها بود. مارمو می‌گوید: «پیش‌بینی می‌کنیم که نهنگ‌های مینک قادر خواهند بود مزارع بادی ساخته شده از پایه‌های تک‌پایل یا گرانشی را تا فاصله ۱۸ کیلومتری در اکثر فرکانس‌های زیر ۸۰۰ هرتز و برای هر سه سرعت باد شناسایی کنند. از سوی دیگر، دلفین‌های پوزه بطری و خوک‌های دریایی نسبت به فرکانس‌های پایین حساسیت کمتری دارند. دلفین‌ها می‌توانند یک مزرعه بادی را در یک پایگاه گرانشی در فاصله 4 کیلومتری با سرعت باد بیش از 10 میلی‌ثانیه تشخیص دهند، اما فقط می‌توانند ژاکت‌ها و مونوپایل‌ها را در فاصله نزدیک کمتر از 1 کیلومتر تشخیص دهند.

می توانید نمونه ای از نتایج یافت شده در گزارش Marmo را مشاهده کنید که آستانه شنوایی یک مهر و موم را برای سرعت ها و فرکانس های مختلف باد نشان می دهد:

پیش‌بینی پاسخ‌های رفتاری سخت‌تر بود. بوث و کینگ با استفاده از یک پارامتر حس، محدوده های بالایی و پایینی را در اطراف آستانه شنوایی هر یک از گونه ها تخمین زدند. سپس، آنها تعیین کردند که چند درصد از حیوانات را می توان انتظار داشت که در یک محدوده فشار صوتی خاص از توربین ها دور شوند.

نه گونه های فوک و نه دلفین های پوزه بطری برای نشان دادن واکنش رفتاری به صداهای تولید شده تحت هیچ یک از سناریوهای عملیاتی توربین بادی پیش بینی نشده بودند. با این حال، بین 4 کیلومتر تا 13 کیلومتر، انتظار می‌رفت که 10 درصد از نهنگ‌های مینک که با میدان صوتی تولید شده توسط فونداسیون مونوپیل مواجه می‌شوند، دور شوند. به طور کلی، به نظر می رسد پایه های ژاکت در مقایسه با پایه های گرانشی و تک ستونی، کمترین دامنه ضربه پستانداران دریایی را ایجاد می کنند.

این چه معنایی برای آینده نیروی بادی فراساحلی دارد؟ گزارش مارمو و تیمش نشان داد که اثرات مخرب ناچیزی از صدای توربین بادی بر روی گونه های دریایی وجود دارد. اگرچه هنوز مطالعات بیشتری باید انجام شود، این یافته ها نشان می دهد که آینده بادهای فراساحلی مثبت به نظر می رسد.

منابع اضافی و مطالعه بیشتر

• گزارش کامل مهندسی شی کاوش کنید : ” کاهش صدای تونال از توربین های بادی “
• ” باد فراساحلی ممکن است یک پنجم برق اتحادیه اروپا را تامین کند “
• این منبع را بررسی کنید: کیپ ویند ، مزرعه پیشنهادی که احتمالاً اولین مزرعه بادی فراساحلی در آمریکا خواهد بود.