Omezení hluku větrných elektráren

Hluk z farem větrných elektráren se dá rozdělit do dvou kategorií: aerodynamický hluk je způsoben pohybem lopatek ve vzduchu, zatímco hluk mechanický je spojen s umístěním mechanického zařízení v elektrárně. Důvodem nespokojeností lidí žijících v okolí elektrárny je především mechanický hluk – příčinou je jeho tonální povaha. Výsledkem jsou přísné regulační standardy v Evropě i v USA. Pokud provozovatelé tyto standardy nesplňují, hrozí jim potenciálně velmi vysoká pokuta.

Podle Dr. Bretta Marma z firmy Xi Engineering Consultants z Edinburghu, která se specializuje na komplexní problematiku vibrací, si lidé sice uvědomují hluk, ale to, čeho si opravdu všímají a co je obtěžuje, jsou především vibrace. Tak tomu bylo i u zakázky zadané výrobcem megawattových větrných elektráren, které měly problémy s hlukem ve frekvenčním pásmu 800–830 Hz.

Výrobce elektrárny odhalil, že nejpravděpodobnějším zdrojem hluku je kontakt ozubených kol v převodovém systému. V rámci pokusu o zlepšení problematického stavu dokonce demontoval 15tunovou převodovou skříň z jedné 80 m vysoké věže a vyměnil pryžové uložení převodové skříně. Tento postup ovšem celý problém ještě zhoršil. Výrobci nebylo jasné, jak celý problém vyřešit bez značných změn konstrukce stávajících elektráren, což by bylo velice nákladné především s ohledem na počet již vyrobených a instalovaných turbín. Proto oslovil firmu Xi Engineering s požadavkem, aby identifikovala zdroj těchto nechtěných vibrací a přišla s nějakým vhodným řešením.

Hledání zdroje hluku
Po důkladné analýze návrhů elektráren a rozsáhlého průzkumu v terénu pomocí senzorů umístěných na věžích firma Xi Engineering potvrdila, že zdrojem hluku je převodový systém turbín. Přitom bylo zjištěno, že při normální rychlosti se zuby na ozubeném soukolí dostanou do vzájemného kontaktu přibližně 820x za sekundu. Jinými slovy, jde o zvuk 820 jejich střetů každou vteřinu. Nicméně celá situace nebyla tak jednoduchá, neboť vytvářený zvuk byl ještě nějakým způsobem zesílen. Inženýry proto zajímaly případné vibrace stěn konstrukce. Přitom bylo zjištěno, že ocelová věž má rezonanční pásmo v rozmezí 800–900 Hz.
Firma Xi Engineering pro řešení problému využila simulační software Comsol Multiphysics, který je určen pro řešení fyzikálních úloh popsaných parciálními diferenciálními rovnicemi pomocí metody konečných prvků. Specializované nadstavbové moduly jsou potom určeny k modelování úloh z různých profesních oborů. Jak již z názvu vyplývá, program je zaměřen na tvorbu komplexních multifyzikálních modelů. Tento přístup zvolila i firma Xi Engineering, která pomocí tohoto nástroje vytvořila model věže elektrárny včetně rotorových lopatek a převodové skříně. Při simulacích využila předdefinovanou aplikaci pro řešení interakce mezi konstrukcí a akustickými vlnami. Do modelu byl zahrnut rovněž okolní vzduch uvnitř i vně konstrukce a jeho vliv na celou situaci.

Díky tomuto komplexnímu přístupu mohli inženýři identifikovat frekvence kmitů jednotlivých součástí a následně pozorovat šíření vibrací z převodového systému dál do konstrukce. Na stěnách věže bylo jasně viditelné dosažení rezonance v oblasti kolem 820 Hz. Dalším krokem bylo provedení simulace pro řešení vlastních frekvencí konstrukce věže a jejích stěn. Díky komplexnímu modelu byli inženýři schopni rozeznat problémové oblasti blízko vrcholku věže, kde se její stěna začala vlnit při rezonančních frekvencích 800 a 830 Hz. Tyto rezonance zesilovaly vibrace z převodového systému zařízení a jejich důsledkem byl problémový tonální hluk.

Cílem firmy Xi Engineering bylo dodat co nejjednodušší řešení, jako například instalaci tlumení či odpružení, které by izolovalo zdroje vibrací. Přednost měly pasivní úpravy před aktivními zásahy, které by mohly přinést řadu dalších neočekávaných komplikací. Jednou z možností bylo přerušení průchodu vibrací mezi převodovkou a stěnou prostřednictvím úpravy pryžových bloků, na nichž je převodovka uložena, což by ale bylo z montážních důvodů velice nepraktické. Nejefektivnějším alternativním řešením se ukázalo být potažení vnitřku věže speciálním materiálem, který měl za úkol snižovat amplitudu vibrací.
Při tomto přístupu bylo nutné vzít v úvahu především dvě skutečnosti, a sice že materiál je drahý a že plocha povrchu věže je vzhledem k její velikosti (průměr 2,5 m u vrcholu, 4 m u paty) značně velká, navíc i vlastní instalace materiálu je finančně náročná. Důležitou otázkou proto bylo, kolik materiálu je nutně potřeba k vyřešení problému s hlukem a vibracemi. Jedinou možností bylo vytvoření dalšího modelu v programu Comsol Multiphysics pro simulaci vlivu vrstvy materiálu nanesené na vnitřní stěnu věže.

Tento model uvažoval vzájemné interakce mezi akustickými vlnami a pohybem stěn věží včetně zohlednění vlivu přítomnosti vzduchu uvnitř i vně konstrukce. Pomocí následných simulací bylo sledováno, jak se mění hladina hluku ve vzdálenosti 50 m od věže při nanášení materiálu na různé části stěn. Výsledné grafy byly získány díky implementaci virtuálních mikrofonů do modelu. Nejprve se začalo se zkoumáním problémových oblastí blízko vrcholku věže, které bylo objeveno díky modelu řešícímu vlastní frekvence celého zařízení. V nových simulacích se experimentovalo s různým rozmístěním tlumicího materiálu. Tím bylo určeno množství tlumicího materiálu na stěnách, kdy se hluk snížil na uspokojivou mez. Další simulace směřovaly k optimalizaci celého procesu tak, aby zároveň se snížením hluku bylo minimalizováno i množství použitého materiálu.

Obr. 3. Hladina akustického tlaku měřená pomocí virtuálního mikrofonu 50 m od paty věže:
• modrá křivka – větrná turbína v původním stavu;
• zelená křivka – pokrytí 20 m2 vnitřku vrcholku věže antivibračním materiálem;
• červená křivka – pokrytí celé horní poloviny věže (300 m2) antivibračním materiálem.

S ohledem na vysokou cenu materiálu by plné pokrytí 600 m2 vnitřního povrchu věže stálo desítky tisíc liber. I kdyby byl materiál použit pouze na její vrchní část, stále by bylo potřeba 100 m2 materiálu na každou elektrárnu, což by s ohledem na počet provozovaných turbín znamenalo stále vysokou cenu dodatečných úprav. Díky provedeným simulacím však bylo zjištěno, že pro každou věž postačuje pouze 20 m2 materiálu. Následná realizace potvrdila výsledky simulací a dostatečné snížení hladiny hluku.

Simulace jsou neocenitelným pomocníkem pro řešení komplexních a složitých problémů. Inženýři firmy Xi Engineering sice od začátku věděli, že věž při provozu rezonuje, ale bez možnosti namodelovat vzniklou situaci v programu Comsol Multiphysics by byli nuceni pokrýt celou 80 m vysokou věž senzory a provádět náročná měření. Díky provedeným simulacím mohli tato měření zcela přeskočit. Následně mohli provést virtuální testování celého zařízení a prozkoumat všechny alternativy bez dodatečných nákladů spojených s analogickým postupem na reálné věži. Provedení reálných zkoušek metodou pokusů a omylů, s využitím drahých materiálů a náročné práce techniků, by bylo více než 30x dražší než provedení popsaných simulací a analýz. Klíčem k úspěchu bylo prozkoumání všech dostupných možností ve virtuální rovině a provedení pouze jediného testu v reálném prostředí.

Zuzana Záhorová

Humusoft

www.humusoft.cz
zuzanaz@humusoft.cz