Analiza wpływu migotania cieni na przykładzie farmy wiatrowej

Analiza wpływu migotania cieni na przykładzie farmy wiatrowej

Tytuł:
Zleceniodawca:
Data
publikacji:
Wykonawca:
Wersja online:
Zawartość:
Shadow Flicker Impact Analysis for the Ashley Wind Energy Project,
McIntosh County, North Dakota
CPV Ashley Renewable Energy Company, LLC
Sierpień 2010
Tetra Tech EC, Inc.
160 Federal Street – 3rd Floor
Boston, Massachusetts 02110
http://www.psc.nd.gov/database/documents/09-0370/027-120.pdf
Omówienie zjawiska migotania cieni (shadow flickering) na przykładzie analizy
przeprowadzonej przy użyciu programu WindPRO dla projektu farmy wiatrowej
Ashley zlokalizowanej w Północnej Dakocie, USA.
1. Wprowadzenie
Niniejsze opracowanie obejmuje analizę zjawiska migotania cieni (shadow flickering)
powodowanego przez turbiny wiatrowe. Celem analizy było zbadanie skali tego zjawiska oraz
stwierdzenie czy będzie ono negatywnie oddziaływać na ludność zamieszkującą tereny znajdujące
się w okolicy planowanej farmy wiatrowej Ashley (USA). Analiza została przeprowadzona przy
użyciu oprogramowania WindPRO.
2. Omówienie zjawiska migotania cieni (shadow flickering) na farmie wiatrowej
Ashley
2.1.
Zjawisko „migotania cieni”
Poruszające się śmigła turbiny mogą powodować powstanie ruchomego cienia na terenach
znajdujących się w pobliżu farmy wiatrowej. Takie zjawisko zostało określone mianem „migotania
cieni” (shadow flickering). Granice obszaru narażonego na ten typ oddziaływania farm wiatrowych
zależą od pory roku i dnia oraz od parametrów turbin (np. wysokości wieży, średnicy rotora,
szerokości i orientacji śmigieł). Migotanie cieni występuje zwykle w warunkach niskiego kąta
padania promieni słonecznych, a więc zwłaszcza podczas wschodu i zachodu słońca. Jednakże, gdy
kąt ten jest zbyt mały (ok. 3 stopni), światło ulega rozproszeniu i nie powoduje powstania cienia.
Migotanie cieni nie występuje w nocy, a także jeśli słońce jest zasłonięte poprzez gęste chmury czy
mgłę. Zjawisko to nie występuje również, gdy turbiny nie pracują, a więc gdy ich śmigła znajdują
się
w bezruchu.
Intensywność zjawiska migotania cieni jest rozumiana jako różnica pomiędzy jasnością danej
lokalizacji w momencie kiedy pojawia się na niej cień a jej jasnością, kiedy cień nie występuje.
Intensywność ta maleje wraz ze wzrostem odległości odbiorcy od turbiny. Już w odległości ok.
1 500 m migotanie cieni jest na tyle niewielkie, że można uważać je za niezauważalne. Generalnie,
wzrost odległości od turbin sprawia, że migotanie cieni jest mniej widoczne nawet, jeśli liczba
turbin oraz godzin nasłonecznienia jest znaczna.
2.2.
Opis inwestycji oraz jej lokalizacji
Proponowana farma wiatrowa Ashley będzie się składać maksymalnie z 87 turbin, będących częścią
Ashley Wind Energy Project (w dalszej części zwanej Projektem), zlokalizowaną w McIntosh
w Północnej Dakocie. Projekt będzie znajdował się w odległości minimum 427 m od zabudowy, tak
więc w znacznej większości pobliska zabudowa znajdzie się poza strefą potencjalnego wpływu
migotania cieni.
Inwestor rozważa zastosowanie dwóch modeli turbin. Dla
przeprowadzone badania w zakresie zjawiska migotania cieni:
Materiał Fundacji na Rzecz Energetyki Zrównoważonej
www.fnez.pl
tych
dwóch
modeli
zostały

General Electric (GE) 2.5xl – model tej turbiny posiada trzy śmigła, średnicę rotora
wynoszącą 103 m, a wysokość piasty to 85 m. Standardowa prędkość obrotu śmigieł
wynosi
14 obrotów na minutę, czyli posiada częstotliwość 0,7 Hz1.

Siemens Energy, Inc (Siemens) SWT 2.3-101 - model tej turbiny posiada trzy śmigła,
średnicę rotora wynoszącą 101 m oraz wysokość piasty 80 m. Standardowa prędkość
obrotu śmigieł wynosi 16 obrotów na minutę, czyli posiada częstotliwość 0,8 Hz.
2.3.
Oddziaływanie shadow flickering na zdrowie
Zjawisko migotania cieni zależy m.in. od liczby śmigieł turbiny oraz prędkości ich obrotów. Tak
niewielka liczba obrotów jak w przedstawionych wyżej modelach turbin nie jest szkodliwa dla
zdrowia. Dla porównania, światła stroboskopowe wykorzystywane w dyskotekach posiadają
częstotliwości w zakresie od ok. 3 Hz do ok. 10 Hz. Istnieją opinie, że migotanie cieni powodowane
ruchem śmigła pracującej turbiny może powodować negatywne skutki dla zdrowia, na przykład
wywoływać ataki padaczki u ludzi chorych na epilepsję. British Epilepsy Foundation twierdzi, że są
to jedynie przypuszczenia niepotwierdzone badaniami naukowymi. Mimo to, profilaktycznie,
postulowana częstotliwość migotania powodowana przez turbiny nie powinna przekraczać 3 Hz.
W przypadku proponowanego Projektu częstotliwość ta, w zależności od wybranego rodzaju
turbiny, wynosi 0,7-0,8 Hz, a więc znacznie poniżej wskazanej wartości. Taka częstotliwość nie
powinna mieć zatem żadnego wpływu na stan zdrowia osób chorych na epilepsję.
2.4.
Regulacje prawne shadow flickering
W chwili obecnej nie istnieją w stanie Północna Dakota2 zapisy prawne dotyczące migotania cieni
powodowanego przez pracujące turbiny. W związku z dynamicznym rozwojem energetyki wiatrowej
niektóre stany ustanowiły przepisy dotyczące oddziaływania shadow flickering, które mogą być
modyfikowane i traktowane raczej jako zalecenia i rekomendacje niż prawo. Generalnie, w USA
przyjmuje się, że nastawienie na 30 godzin oddziaływania zjawiska migotania cieni rocznie nie jest
szkodliwe dla zdrowia ludzkiego. Taki sam limit został uznany za bezpieczny również w orzeczeniu
niemieckiego sądu (WindPower 2003). Jednakże, nawet większa liczba godzin narażenia odbiorców
na tego typu oddziaływania farm wiatrowych nie musi powodować uciążliwości dla odbiorców ani
nie powinna stanowić zagrożenia dla ich zdrowia.
2.5.
Analiza wykonana przy użyciu programu WindPRO
Do wykonania analizy zjawiska migotania cieni wykorzystano oprogramowanie WindPRO. Badania
objęły wszystkie 87 turbin w lokalizacjach wskazanych przez inwestora. Wzięto pod uwagę dwa
typy turbin: w scenariuszu A turbiny GE, w scenariuszu B turbiny Siemens.
Analiza przeprowadzona przy użyciu WindPRO została przeprowadzona tak, aby określić skalę
rzeczywistego oddziaływania cieni na odbiorców. Obliczenia uwzględniają całkowitą ilość czasu
(godziny i minuty w roku), kiedy cień z turbin może wystąpić na obszarze w promieniu 1,5 km.
Opracowanie najbardziej prawdopodobnej skali oddziaływania opierało się na następujących
założeniach:

1
2
uwzględniono wyniesienie (elevation) i pozycję geograficzną (position geometries) turbin
wiatrowych względem okolicznych odbiorców (czyli np. najbliższą zabudowę); wyniesienie
określono przy pomocy cyfrowego modelu elewacji (digital elevation model, DEM) United
States Geological Survey (USCG). Pozycję geograficzną określono przy pomocy systemów
1 Hz = 1 mignięcie/błysk na sekundę
Projekt znajduje się na terenie USA, brak regulacji prawnych dotyczy więc tego państwa
Materiał Fundacji na Rzecz Energetyki Zrównoważonej
www.fnez.pl
GIS-owych (geografic information system) oraz układu odniesienia Universal Transverse
Mercator (UTM, strefa 14, NAD83),

uwzględniono pozycję słońca, a także incydentalne momenty nasłonecznienia turbin
wiatrowych w odniesieniu do okolicznych odbiorców z dokładnością co do minuty w ciągu
roku,

wykorzystano wieloletnie dane o nasłonecznieniu dla obszaru zlokalizowanego najbliżej
projektowanej farmy wiatrowej (dane z National Climatic Data Center NCDC 2008 dla
miejscowości Bismarck). Dane te przedstawiały procent całkowitego nasłonecznienia
w danym miesiącu; największym nasłonecznieniem charakteryzowały się miesiące letnie:
lipiec (73%) i sierpień (72%),

oszacowano czas pracy turbin w ciągu roku oraz ich orientację; na podstawie dwuletnich
pomiarów wiatru przeprowadzonych od czerwca 2008 do maja 2010 przy pomocy masztu
pomiarowego określono prędkość wiatru oraz rozkład jego kierunków. Wyniki analizy
przeprowadzonej w WindPRO wykazały, że najczęściej na tym obszarze wiatry przyjmują
kierunek WNW (zachodni północny-zachód, 13%) i NNW (północno-północny zachód,
14%),

przyjęto, że punkty widokowe odbiorców (np.
bezpośrednio z widokiem na cień padający z turbin.
okna
budynków)
usytuowane
są
W przeprowadzonych wyliczeniach przy pomocy WindPRO uwzględniono ukształtowanie terenu oraz
przeanalizowano w jaki sposób różnice w wysokości terenu wpływają na jego zacienienie. W trakcie
analiz obliczona została ścieżka słońca w odniesieniu do lokalizacji każdej turbiny projektu i w ten
sposób określona została wędrówka cienia po terenie w ciągu roku. Pominięto jedynie dane dla
promieni słonecznych padających pod kątem mniejszym niż 3 stopnie. Podczas analizy nie zostały
uwzględnione inne czynniki takie, jak wystąpienie mgieł, zadrzewienia, a także wizualne
przeszkody (orientacja okien, pokrycie terenu), mogące potencjalnie zminimalizować lub nawet
wyeliminować wystąpienie shadow flickering. Wszystkie z pośród 15 lokalizacji zabudowań
(odbiorców) znajdują się poniżej 1,5 km od najbliższych turbin Projektu. Jako punkt odbioru
narażony na migotanie cienia uznano powierzchnię ok. 1 m2 znajdującą się na wysokości 1 m nad
ziemią (na wzór domowego okna). Średnią wysokość oczu człowieka przyjęto jako ok. 1,5 m nad
terenem.
2.6.
Wynik oceny
Analiza przeprowadzona z wykorzystaniem programu WindPRO wykazała, że migotanie cieni
powodowane przez poruszające się śmigła turbin projektowanej farmy wiatrowej Ashley będzie
występować głównie w najbliższym otoczeniu turbin. Dla obu modeli turbin tylko jedno miejsce z
15 wskazanych lokalizacji odbiorców narażone będzie na więcej niż 30 godzin zacienienia rocznie.
Wizja terenowa wykazała jednak, że jest to opuszczony budynek nie nadający się do zamieszkania i
użytku. Dla wariantu A (turbina GE) liczba godzin zacienienia pobliskich obszarów wyszła nieco
większa niż dla wariantu B (turbina Siemens). Wyniki przeprowadzonych analiz zostały
przedstawione tabelarycznie oraz graficznie.
Poniżej zamieszczono rysunki, na których zobrazowano stopień zacienienia obszarów znajdujących
się w okolicy turbin. Rysunki te, będące wynikami analiz, wykonano dla obu typu turbin (GE oraz
Siemens).
Materiał Fundacji na Rzecz Energetyki Zrównoważonej
www.fnez.pl
Rysunek 1 Obszary narażone na migotanie cieni powodowane przez turbiny wiatrowe – scenariusz
A (turbina GE 2.5xl)
Rysunek 2 Obszary narażone na migotanie cienii powodowane przez turbiny wiatrowe –
scenariusz B (turbina Siemens Energy, Inc SWT 2.3-101)
Materiał Fundacji na Rzecz Energetyki Zrównoważonej
www.fnez.pl
3. Podsumowanie
Przeprowadzona analiza zacienienia obszarów znajdujących się w najbliższym otoczeniu farmy
wiatrowej, na których znajdują się zabudowania mieszkalne, wykazała, że realizacja farmy
wiatrowej Ashley nie doprowadzi do zacienienia tych zabudowań przez większą liczbę godzin niż
zalecane 30 godzin rocznie. Do wykonania oceny przyjęto, że wszystkie narażone na oddziaływania
miejsca (np. okna w budynkach) znajdują się w prostej linii pomiędzy słońcem a turbiną i pomiędzy
nimi nie występują żadne przeszkody (np. drzewa) blokujące światło, a więc minimalizujące to
oddziaływanie. Jest to założenie najbardziej restrykcyjne, bowiem w terenie występują różnego
typu przeszkody pomiędzy cieniem a zabudowaniami, a okna budynków skierowane są w różne
strony świata. Można więc uznać, że zjawisko shadow flickering, które pojawi się po wybudowaniu
tej farmy, będzie oddziaływać w mniejszym stopniu niż zakładano. W razie potrzeby, na drodze
indywidualnych ustaleń z właścicielami posesji, mogą zostać zastosowane dodatkowe środki
mitygujące takie, jak np. zastosowanie przesłon w oknach lub nasadzenia pasów zadrzewień
(strategic vegetative screening).
Opracowała: Diana Brzozowska
Materiał Fundacji na Rzecz Energetyki Zrównoważonej
www.fnez.pl