Teksti on otettu suorana lainauksena Satu Tolvasen opinnäytetyöstä Tuulivoimaloiden meluhaitat
https://lutpub.lut.fi. Tekstiä lukiessa tulee huomioida, että tutkimukset on tehty pienillä ja matalilla tuulivoimaloilla. Nykyiset laitokset on 8-10 MW ja korkeus on 300 m.
TUULIVOIMALOIDEN MELU
Tuulivoimaloissa melua syntyy lapojen pyörimisestä sekä sähköntuottojärjestelmästä, kuten vaihteistosta, generaattorista ja jäähdytysjärjestelmä. Lapojen pyörimisestä aiheutuva melu on aerodynaamista ja jaksollista ja täten lavat ovat hallitseva melunlähde tuulivoimaloissa. (Napoli 2007, 9.) Sähköntuottojärjestelmän melu on mekaanista melua, joka aiheutuu suurimmalta osin vaihteistosta (Kaltschmitt et al. 2013, 1849).
Aerodynaaminen melu
Tuulivoimalan lapojen pyörimisestä aiheutuvan aerodynaamisen melun jaksollisuus syntyy doppler -ilmiöstä. Havaitsijan ja äänilähteen, eli lavan siiven, välinen etäisyys muuttuu lavan pyörimisnopeuden mukaan ajan funktiona. Voimakkain ääni aiheutuu, kun siipi ohittaa maston, jolloin melua syntyy sekä äänen heijastumisesta että lavan ja tornin välisen ilmakerroksen puristumisesta. (Napoli 2007, 9.)
Aerodynaamisen melun kolme eri osa-aluetta ovat matalataajuinen melu, sisään virtauksen turbulenttisuuden aiheuttama melu ja siivekkeen ominaismelu. Matalataajuista melua syntyy turbiinin siiven ohittaessa maston aiheuttaen ilman turbulenttista virtausta vanavedessään. Lisäksi, jos tuulivoimalat on sijoitettu liian lähekkäin toisiaan, voivat pyörivät turbiinit synnyttää ilman turbulenttista virtausta ja näin matalataajuista melua. (Kaltschmitt et al. 2013, 1849.)
Sisään virtauksen turbulenttisuus liittyy siiven profiilin muutoksen aiheuttamaan aero dynaamiseen nosteeseen. Aerodynaaminen noste syntyy ilmanpaineen vaihtelusta lavan eri pinnoilla. Yli- ja alipaine vaikuttavat ilman virtaukseen siivellä. Ilmavirtaus on aluksi laminaarista siiven pinnalla, mutta muuttuu turbulenttiseksi terävämmän jättöreunan alueella. (Napoli 2007, 10.) Sisään virtaukseen vaikuttavat siipiprofiilin lisäksi myös ympäristöolosuhteet, kuten vallitsevat sääolosuhteet ja maanmuodot (Kaltschmitt et al. 2013, 1849).
Siivekkeen ominaismelu on ääntä, jonka tuulivoimala vähintään aiheuttaa olosuhteiden ollessa optimaaliset. Siiven aiheuttaman äänen syntymiseen vaikuttavat turbulenssi lavan jättöreunalla (TBL), jättöreunan profiilin tylppyys sekä siiven kärjen pinta-alan kapeneminen (Kaltschmitt et al. 2013, 1849). Näistä kolmesta äänen lähteestä dominoiva tekijä on turbulenssi lavan jättöreunalla, joka kasvaa lavan pituuden ja pyörimisnopeuden kasvaessa (Napoli 2007, 10). Siiven melu on siis voimakkainta siiven kärjessä. Melun voimakkuus siiven kärjessä on voitu paikantaa akustisella paikannuksella horisontaaliselle mittauspinnalle. Esimerkkinä akustisesta mittauksesta on kuvassa Kuva 1 esitetty tuuliturbiinin melulähteet 2,3 MW tehoisessa tuulivoimalassa. Voimalan roottorin halkaisija on 94 metriä ja maston korkeus 100 metriä. Kuvassa punaisella värillä näkyy alue, jossa akustinen ääni on voimakkain.
Tuulivoimalan synnyttämä aerodynaaminen melu johtuu suurimmalta osin turbulenttisesta sisään virtauksesta sekä turbulenssista lavan jättöreunalla (Kaltschmitt et al. 2013, 1850). Kuvassa Kuva 2 on esitetty aerodynaamisen melun päälähteiden jakautuminen eri taajuuksille. Kuvasta nähdään, että turbulenttinen sisään virtaus aiheuttaa suurimman osan melusta taajuuksilla 100-200 Hz ja lavan jättöreunan turbulenssi (TBL) dominoi melulähteenä taajuuksilla 200-3000 Hz.
Mekaaninen melu
Tuulivoimalan mekaaninen melu aiheutuu suurimmalta osin vaihteistosta, mutta myös generaattori ja jäähdytysjärjestelmät tuottavat melua. Mekaaninen melu kulkeutuu rungon kautta värähtelynä maahan sekä jäähdytysjärjestelmän ilmanvaihtoaukkojen kautta suoraan ilmaan. Vaihteiston melu syntyy vaihteiston jäähdyttämisestä ilmalla, jolloin ilmavirtauksen virtausmeluun on sekoittunut moottorimelua, joka kulkeutuu ilmaan ilmanvaihtoaukkojen kautta. Mekaaninen melu ei uusimmissa tuulivoimaloissa ole niin häiritsevää kuin aerodynaaminen melu, sillä mekaniikan synnyttämä melu saadaan tehokkaasti pienennettyä koteloimalla vaihteisto ja generaattori. Lisäksi melu on yleensä matalataajuista sekä kapeakaistaista ja voimakkuudeltaan alhaista, joten se on häiritsevää vain voimalan välittömässä läheisyydessä. (Napoli 2007, 11.)
Matalataajuinen ja infraäänestä syntyvä melu
Tuulivoimaloissa syntyy matalataajuista ja infraäänimelua, kun tornin eteen kertyy painekasauma tai kun roottorin siivekkeet ohittavat tuulivoimalan maston, jolloin aerodynaamisen kuorman suuruus muuttuu. (Jakobsen 2005, 146). Mataliksi taajuuksiksi määritellään yleisesti 20…200 Hz ja infraääneksi alle 20 Hz (Møller et al. 2011, 3727). Infraääntä ei ihmisen tulisi pystyä kuulemaan, sillä ihmisen kuuloalueen ymmärretään päättyvän 20 Hz, mutta kuuloalueen rajat vaihtelevat yksilöittäin, joten infraäänen taajuuden määrittely on hankalaa ja äänen yläraja on liikkuva (Ibid).
Toisin kuin normaalin tuulivoimalamelun mittauksella A-painotetulla äänitasolla infra ääntä mitataan G-painotetulla äänitasolla (Ibid). G-painotus kattaa alle 20 Hz taajuudet, joten se sopii hyvin infraäänen mittaamiseen. G-painotettu infraääni, joka on juuri ja juuri kuultavaa on noin 100 dB(G) ja infraääni, joka on jo kovaa ja häiritsevää on noin 120 dB(G), joten infraäänessä on erittäin pieni vaihteluväli hiljaisen ja kovan melun välillä (Jakobsen 2005, 150).
Tuulivoimaloiden synnyttämästä matalataajuisesta äänestä ja infraäänestä on tehty monia tutkimuksia ja mittauksia varsinkin Tanskassa, jossa tuulivoima on tärkeä energiantuotantomuoto. Infraääntä ja matalia taajuuksia on mitattu sekä läheltä tuulivoimaloita, 100 m, että kaukaakin, jopa 1000 m, niin ulkona kuin talojen sisällä. Mitattujen äänten G-painotetut melutasot jäävät tutkimuksissa alle normaalin kuulokynnyksen, suurin mitattu melutaso G-painotuksessa sisätiloissa on noin 70 dB(G), joka on reilusti alle kuultavan 100 dB(G) tason. (Møller et al. 2011, 3729.)
Tanskassa suoritetuissa tutkimuksissa vertaillaan upwind - ja downwind -tuuliturbiinien tuottamia infra- ja matalataajuisia ääniä. Upwind -tuulivoimalassa turbiini on mastossa kiinni siten, että se altistuu tuulelle tuulen virtauksen suunnasta. Downwind -tuulivoimalassa taas turbiini on sijoitettu tuulen suojapuolelle. Tutkimusten tuloksissa todetaan, että moderneissa upwind -turbiineissa syntyvä infraääni niin lähellä kuin kaukanakin turbiinista on alle infraääniraja-arvon, joka esimerkiksi Tanskassa on 85 dB(G). Vanhemmat downwind -turbiinit taas tuottavat infraääntä, joka ylittää raja-arvon sekä sisällä, että ulkona jopa satojen metrien päässä turbiinista. (Jakobsen 2005, 152.) Saksassa ja Yhdysvalloissa tehtyjen tuuliturbiinien infraäänimittausten yhteenveto on esitetty taulukossa Taulukko 2. Taulukossa esitetyt tulokset eivät ole suoraan verrattavissa keskenään eri olosuhteiden vuoksi, mutta tuloksen antavat suuntaa, millaisia infra-
äänitasoja erisuuruisista tuulivoimaloista syntyy.
