未来更大的涡轮机将如何影响风力发电项目的电力输出和周围社区的声级?

未来更大的涡轮机将如何影响风力发电项目的电力输出和周围社区的声级?

新的伯克利实验室研究发现,与过去安装的涡轮机相比,未来涡轮机的估计项目输出会显着增加,同时周围噪音水平会降低。

风电的多种技术、社会和市场因素正在迅速发展。最值得注意的是,风力涡轮机的高度和尺寸正在显着缩小,并且预计会继续扩大。虽然预计未来将部署的大型涡轮机功率更大、效率更高,但预计它们运行时的噪音排放也将高于过去十年安装的涡轮机。由于其更高的高度、更大的转子和更高的声功率级,未来的风力涡轮机将需要更大的后退距离和更大的涡轮机间距,从而导致在给定土地面积上部署的涡轮机数量更少。这些相互竞争的技术和选址趋势——及其相关影响——还没有得到很好的理解。

新的劳伦斯伯克利国家实验室分析“陆基风力涡轮机大型化对社区声级和功率和能量密度的影响”模拟了在两个不同的原型地点使用 11 种不同的风力涡轮机模型提取输出、铭牌容量的 22 个独特项目的开发,涡轮机的数量和使用位于固定土地区域内的旧的,当前的和未来的涡轮机模型的项目之间的接收器声级模式。

该研究以开放获取格式发表在 Applied Energy 上,可在此处获取(链接是外部的)。作者将于 2023 年 4 月 13 日东部时间下午 1 点/太平洋时间上午 10 点举办网络研讨会,介绍研究结果。在这里注册:https://lbnl.zoom.us/webinar/register/WN_ljqJqmyWQEaSl0nC99kDdQ(链接是外部的)。

主要发现总结如下:

分析发现,未来的涡轮机比过去十年中安装频率最高的涡轮机高出 60% 以上,这不足为奇。相关地,预计未来能够安装在同一土地面积上的涡轮机将比过去减少 60%。

从 Then 时期(美国过去十年中使用最频繁安装的涡轮机,2011-2020)到 Future 时期(预计在未来三到五年内安装的涡轮机,2023-2025),风力涡轮机高度预计平均增加 60%,从 122 米增加到 202 米(图 1)。涡轮机总高度的增加,加上更大的转子直径和声功率级的增加,减少了可以在我们两个原型站点的固定土地区域开发的涡轮机数量。因此,这些地点的涡轮机平均数量减少了 60%(从 222 台减少到 89 台)。 (有关周期的更多详细信息,请参见图 1 标题。)

尽管涡轮机较少,但使用未来涡轮机的工厂布局会导致项目在给定土地面积上具有更高的装机容量和年能源输出。

尽管两个地点给定土地面积的涡轮机减少了 60%,但未来项目的铭牌总装机容量增加了大约 11%(从 395 兆瓦增加到 437 兆瓦),估计年能源输出增加了近 60%(从 1,146 GWh/yr 到 1,825 GWh/yr) 在当时的时期。这些平均趋势在所有制造商和两个站点之间共享,但这些趋势的大小存在一些差异(未显示)。这些输出增加在很大程度上是由未来期间使用的涡轮模型的额定容量和效率的显着增加所驱动的。

尽管涡轮机的整体声音更大,但预计未来家庭中的社区声级将大大降低。

尽管锯齿状后缘 (STE) 可将声级降低约 1.5 dBA,预计将应用于所有未来涡轮机型号的叶片,但未来涡轮机的涡轮机声级(在轮毂处)高于 (105.3 dBA) 比对于 Then 涡轮机 (104.3 dBA)。尽管预计会增加,但在未来一段时间内,涡轮机周围家庭的声级估计会降低 18%。这种减少是由于家庭的挫折增加,其比例为涡轮机高度的倍数和涡轮机声功率的一个因素,以及在同一土地区域建造的风力涡轮机较少。

图 1. 风力涡轮机的平均总高度、风力涡轮机的数量、项目总容量、项目输出和检查期间的响度。分别选择这些时期来代表;然后:美国过去十年安装最频繁的涡轮机(2011-2020);现在:过去两年美国安装最频繁的涡轮机(2019-2020);以及,未来:涡轮机最有可能在未来三到五年内在美国安装(即 2023-2025)。所有 Future 涡轮机都应具有锯齿状后缘以降低声级 (STE),因此使用涡轮机设计了单独的项目,这些涡轮机代表了具有 STE 的现在时期(Now with STE),并且所有 Future 涡轮机都包含 STE 以符合制造商的期望。

这些较低的声级不仅发生在邻近项目的房屋中,还发生在那些非常靠近涡轮机的地块上的房屋中。

对于非常靠近风电项目的家庭来说,一个经常提到的潜在滋扰是涡轮机的声音。然而,我们的研究发现,在所有时期,项目周围的平均估计受体声压级 (SPL)(衡量邻近家庭居民可能听到的声音)与当时的估计值相比呈持续下降趋势(图 2)。这在未来时期尤为明显,下降幅度在 1.5 到 3 dB 之间。参与的房屋位于可以安装涡轮机的地块上,往往更靠近风力涡轮机,并且在设计项目时相对于非参与者的房屋也受到更高的噪音限制。但是,我们的研究发现,这些家庭及其未参与的邻居在所有时期的 SPL 都会降低。这意味着未来的涡轮机可能会显着减少常见的潜在麻烦。

图 2. 测得的总体 A 加权声压级 (SPL) 的平均变化是受纳者住宅参考当时(即开始)SPL 的参与。靠近项目的非参与者显示为实线,参与者显示为虚线。

图 2. 测得的总体 A 加权声压级 (SPL) 的平均变化是受纳者住宅参考当时(即开始)SPL 的参与。靠近项目的非参与者显示为实线,参与者显示为虚线。

由于未来越来越多地采用更高容量的涡轮机,可能会带来无数其他好处。

由于尺寸增加,未来安装的涡轮机将位于离住宅和物业线更远的地方,因为通常需要根据总高度进行缩进。此外,未来项目中使用的涡轮机数量减少可能会提高涡轮机在陆地上放置位置的灵活性,因此有可能创造更多机会来避开敏感的视域。此外,更高的项目能力和产出可能会带来更高的当地经济效益(例如,税收和收入)。

提出了未来研究的一些领域,例如:检查更少的大型涡轮机与更多的小型涡轮机的美学权衡;需要检查其他地点的结果(山脊线和替代风况);以及使用未来安装的涡轮机进行经济分析的价值。

我们感谢美国能源部风能技术办公室对这项工作的支持,以及慷慨提供数据、信息和审阅我们研究的众多个人和组织。

文章和图表由伯克利实验室提供,电力市场与政策,

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