Влияние дизайна турбин на безопасность птиц и летучих мышей

Влияние дизайна турбин на безопасность птиц и летучих мышей

Ветроэнергетика стала краеугольным камнем глобального перехода на возобновляемую энергию, но её быстрое развертывание вызвало серьёзные опасения по поводу её воздействия на дикую природу, в частности на птиц и летучих мышей. Столкновения с лопастями турбин, баротравмы от быстрых изменений давления вблизи движущихся лопастей и смещение среды обитания являются одними из документированных воздействий. В то время как общий риск для большинства популяций птиц относительно низок по сравнению с другими антропогенными угрозами, такими как забастовки зданий и домашних кошек, кумулятивный эффект крупных ветряных электростанций может быть значительным для некоторых уязвимых видов, включая рапторов и перелётных летучих мышей. Критический и часто недооценённый рычаг снижения этих рисков лежит в конструкции самих турбин. Понимая, как форма, размер, цвет, работа и сидячие места взаимодействуют с поведением животных, инженеры и разработчики могут создавать турбины, которые гораздо менее склонны наносить вред летающей дикой природе.

В этой статье рассматриваются конкретные особенности проектирования, влияющие на риск столкновения, рассматриваются инновационные стратегии, которые тестируются и развертываются во всем мире, и предлагается сбалансированный взгляд на то, как ветроэнергетика развивается, чтобы лучше сосуществовать с природным миром. Основное внимание уделяется практическим, основанным на фактических данных изменениям дизайна, которые продемонстрировали измеримое снижение смертности.

Основные особенности дизайна турбин, которые влияют на дикую природу

Каждый физический и эксплуатационный атрибут ветровой турбины может либо увеличивать, либо уменьшать вероятность столкновения птицы или летучей мыши с клинком.Наиболее важными факторами являются геометрия клинка, скорость вращения, высота башни и конструкция, освещение и наличие технологий сдерживания.

Форма клинка, длина и соотношение сторон

Лопасти являются частью турбины, которая наиболее непосредственно взаимодействует с летающими животными. Современные лопасти длинные, стройные и высоко аэродинамические, предназначены для максимального захвата энергии при низких скоростях ветра. С точки зрения дикой природы, более длинные лопасти охватывают большую площадь и вращаются с более высокими скоростями наконечника, что может увеличить вероятность столкновения. Однако связь не просто линейная. Более длинные лопасти также имеют более медленную скорость вращения (RPM) для поддержания безопасных скоростей наконечника, а больший диаметр увеличивает вероятность того, что животное может летать между лопастями без контакта. Исследователи обнаружили, что соотношение сторон (длина лопастей, разделенная на среднюю ширину аккорда) имеет значение: лопасти с очень высоким соотношением сторон представляют более узкий передний край, который может снизить вероятность столкновения для птиц, которые быстро реагируют, но для летучих мышей, которые часто не обнаруживают лопасти во времени, тонкий край все еще может вызвать смертельные травмы.

Исследования в Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL) и в других местах показали, что изменение формы наконечника лезвия, что делает его более округленным или добавляет серрации, может изменить воздушный поток и уменьшить дифференциал давления, который вызывает баротравму у летучих мышей. Некоторые экспериментальные конструкции включают гибкие наконечники, которые движутся медленнее под воздействием, предлагая более мягкую поверхность, которая может снизить уровень смертности.

Цвет клинка и маркировка

Визуальный контраст является одним из самых простых и экономически эффективных изменений в конструкции. Большинство турбин во всем мире окрашены в однородный светло-серый цвет (RAL 7035 или аналогичный), который сливается с небом и фоном. Это делает лезвия менее заметными для птиц, особенно хищников, которые охотятся, сканируя землю и горизонт. Картина одного или двух лезвий с высококонтрастным цветом, таких как черный, красный или оранжевый, была показана в нескольких исследованиях, чтобы уменьшить столкновения птиц на целых 70%.

  • Одно-черное лезвие:] Наиболее широко исследованный рисунок. Исследование 2020 года на ветряной электростанции Smøla в Норвегии показало, что покраска одного лезвия в черный цвет сократила смертность орлов более чем на 70% по сравнению с полностью серыми турбинами.
  • Черно-белые спиральные узоры:] Некоторые проекты пробовали спирали или полосы на корне лезвия (раздел, ближайший к концентратору), чтобы увеличить восприятие движения, хотя результаты неоднозначны.
  • УФ-отражающие покрытия: Птицы могут видеть ультрафиолетовый свет; нанесение УФ-отражающей краски на лезвия может сделать их более яркими и прочными для глаз птиц. Ранние испытания на нескольких европейских ветропарках показали многообещающие результаты, но требуют дальнейшей проверки.

Для летучих мышей, которые в значительной степени полагаются на эхолокацию и часто являются близорукими, визуальные маркировки могут быть менее эффективными, однако сочетание окрашенных лезвий с другими сдерживающими факторами все еще может уменьшить смертельные случаи летучих мышей.

Скорость вращения и сокращение

Скорость нажатия — скорость, с которой крайняя точка лезвия перемещается по воздуху — является одним из самых сильных предикторов риска летальности. Типичная современная турбина имеет скорость наконечника 60-90 м/с (135-200 миль в час). На этих скоростях немногие птицы или летучие мыши могут реагировать достаточно быстро, чтобы избежать столкновения. Снижение скорости вращения даже на скромные 10-20% значительно снижает силы удара и дает животным больше времени на побег.

Это привело к практике операционного сворачивания , когда турбины запрограммированы на снижение оборотов или перьевых лопастей (повернуть их параллельно ветру) в периоды высокого риска, такие как:

  • Весна и осень миграция птиц
  • Пик активности летучих мышей (теплые, низкие ночи с июля по октябрь)
  • Низкий ветер, когда летучие мыши более активны
  • Времена, когда радар обнаруживает большие стаи

Умные системы сворачивания могут автоматически регулировать скорость турбины на основе данных датчиков в реальном времени, минимизируя потери энергии при максимизации защиты дикой природы. Например, FLT:0 Bat Conservation International и несколько ветровых операторов совместно разработали алгоритмы, которые повышают скорость ветра (скорость, с которой лопасти начинают вращаться) в часы активности летучих мышей, достигая до 50% снижения смертности с менее чем 1% годовой потери энергии.

Высота башни и освещение

Более высокие башни (часто превышающие 100 метров высоты хаба) размещают лезвия на более высоких скоростях ветра, но также помещают их в воздушное пространство, используемое мигрирующими певчими птицами и летучими мышами. Однако некоторые исследования показывают, что более высокие башни могут фактически снизить риск столкновения для наземных хищников, потому что лезвия находятся дальше от земли. Доказательства неоднозначны.

Освещение от авиационной опасности на ветровых турбинах является хорошо задокументированной угрозой для птиц. Вспышки красных маяков привлекают перелетающих ночью певчих птиц и заставляют их кружиться или сталкиваться, особенно в условиях плохой видимости. FAA и соответствующие агентства в других странах теперь позволяют не мигать, устойчиво горящие красные огни при более низкой интенсивности, что, как показали исследования, снижает притяжение птиц и столкновения на 50-70%. Некоторые новые турбины оснащены радарными огнями , которые активируются только при приближении самолета, что еще больше снижает световое загрязнение.

Инновационные технологии для сдерживания дикой природы

Помимо основных модификаций конструкции, в настоящее время тестируется растущий набор передовых технологий, чтобы активно сдерживать птиц и летучих мышей от приближающихся турбин.

Ультразвуковые акустические сдерживающие устройства

Летучие мыши используют эхолокацию для навигации и охоты. Излучение высокочастотных звуков (обычно 20-100 кГц) от турбины может сбивать с толку или отталкивать летучих мышей, не затрагивая птиц (большинство птиц не могут слышать ультразвук). Несколько коммерческих систем, таких как Bat Deterrent Technology от NRG Systems, показали 40-60% снижение летучих мышей в полевых испытаниях на ветряных электростанциях в США и Канаде. Эффективность зависит от таких факторов, как уровень звукового давления, диапазон частот и то, привыкают ли летучие мыши. Текущие исследования направлены на оптимизацию этих устройств для различных видов летучих мышей и условий окружающей среды.

Системы сигнализации на основе радара

Морской радар или микродоплеровский радар могут обнаруживать птиц и летучих мышей на расстоянии до нескольких километров. Когда стая или отдельное животное входит в определенную зону, система посылает сигнал контроллеру турбины, чтобы замедлить или остановить лопасти. Эти системы «куртаил по требованию» были развернуты на морских ветровых электростанциях, таких как ] Оффшорная ветровая электростанция Эгмонд аан Зее (FLT:3] (OWEZ) в Нидерландах и на береговых участках в Соединенном Королевстве и Соединенных Штатах. Основным преимуществом является то, что потери энергии минимальны, потому что турбины сворачиваются только тогда, когда животные фактически присутствуют.

Визуальные сдерживающие факторы на самой турбине

Было опробовано несколько визуальных сдерживающих факторов, которые имели смешанный успех:

Инновации в форме клинка: серрированные выступы и пассивные генераторы вихрей

Добавление зазубренных задней кромки к лезвию - первоначально разработанный для снижения шума - также изменяет турбулентное пробуждение позади лезвия. Ранние данные свидетельствуют о том, что эти серрации могут нарушить зоны низкого давления, которые вызывают баротравму у летучих мышей. Некоторые производители, включая Siemens Gamesa, теперь предлагают лезвия с такими функциями, как опциональные обновления. Аналогично, пассивные генераторы вихрей (малые плавники) могут изменить поток воздуха по поверхности лезвия, потенциально уменьшая дифференциал давления на кончике лезвия.

Тематические исследования и полевые результаты

Данные из реальных источников, полученные от действующих ветропарков, являются самым убедительным доказательством того, что изменения в дизайне работают.

Ветропарк Смела, Норвегия: реконструкция черного лезвия

В одном из наиболее широко цитируемых исследований исследователи нарисовали один клинок черным на четырех из 68 турбин ветропарка Смела. За три с половиной года мониторинга окрашенные турбины зафиксировали снижение смертности белых орлов на 70,6% по сравнению с неокрашенными элементами управления. Исследование пришло к выводу, что визуальный контраст увеличил восприятие лезвия птиц как препятствия, заставив их избегать пронесшейся области. Многие европейские ветропарки с тех пор приняли эту практику, и Норвежский институт исследований природы рекомендует его в качестве стандартной меры смягчения для рапторов.

Ветропарк Кассельман, Пенсильвания: сокращение для летучих мышей

В исследовании, проведенном на ветропарке Кассельмана, использовалась комбинация сокращения (повышение скорости сокращения до 5,0 м/с с 3,5 м/с) и ультразвуковых сдерживающих факторов. В течение двухлетнего испытания смертность летучих мышей снизилась на 50% только с сокращением и на 72% в сочетании с ультразвуком. Ежегодные потери энергии составили менее 1,5%. Это исследование помогло убедить регуляторов в восточных США принять сокращение в качестве обязательного смягчения для некоторых ветровых проектов.

Оффшорные ветряные фермы: остановки с помощью радаров

На морской ветроэлектростанции OWEZ в Нидерландах была установлена радиолокационная система (Robin Radar system) для обнаружения стай птиц. Когда птицы приближались в пределах 500 метров, турбины автоматически пернатые лопасти и снижали обороты. Система оказалась эффективной при предотвращении столкновений, хотя требовала тщательной калибровки, чтобы избежать ложных тревог от дождя и волн. Аналогичные системы сейчас тестируются на ветропарке Block Island (США) и в Северном море.

Политика и нормативный ландшафт

Многие страны в настоящее время требуют проведения оценки воздействия на дикую природу до начала строительства ветропарков и осуществления послестроительного мониторинга. Некоторые из них перевели результаты проектирования в обязательные правила:

Добровольные программы сертификации, такие как Сертификация сохранения дикой природы от American Bird Conservancy (доступно на abcbirds.org ), помогают разработчикам выбирать модели турбин, которые были независимо протестированы на безопасность дикой природы. Несколько производителей турбин теперь предлагают «дружественные к дикой природе» пакеты, которые включают черные лезвия, ультразвуковые излучатели и интеллектуальный контроллер сужения в качестве заводского варианта.

Проблемы и будущие направления

Во-первых, стоимость модернизации существующих турбин новыми лезвиями, красками или датчиками может быть значительной - часто 50 000 - 200 000 долларов США за турбину. Во-вторых, эффективность многих смягчений варьируется в зависимости от региона, вида и погодных условий; то, что работает для летучих мышей в Пенсильвании, может не работать для популяций летучих мышей в Техасе. В-третьих, взаимодействие между множественными смягчениями (например, черные лезвия плюс ультразвук) не полностью понято - они могут иметь аддитивные или даже антагонистические эффекты.

Исследования движутся в направлении видово-специфического дизайна — настройки геометрии лопастей, цвета и работы на основе наиболее уязвимых видов в данной области. Например, морские ветряные электростанции в Балтийском море экспериментируют с желтыми лопастями, которые имеют более высокий контраст по сравнению с серо-голубым морем и небом, чем черное или белое. Другой развивающейся концепцией является Вертикально-осевая ветряная турбина (VAWT) , которая обычно имеет более медленную скорость вращения и более компактный ротор, потенциально представляющий меньшую опасность для птиц. В то время как VAWT еще не являются конкурентоспособными по стоимости для энергии в масштабе полезности, они могут стать важными в экологически чувствительных районах.

Национальная лаборатория возобновляемых источников энергии (NREL) продолжает проводить исследования лезвийных покрытий, которые выделяют нетоксичный запах, который отталкивает летучих мышей (охраняющие факторы), а также тепловые камеры, которые могут обнаруживать мигрирующих птиц с больших расстояний и запускать автоматическое сокращение. Дополнительная информация доступна по адресу nrel.gov/wind .

Заключение

Проектирование турбины не является незначительной деталью в конфликте между ветром и дикой природой — это один из самых мощных инструментов, которые у нас есть для сокращения смертности. Простые меры, такие как покраска одного черного лезвия, повышение скорости вырезания во время летучих мышей, установка ультразвуковых средств сдерживания и модернизация освещения, могут снизить смертность от столкновений на 50-75% с минимальным воздействием на производство энергии. По мере того, как ветроэнергетика расширяется для достижения климатических целей, интеграция этих конструктивных особенностей с самого начала, а не как запоздалые мысли, будет иметь важное значение. Разработчики, регуляторы и производители должны продолжать обмениваться данными, совершенствовать технологии и принимать проверенные решения.

Сектор ветроэнергетики уже продемонстрировал, что он может быть ответственным распорядителем ландшафтов, где он работает. Приняв на основе фактических данных улучшения дизайна, отрасль может установить глобальный стандарт для сосуществования с дикой природой, доказав, что чистая энергия и здоровые экосистемы не являются взаимоисключающими целями.