Vindkraftverks störningar på sjöfartsradar och GPS Martin Tagesson och Per Ek

Transkript

1 1.9.2 GPS- skugga Fyra vindkraftverk i mitten av parken användes för att försöka skugga delar av himmeln. Båten med de två GPS-systemen var placerade precis intill vindkraftverken under försöken. Vindkraftverks störningar på sjöfartsradar och GPS Vindkraftverk Garmin GPS 152 Garmin GPS III Tabell 1; Antalet synliga satelliter Syfte var att se hur många satelliter som var tillgängliga för de olika GPS-systemen. De olika GPS-systemen fungerade även om det var små störningar (se tabell 1). (Brown, 2004) 17

2 2 Metod 2.1 Allmänt För att klargöra våra mål deltog vi på ett möte med sjöfartsverket. Där diskuterade vi vilka områden vi skulle fördjupa oss i. Områdena som vi valde att inrikta oss på var vindkraftverkens påverkan på sjöfartsradar och GPS till havs. För att bilda oss en egen uppfattning utförde vi egna studier och experiment, vilka beskrivs nedan. Vårt arbete är baserat på material från de engelska rapporterna Electromagnetic investigations at the North Hoyle wind farm och The effects of offshore wind farms on marine radar, navigation and communication systems. Dessa finns presenterade och sammanställda under rubriken tidigare forskning. De försök som vi gjorde jämfördes med resultaten i de engelska rapporterna. Vi har även gjort litteraturstudier inom radarområdet med Radarboken och hämtat information från Nationalencyklopedin. 2.2 Radar experiment Den 7/4-05 besöktes LV6 16 i Halmstad för att diskutera ett försök med kunniga inom radarområdet. Försöket skulle utföras i Kistinge, beläget i Halmstad kommun. En portabel pulsradar skulle användas för att ta radarbilder på de tre vindkraftverken i Kistinge. Den 20/4-05 utfördes radarförsöket i Kistinge. Instrumenten som användes var, en pulsradar (se fig. 28), PPI-skärm, en bensindriven elgenerator och en reflektor 17. En digitalkamera användes för dokumentation. Radarn var en pulsradar PS-821/P från Avståndsområdet på PPI skärmen var min 5 km och max 50 km. Reflektor är en utrustning som ger ett starkt reflekterande eko tillbaka till radarantennen. Fig. 28; En pulsradar Försöket utfördes i två steg från en fri synvinkel till de tre vindkraftverken. I den första delen av testet togs en radarbild på de tre vindkraftverken. I den andra delen av testet sattes en reflektor upp mellan första och andra vindkraftverket. Reflektorn placerades mellan vindkraftverken eftersom den ger ett starkt reflekterande eko på PPI-skärmen och därmed lättare urskiljs från vindkraftverken. Under försöket hade vi hjälp av Lars Mannari och Arto Flodberg som båda arbetar på LV6 i Halmstad. 16 LV6 är en förkortning för Luftvärnsregementet 6 17 Instrumenten beskrivs tydligare i bilaga 3 18

3 2.3 Radarförsök vid Middelgrund Undersökning utfördes på båten M/S Turasund, som trafikerar i sundet mellan Malmö och Köpenhamn. Utanför Köpenhamn finns vindkraftsparken Middelgrund. Parken består av 20 vindkraftverk med ett inbördes mellanrum på 180 m (Middelgrundens vindmöllelaug, 2005). Under undersökningen användes M/S Turasunds radarutrustning för att observera vindkraftsparken. Syftet med undersökningen var att undersöka om olika gain ger olika resultat på radardisplayen. Efter att analyserat resultatet bestämmer vi vilken gain som vi tycker är lämpligast att använda vid passering av en vindkraftspark till havs. Inställningarna av mätområdesväljaren varierades mellan 3 nm och 6 nm. Gainen ändrades i elva steg för att se hur vindkraftverken förändras på radardisplayen. I varje steg togs en bild av radarskärmen. Av dessa elva bilder användes dock de sex mest relevanta i resultatet. Radarutrustningen vi använde oss av var en Furuno FR-2105/ B series Radar. Radarskärmen var en digital multi-color display. Den horisontala lobvinkeln var 1º och den vertikal lobvinkeln var 20º. 2.4 GPS experiment För att få en uppfattning om eventuell störning på GPS av vindkraftverk utförde vi ett enkelt försök runt tre vindkraftverk i Kistinge. GPS-modellen vi använde var Magellan GPS För att få en så exakt position som möjligt togs fyra koordinater i direkt anslutning till varje vindkraftverk. Dessa koordinater summerades sedan och ett medelvärde beräknades. De tre beräknade koordinatobservationerna jämfördes med försvarets hinderdatabas 19 referenskoordinater. Detta gjordes för att notera om GPSmottagaren angav fel position på grund av störningar av vindkraftverken jämfört med koordinaterna från försvarets hinderdatabas. På GPS-mottagarens skärm kan man se vilka satelliter som mottagaren får kontakt med och hur stark mottagningen är. Vi noterade hur satellitmottagningen påverkades av de tre vindkraftverken, i skiftade antal. 18 Teknisk information se bilaga 4 19 Höga byggnader som finns med i försvarets hinderdatabas 19

4 3 Resultat 3.1 Radarförsök i Kistinge Resultatet av radarförsöket i Kistinge, i Halmstad kommun syns i figur 29. Vindkraftverk 1 Vindkraftverk 2 Vindkraftverk 3 Fig.; 29 Radarbild över Kistinge Vindkraftverk 1 Vindkraftverk 2 Vindkraftverk 3 Fig.; 30 Karta över Kistinge 20

5 3.2 Radarförsök vid Middelgrund Resultaten med olika gain från försök ett kan ses i figurer Fig. 31; Gain 18% Fig. 32; Gain 36% Fig. 33; Gain 45% Fig. 34; Gain 54% Fig. 35; Gain 72% Fig. 36; Gain 100% 21

6 3.3 Tolkning av resultat Vindkraftverks störningar på sjöfartsradar och GPS Tolkning av resultat i Kistinge Under radarförsöket i Kistinge visade PPI-skärmen tydliga punkter av vindkraftverken (se fig. 29). Vindkraftverken syns som tre prickar på en rad i mitten av figuren. Vid det första vindkraftverket är pricken större och reflektorn kan inte urskiljas ifrån vindkraftverket. Detta på grund av att reflektorn var placerad för nära första vindkraftverket. De två punkterna smälter då samman till en punkt. Radarbilden visar mycket klutter och störningar från omgivningen. Den fjärde punkten ovanför vindkraftverken är en ladugård som ger ett större reflekterande eko än vad vindkraftverken ger. Andra tydliga ekon är den räta linjen till vänster om verken som är en järnvägsräls. Till höger om vindkraftverken är en trafikerad väg och bortanför vägen ligger ett industriområde. Dessa stora föremål syns tydligt på PPI-skärmen Tolkning av resultat vid Middelgrund Resultaten med olika gain från försök ett kan ses i figurer I figur 31 med 18% gain ses vindkraftverken svagt på en rad i figuren. När gainen är låg försvinner nästan alla signaler inklusive vindkraftverken. I figur 32, med 36% gain, syns vindkraftverken bra men fortfarande saknas en del ekon på radarskärmen. I figur 33 med 45% gain är vindkraftverken och andra relevanta ekon tydliga på radarskärmen. Figur 34 har 54% gain vilket medför att vindkraftverken fortfarande syns tydligt men klutter börjar upptäckas på radarskärmen. Vid nästa gainnivå på 72% ses relativt mycket klutter på radarskärmen. Skuggbredden på vindkraftverken blir bredare med högre gain (se fig. 35). Vid maximal gain börjar vindkraftverkens eko smälta samman och klutternivån är hög (se fig. 36). I andra försöket var mätområdesväljaren inställd på 6 nm där varje avståndsring var 1 nm. Även nu kan det ses att vindkraftverken har svaga ekon medan andra viktiga ekon inte syns på radardisplayen vid låg gain. Det visar sig också att vid en gain på 45-54% har radarskärmen lite klutter och de viktiga ekona syns. Vid hög gain blir resultatet det samma som i försök 1. Radarskärmen fylls upp av klutter. 22

7 3.4 GPS i Kistinge Under försöket med GPS i Kistinge registrerades koordinater och antalet satelliter som var synliga för GPS-mottagaren (se tabell 2) Vindkraftverk 1 longitud: = latitud: = Vindkraftverk 2 longitud: = latitud: = Vindkraftverk 3 longitud: = latitud: = Position Antal satelliter Longitud GPS Latitud GPS Longitud Referenskoordinat Latitud Referenskoordinat Verk Verk Verk Tabell 2; Antalet mottagbara satelliter, våra beräknade koordinater och referenskoordinater från försvarets hinderdatabas Position Felvisning Vårt resultat blev att en felvisning på 0-14 m uppvisades gällande vindkraftverken i Kistinge (se tabell 3). Longitud Verk 1 3 m 0 m Verk 2 14 m 9 m Verk 3 14 m 8 m Tabell 3; Felvisning på GPS-mottagaren Felvisning Latitud Antal satelliter som var kontaktbara med GPS-mottagaren intill vindkraftverken varierade mellan 5-8 satelliter. Noterbart är att 20 m från vindkraftverk 3 fick GPS-mottagaren kontakt med 10 satelliter. 23

8 4 Diskussion 4.1 Radar i England I första QinetiQ försöket kom man fram till att vid justering av radargainen reducerades kluttret. En konsekvens som gainändringen medför är att små mål på långt avstånd inte längre är synliga på radarskärmen. Vid ett avstånd på m från vindkraftparkens centrum och en gain på 44% börjar intressanta ekosignaler försvinna. Vid 34% gain försvinner även stora mål som vindkraftverken. Slutsatsen är att gainen ska ställas in på över 44%. Då minskar risken att missa något mål på radarskärmen. Men QinetiQ visade inte vilken gain som högst ska användas innan radarskärmen blir fylld med klutter. I MCA:s första försök kan vi dra slutsatsen att båten inne i parken inte hela tiden var synlig för båten utanför parken. Detta beror på att det skapas radarskuggor bakom vindkraftverken. Generellt kan man säga att det blir problem om den sökta båten inte rör sig utan alltid befinner sig i radarskugga. Detta problem kan bli allvarligt vid sjöräddning och sökning. I andra försöket upptäcktes ej båt 3 som var bakom ett vindkraftverk på ett avstånd av 3 nm. För att båt 3 skulle upptäckas krävdes det att båt 2 minskade sitt avstånd till vindkraftparken till 1,4 nm. Slutsatsen är att vid närmare avstånd kan man urskilja ekon inne i parken. Dock får man ej vara för nära, som det visade sig i försöket Radarskugga i parken. För att upptäcka föremål i parken måste avståndet vara mer än 100 m. I tredje försöket kunde inte båt 3 urskiljas på båt 2:s radar förrän den befann sig 0,2 nm bredvid vindkraftverket. Slutsatsen är att om man har ett avstånd på mindre än 0,4 nm mellan verken så kommer man inte kunna urskilja några mål som ligger mellan vindkraftverken. I försöket falska ekon ses det skillnader mellan olika gain. Vid 67% gain är klutternivån hög och är därmed svårt att urskilja riktiga ekon från falska. Med en sänkning av gainen till 10 % minskade klutternivån men på denna nivå är det omöjligt att upptäcka små mål. MCA kom fram till att det optimala är att använda sig av en gain på 50%. Landradarförsöken visar också att det bildas radarskugga bakom vindkraftverken. MCA kom fram till att om man ökade pulslängden från 0,25 µs till 1 µs ökade också skuggan bakom verken från 70 m till 300 m. Skuggbredden från verken var konstant på 600 m. 24

9 4.2 Radar i Kistinge Från radarförsöket som gjordes i Kistinge kom vi fram till att vindkraftverken sågs tydligt i form av punkter. Mätområdesväljarens minsta avstånd var 5 km. Avståndet från radarn till vindkraftverken var 700 till m. Det var omöjligt att beräkna skuggornas längd bakom och bredvid vindkraftverken. Eftersom PPI-skärmen ej blev tillräckligt detaljerad. Reflektorn kunde ej urskiljas från vindkraftverket på grund av att vindkraftverkets radarskugga delvis täckte reflektorn. Punkten på PPI-skärmen från vindkraftverk 3 och reflektorn var större än punkterna för de andra två verken. Det betyder att ett ytterligare föremål befinner sig nära ett av vindkraftverken Radar vid Middelgrund Gaininställningen hade elva lägen. Under försöket togs det en bild på varje läge och efter att ha utforskat alla bilderna kom vi fram till att figur 30 med en gain på 45% visade vindkraftverken tydligast. Denna bild hade inget klutter och inga dolda föremål. Figur 31 med en gain på 54% är också tydlig. Därför rekommenderar vi att använda en gain mellan 45-54% vid passering av vindkraftsparker. Efter att ha gjort egna försök och jämfört dem med MCA och QinetiQs resultat har vi kommit fram till att våra resultat stämmer bra överens med deras. För att få en tydlig och korrekt radarbild vid passering av vindkraftverk ska man använda sig av en gainnivå mellan 44-54%. 4.4 GPS från England De engelska GPS försöken visade att få störningar uppkom när GPS-mottagaren var mitt inne i vindkraftsparken. Försöken visade att högst en satellit försvann ifrån GPSmottagaren. Detta medför inga problem eftersom en GPS-mottagare fungerar om den har kontakt med fyra satelliter. Vindkraftsparker till havs står på öppna platser, därför har GPS-mottagaren goda möjligheter att ha kontakt med fler satelliter än fyra. Den största felmarginalen som uppvisades var 4 till 6 m. Vi anser att detta är en godkänd noggrannhet och normal felvisning vid navigering med GPS. Vid försöket GPS-skugga där GPS-mottagaren försökte skuggas av vindkraftverken hade vi resultatet: att även om en satellit skuggades bort fungerade GPS:en, eftersom den hade kontakt med satelliter. 25

10 4.5 GPS i Kistinge Från GPS-försöken i Kistinge visades en felvisning på GPS-mottagaren på 0-14 m i jämförelse med referenskoordinaterna från försvarets hinderdatabas. Vi anser att detta är en acceptabel felmarginal. Antalet satelliter som var i kontakt med GPS-mottagaren intill verken varierade mellan 5-8 stycken. Eftersom det krävs fyra satelliter för att få en korrekt position kan man inte påstå att vindkraftverk stör ut GPS-systemet. På ett avstånd av 10 m ifrån vindkraftverken var antalet synliga satelliter 10 stycken. Detta betyder att vindkraftverken bara skuggar GPS-mottagaren precis intill tornet. Och vid längre avstånd än 10 m påverkas ej GPS-mottagaren av vindkraftverken. Slutsatsen är att om sjötrafiken ska få en störning på GPS-mottagaren måste de befinna sig precis intill vindkraftverken. 26

11 5 Slutsats Utifrån försöken som QinetiQ, MCA och våra egna undersökningar har vi kommit fram till hur vindkraftverk till havs påverkar sjöfartsradar. En störning är radarskuggor som bildas bakom och bredvid vindkraftverk. Radarskuggan beror på avstånd, pulslängd och mätområdesväljarens inställning på radarskärmen. Skuggorna kan variera mellan 70 m och upp till 600 m. Radarskuggornas längd kan minskas genom sänkning av pulslängden. Om man sänker pulslängden sänks också avståndet på radarskärmen. Klutter kan uppkomma vid vindkraftsparker om man har för hög gain på radarskärmen. Har man däremot gainen för lågt ställt missar man relevanta föremål så som bojar och småbåtar. Vi rekommenderar att använda en gainnivå på 44-54%. Vår slutsats är att vindkraftverk påverkar sjöfartsradar. Denna påverkan är dock inte betydande för sjötrafiken. En vindkraftspark ger inte mer störningar än vad som skapas av en liten ö. Efter att ha studerat gjorda GPS-försök och utfört egna försök har vi kommit fram till att det kan ske en minskning i antal mottagbara satelliter på GPS-mottagaren. Detta sker endast om GPS-mottagaren är inom 10 m från vindkraftverket. Denna minskning påverkar ej GPS-mottagarens förmåga att ge en korrekt position. När vi nu gjort dessa försök och undersökningar kan vi dra vår slutsats. Slutsatsen är att vindkraftverk inte stör GPS-systemets positionsangivelse. 27

12 6 Referenser Litteratur Ekblad, J. (2004). Radarboken. Stockholm: Bilda förlag Wizelius, T. (2003). Vindkraft i teori och praktik. Lund: Studentlitteratur Personliga kontakter Bergh, A. Personalavdelningen, Turasund. Telefon- och mailkontakt Brown, C. Författare, MCA. Mailkontakt Dahlhed, M Anställd inom militären, LV6 i Halmstad. Telefonkontakt Eriksson, K. Försvarets materialverk, Stockholm. Telefonintervju Grebius, T Personalavdelningen, Unifeeder. Telefonkontakt Knudsen, J. Teknikkoordinator, Triventus Consulting AB. Löpande kontakt Kuylenstierna, K. Anställd inom militären. Telefonintervju Mannari, L. Lärare, Luftvärnsregementet 6 i Halmstad. Löpande kontakt Pedersen, E. Universitetsadjunkt, Sidén G. Universitetsadjunkt,. Löpande kontakt Bilder Fig. 1-2, fig. 4 Illustratör, Olle Landsell, Bilda förlag Fig.5-27 källa Captain Colin Brown, MCA 28

13 Elektroniska referenser Brown, C. (2004). Electromagnetic investigations at the North Hoyle wind farm Howard, M. (2004). The effects of offshore wind farms on marine radar, navigation and communication systems Nationalencyklopedin Poupart, G. (2003) Wind farms impact on radar aviation interests-final report Rederi, Malmö Statens energimyndighet Vindkraftspark i Danmark

14 7 Bilagor Bilaga 1 Specifika data för den stationära radaranläggningen: BHP Billiton Gwaenysgor Radar Raytheon series specifications: Magnetron peak power Frequency Pulse lengths 0,06 µs (nominal) 0,25 µs 0,5 µs 1,0 µs 25 kw 9410 MHz 30 MHz Raytheon antenna specifications: Aperture size 12 ft (3,66 m) Horizontal beam width 0,7 Vertical beam width 23 Sidelobes within 10 of beam -30 db Polarisation Horizontal Rotation speed 22/26 rpm Specifika data för den mobila radaranläggningen. Environment Agency radar Racal Decca Bridgemaster 250 series specifications: Magnetron peak power 10 kw Frequency 9410 MHz 30 MHz Pulse lengths 0,05 µs (nominal) 0,25 µs 1,0 µs Racal Decca antenna specifications: Aperture size 4 ft (1,22 m) Horizontal beam width 2,0 Vertical beam width 24 Sidelobes within 10 of beam -23 db Polarisation Horizontal Rotation speed 28 rpm 30

15 Bilaga 2 Handburen GPS, Garmin GPS III Monterad GPS, Garmin GPS

16 Bilaga 3 32

17 33

18 34

19 35

20 Bilaga 4 36

21 37