INNEHÅLLSFÖRTECKNING SAMMANFATTNING...II ABSTRACT...III FÖRORD...IV 1 Inledning... 1 1.1 BAKGRUND... 1 1.2 ALLMÄNT... 1 1.3 AVGRÄNSNINGAR... 1 1.4 FRÅGESTÄLLNING... 2 1.5 NAVIGERING... 2 1.6 RADAR... 2 1.6.1 Allmänt... 2 1.6.2 Teknik... 3 1.6.3 Skärmar... 4 1.6.4 Falska ekon... 5 1.6.5 Andra Störningar... 5 1.7 GPS... 7 1.7.1 Allmänt... 7 1.7.2 Teknik... 7 1.8 TIDIGARE FORSKNING INOM RADAR... 8 1.8.1 QinetiQ försöken... 9 1.8.2 MCA försöken...12 1.9 TIDIGARE FORSKNING MED GPS...16 1.9.1 GPS-täckning...16 1.9.2 GPS- skugga...17 2 Metod...18 2.1 ALLMÄNT...18 2.2 RADAR EXPERIMENT...18 2.3 RADARFÖRSÖK VID MIDDELGRUND...19 2.4 GPS EXPERIMENT...19 3 Resultat...20 3.1 RADARFÖRSÖK I KISTINGE...20 3.2 RADARFÖRSÖK VID MIDDELGRUND...20 3.2 RADARFÖRSÖK VID MIDDELGRUND...21 3.3 TOLKNING AV RESULTAT...21 3.3 TOLKNING AV RESULTAT...22 3.3.1 Tolkning av resultat i Kistinge...22 3.3.2 Tolkning av resultat vid middelgrund...22 3.4 GPS I KISTINGE...23 4 Diskussion...24 4.1 RADAR I ENGLAND...24 4.2 RADAR I KISTINGE...25 4.3 RADAR VID MIDDELGRUND...25 4.4 GPS FRÅN ENGLAND...25 4.5 GPS I KISTINGE...26 5 Slutsats...27 6 Referenser...28 7 Bilagor...30
1 Inledning 1.1 Bakgrund Vi har fått i uppdrag av Triventus Consulting AB att utreda eventuella störningar som vindkraftverk till havs kan ge på sjöfartens radarsystem. Triventus Consulting AB har fått uppdraget att göra projekteringen av vindkraftsparken Skottarevet, som ska vara beläget utanför Falkenbergs kust. Vårt resultat kommer att användas i den miljökonsekvensbeskrivning (MKB) som skall lämnas in till staten, för godkännande av byggnation av vindkraftsparken till havs. 1.2 Allmänt Energi har under de senaste decennierna i Sverige blivit en allt viktigare debattfråga. Det var under oljekrisen på 1970-talet som man började intressera sig för att ersätta oljan med andra energikällor, i form av förnybar energi. Vindkraften är en sådan förnybar energikälla. Idag producerar den installerade vindkraften 0,8 TWh per år i Sverige. Regeringens planeringsmål är att producera 10 TWh vindkraftsel år 2015. För att uppnå målet krävs ökad utbyggnadstakt av vindkraftverk. (Wizelius, 2003) Idag sker den största nyinstalleringen av vindkraftverk på land, men i framtiden planeras vindkraftverken alltmer byggas till havs. Vindkraftsparker till havs har både för- och nackdelar jämfört med verk på land. Till fördelarna hör att vindens medelvindhastighet till havs är högre samt att ytorna inte är lika upptagna som på land. Däremot är det dyrare och mer komplicerat med byggnation av vindkraftverk till havs. Ett tänkbart problem med vindkraftverk till havs är att de stör sjöfartens radarsystem. Detta problem är ett relativt outforskat ämne i Sverige. (Sidén, 2004) 1.3 Avgränsningar I Sverige har försvarsmakten gjort studier angående radarpåverkningar av vindkraftverk placerade på land. Dessa undersökningar är dock inte gjorda för det radarsystem vi inriktat oss på. Det radarsystem vi koncentrerar oss på är pulsradar. Pulsradar används huvudsakligen inom sjötrafiken. Denna typ av radar mäter endast avstånd, som sedan avspeglas på en radarskärm. För att få en helhetsbild av vindkraftverkens påverkan på sjöfartsradar, har vi valt att utföra en del av försöken samt att komplettera med litteratur inom det aktuella området från England. 1
1.4 Frågeställning Genom arbetets gång har vi valt att arbeta utifrån följande frågeställningar för att nå ett användbart resultat. Ger vindkraftverk störningar på sjöfartsradar ute till havs? Påverkas GPS-navigeringen i närhet av vindkraftverk? Vilka åtgärder kan göras vid eventuella störningar? 1.5 Navigering Vid navigering till havs används olika instrument. Vid navigering runt kusterna använder man fyrar eller raconer 1. Den traditionella fyren avger ljusblixtar, som visuellt kan identifieras och med hjälp av sjökortet beräkna sin position. Med fyrens hjälp kan man hålla rätt kurs. Raconer sänder ut signaler i form av ett morsetecken, vilka uppfattas på fartygens radarskärm. Detta medför lättare navigering. Raconsignalen är en stark signal som eventuellt kan skymma andra föremål på radarskärmen. Därför avbryter raconen sin sändning med jämna mellanrum för att fartyg skall kunna upptäcka eventuellt dolda föremål. AIS är en förkortning för Automatic Identification System. Detta är ett system som används allt mer inom sjöfartstrafiken. AIS sänder ut information om fartygets identitet, kurs och fart. Förutom dessa instrument använder man sig av radar och GPS. (Ekblad, 2004) 1.6 Radar 1.6.1 Allmänt Radar är en förkortning av det engelska ordet RAdio Detection And Ranging. En annan benämning är ekoradio. 1903 gjorde tysken Christian Hülsmeyer de första lyckade experimenten med radar. Det var först under andra världskriget som radarn vidareutvecklades. Sverige gjorde sina första radarförsök 1942-43 i samarbete med Statens uppfinnarnämnd och L.M Ericsson 2. Radarns teknik baseras på att en radarvåg sänds ut och reflekteras av framförvarande hinder. Radarekot uppfångas sedan av radarns antenn. Avståndet till hindret bestäms utifrån hur lång tid det tar för vågen att gå från sändare till mottagare. Hastigheten för radarvågor genom luft är ca 300 000 km/s. Radarvågor breder ut sig rätlinjigt, vilket innebär att föremål inte kan ses bakom hinder. Föremålet hamnar då i en radarskugga. (NE, 2005) 1 RACON är en förkortning för RAdarbeCON 2 L.M Ericsson var innovatör och grundaren av bl.a. telefonväxeln 2
1.6.2 Teknik Småbåtsradar arbetar oftast inom frekvensområdet 9 320-9 500 MHz. I radartermer kallas detta frekvensområde för X-band. Våglängden för detta område är 3 cm. Större och dyrare radaranläggningar kan även använda en våglängd som är 10 cm. Dess frekvens ligger mellan 3 000-3 246 MHz, vilket kallas S-band. Vid en jämförelse mellan S-bands och X-bandsradar ger X-band bättre detaljskärpa samt mindre förvrängning av radarbilden. S-band används för att se på längre avstånd och dess fördelar är att den är mindre känslig för nederbörd och sjögång. En stor majoritet av fritidsbåtar och sjötrafik använder sig av det mer detaljerade och billigare systemet X-band. Den radarsignal som radarn sänder ut kallas för radarlob. Radarloben är tredimensionell och består av radarpuls, horisontell lobvinkel och vertikal lobvinkel (se fig. 1). Radarpulsen visar hur lång tid radarn sänder ut signalen innan den växlar om till mottagare. Pulslängden kan varieras mellan 0,07-1,2 µs. En fördel med kort Fig. 1; En småbåts radarlob pulslängd är att den ger en god upplösning och närliggande föremål tänjs inte ut. Fördelen med lång pulslängd är att den ger en längre räckvidd. Inom en halv pulslängds avstånd från antennen är radarn helt blind. Detta förklaras genom att hela pulsen måste ha lämnat antennen innan den kan ta emot något eko. På småbåtsradar är den minsta pulslängden cirka 0,1 µs. Då ljusets hastighet är ungefär 300 000 km/s medför det att pulslängden blir 30 m. Detta innebär att radarn är blind inom en radie av 15 m. Horisontell lobvinkel är vinkeln som radaren sänder ut i horisontal led. Ju mindre vinkeln är desto mindre fel visar radarn i form av att uddar tänjs ut, vikar och sund fylls igen. På stora fartyg är den horisontella lobvinkeln mindre än 1 medan småbåtar har en horisontell lobvinkel på 2-6. Vertikal lobvinkel är radarns utsändningsvinkel i vertikalled. Denna vinkel varierar mellan 20-40. Det är viktigt för småbåtar att ha en stor vertikal vinkel då denna medför att radarn blir mindre känslig för rullning 3 och krängning 4. En fördel med liten vertikal lobvinkel är att man erhåller en längre räckvidd. (Ekblad, 2004) 3 Rullning: är när båtens långsida följer med vågornas rörelse 4 Krängning: är när båten vrider sig av vågornas krafter 3
1.6.3 Skärmar Den traditionella radarskärmen kallas för PPI 5. På denna är fartygets position placerad mitt på skärmen. På PPI-skärmen cirkulerar en ljusstråle som är kalibrerad med radarantennens cirkulationshastighet. Ekon syns i form av lysande punkter, vilka varierar beroende av storlek på föremålen. Denna typ av skärm är ljussvag. Därför krävs avskärmning för att få en skarp bild. Den moderna radarskärmen är digital och får sina ekon i digital form. Denna skärm är inte lika känslig för ljus. För att kunna variera radarn utifrån olika förutsättningar finns det olika funktioner. Några av dessa förklaras nedan. (Ekblad, 2004) Förstärkning/ Gain Förstärkning innebär att man ändrar styrkan på de inkommande signalerna. En nackdel med en allt för hög förstärkning kan vara att ekon från olika föremål ej kan urskiljas. Allt sammanfaller då i en punkt. För att bättre urskilja ekon på nära håll sänker man förstärkningen. En sänkning av förstärkningen kan dock medföra att föremål på längre avstånd är svåra att urskilja. De störningar som uppkommer kallas för klutter. I fortsättningen kommer vi att benämna förstärkningen med gain. (Ekblad, 2004) Regnreflexdämpning/ Anti klutter rain Denna funktion används för att filtrera bort ekon från tät nederbörd. Funktionen har ofta två lägen på radarskärmen; till eller från. (Ekblad, 2004) Mätområdesväljare/ Range selector Radarn kan ställas in och varieras för olika mätområden. För småbåtsradar är avståndet vanligtvis mellan 0,125-36 nautisk mil 6. Stora fartyg med mer avancerad utrustning kan uppnå en radarlängd av 96 nm. (Ekblad, 2004) Variabel avståndsring/ Variable range marker Funktionen används för att mäta avståndet till ett eko. Det är en elektrisk cirkel som man justerar tills det att cirkelns ytterkant träffar ekot på skärmen. Därefter beräknas avståndet. Vanligtvis finns flera cirklar på radarskärmen med samma mellanrum. (Ekblad, 2004) 5 PPI är en förkortning för Plan Position Indicator 6 Nautisk mil. Förkortning nm. 1 nm = 1 852 m) 4
1.6.4 Falska ekon Det finns två sorters falska ekon som kan uppstå. Multipelekon och indirekta ekon. Multipelekon kan uppstå om till exempel en större båt passerar ett vindkraftverk. Båten skickar ut en radarpuls som studsar på vindkraftverket, den återkommande pulsen studsar på båtens skrov istället för att träffa radarn. Radarpulsen studsar tillbaka till verket en gång till innan den träffar radarantennen. Radarn uppfattar att pulsen kommer från ett mål på det dubbla avståndet. Fig. 2; Multipelekon Radarsignalen kan studsa flera gånger innan den når tillbaka till radarantennen. På skärmen syns då ett återkommande eko som blir svagare längre bort från radarn (se fig. 2). För att reducera bort multipelekon minskas gain, risken är då att mindre föremål så som småbåtar och bojar kan försvinna på skärmen. Indirekta ekon uppkommer när radarpulsen reflekteras på flera föremål innan den når tillbaka till radarn (se fig. 3). I punkt 1 sänder radarn ut en radarpuls vilket reflekteras på punkterna 2. När signalen återkommer till punkt 1 uppfattar radarn att signalen kommer från ett mål som i verkligheten inte existerar, det vill säga i punkt 3. (Ekblad, 2004) Fig. 3; Indirekta ekon 1.6.5 Andra Störningar Förutom dessa falska ekon som presenterades ovan kan även andra störningar påverka radarn. Exempel på sådana redovisas nedan. (Ekblad, 2004) Interferens Radarsystem kan störas av andra radaranläggningar som sänder på samma frekvens. På radarskärmen kan man få störningar i form av spiralformade linjer eller spridda ekon. Denna typ av störning kallas för radarinterferens. (Ekblad, 2004) 5
Nederbörd Vid dåligt väder såsom regn och snö, kan störningar synas på radardisplayen (se fig. 4). Om nederbörden är kraftig kan regnkluttret dölja andra mål, så som fartyg eller till och med öar. Detta klutter kan dämpas med hjälp av regnreflexdämpning. (Ekblad, 2004) Broar Broar kan skapa problem på radarskärmen. På långt avstånd Fig. 4; Störning orsakad av syns inte bropelarna på radarskärmen utan bara själva nederbörd vägbanan på bron. Detta förklaras genom att radarloben inte kan urskilja bron från bropelarna. Inte förrän radarloben kan nå under bron kan man urskilja bropelarna. Då försvinner istället bron från radarskärmen. (Ekblad, 2004) 6
1.7 GPS 1.7.1 Allmänt GPS är en förkortning för Global Positioning System. Det mer korrekta namnet på systemet är NAVSTAR GPS 7. När den ryska satelliten Sputnik sköts upp i rymden den 4 oktober 1957 började funderingarna kring hur man kunde använda satelliter för att navigera på jorden. Det första satellitnavigationssystemet byggdes i USA på tidigt 1960- tal. De använde sig av sex satelliter i skilda banor runt jorden. NAVSTAR GPS är den teknik som idag är ledande inom området. Det är ett amerikanskt militärsystem som började byggas i slutet av 1970- talet. I maj 1994 var systemet fullbordat. Resultatet blev 24 satelliter som kretsar i sex olika banor runt jorden. För civilt bruk är GPS-systemet idag gratis och enligt den amerikanska myndigheten skall det fortsätta att vara så den kommande femårsperioden. (NE, 2005) 1.7.2 Teknik En GPS-navigator används för att bestämma positioner på land och till havs. Positionen ges på mottagaren i form longitud och latitud, uttryckt i grader och minuter. GPSnavigatorn kan även beräkna tid samt position över havsytan. Teoretiskt krävs det två satelliter för att få en tvådimensionell position respektive tre satelliter för en tredimensionell position. I praktiken krävs det en extra satellit. Då en GPS-mottagare befinner sig under bar himmel, var som helst på jorden, har den alltid kontakt med minst fyra satelliter samtidigt. Ju fler satelliter GPS-mottagaren ser desto korrektare position anges. Det maximala antalet satelliter en GPS-mottagare kan använda sig av samtidigt är 12 stycken. USA:s försvar har av säkerhetsskäl lagt in en medveten störning av noggrannheten. Denna störning ger GPS-mottagaren en noggrannhet på 100 m. Man kan kringgå dessa störningar med ett system som i Sverige heter EPOS 8. Detta system bygger på att 12 stycken stationer runt om i Sverige var för sig, beräknar felvisningen för respektive GPS-satellit. Utifrån dessa medelvärden beräknas den verkliga positionen med en noggrannhet på 10 m, eller 1-2 m. Den internationella lösningen av problemet heter DGPS 9. Idag har GPS blivit mer regel än undantag inom sjöfarten. Inom bilindustrin är den ett allt mer förekommande tillbehör, då den hjälper föraren med vägval och navigering. Andra användningsområden är inom branschen för mobiltelefoni. Det kan vara bra att vid en eventuell nödsituation kunna lokalisera positionen, nödsamtalet kom ifrån. (NE, 2005) 7 NAVSTAR GPS=Navigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System. 8 EPOS Ett system som ger högre noggrannhet på GPS-mottagaren. 9 DGPS är förkortning för: Differential Global Positioning System 7
1.8 Tidigare forskning inom radar 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 som vi studerade innefattade flera typer av radarförsök. Dessa utfördes i vindkraftsparken The North Hoyle (se fig. 5). Parken är belägen utanför Englands kust och består av 30 stycken vindkraftverk. Verken har en tornhöjd på 70 m, de är cylindriska och har en diameter på 5 m. Den reflekterande ytan på plattformen och tornet är ca 80 m 2. De tre bladen har en reflektionsyta på sammanlagt 200 m 2 när de är i rät vinkel mot radarn och halva arean när vingarna är i linje med radarn. Maskinhuset och navet har en reflekterande area på ca 16 m 2. Sammanlagt har varje vindkraftverk i The North Hoyle en reflekterande yta på ungefär 300 m 2. Fördelen med stor area är att det blir kraftigt och tydligt eko av vindkraftverken på radarskärmen. Däremot finns nackdelar vid användning av radar i SAR 10, vilket är ett viktigt hjälpmedel vid sökandet efter nödställda. Ett problem är att eftersom vindkraftverken ger ett kraftigt eko syns inte småbåtarnas eko när de ligger nära ett vindkraftverk. En annan nackdel är störningen av ARPA 11. Detta är ett datasystem som på radarskärmen visar vilken kurs och hastighet andra fartyg håller, detta görs för att undvika kollisioner. Fig. 5; Vindkraftparken The North Hoyle Den första typen av försök utgjordes av QinetiQ 12 och handlar om störningseffekter på sjöfartsradar från vindkraftverk till havs. Den andra typen av försök utfördes av MCA 13 handlar om radarskuggning från vindkraftverk till havs. (Brown, 2004) 10 SAR är en förkortning för Search And Rescue 11 ARPA är en förkortning för Automatic Radar Plotting Aids 12 QinetiQ är ett amerikanskt forskningsföretag 13 MCA är en förkortning för Maritime and Coastguard Agency 8
1.8.1 QinetiQ försöken Radarförsöket involverade en färja åkandes i en utsatt kurs. Denna färja kommer vi att framöver benämna som båt 1. Försöket utfördes för att se vilka effekter vindkraftverkparken har på båt 1:s radardisplay vid olika avstånd och inställningar på radarskärmen. För att genomföra försöket placerades båt 1 i fyra olika positioner i vindkraftsparken. Första positionen är i centrum av parken, andra och tredje positionen är 1000 respektive 3000 m från centrum. Fjärde positionen är 6000 m från vindkraftparkens centrum. På de fyra positionerna användes olika gain för att se hur mycket radarn störs av klutter. I position 1 är gain automatiskt inställt på 60%.(se fig. 6 ). Man kan här se att automatisk gain i detta fall är olämpligt. I figuren ser man ett flertal falska klutter av vindkraftverk. När man sedan reducerar gainen från 60% till 20% försvinner nästan allt klutter från vindkraftverken (Se fig. 7). Fig. 6; Automatisk inställning av gain (60%) Fig. 7; Gain inställd på 20% 9
Vindkraftverks störningar på sjöfartsradar och GPS När båt 1 har flyttats till position 2 varierar man mätområdesväljaren i två steg, gainen är oförändrad. Displayavstånden är ½ nm och 3 nm. Här kan man observera att med displayen inställd på ½ nm finns det inga synliga klutter (se fig. 8). Däremot med displayen på 3 nm är det tydliga klutter på skärmen (se fig. 9). Fig. 8; Displayavstånd ½ nm Fig. 9; Displayavstånd 3 nm Observationerna i position 3 bevisar att på 3 000 m avstånd visas inte mycket klutter på radarskärmen. När man sänker gainen från 74 % till 44 % blir parken lite skarpare på skärmen, men ingen stor förbättring kan registreras (se fig. 10 respektive fig. 11). Noterbart är att turbinerna är synliga som otydliga prickar (plots). Det stora klutter som syns är kustlinjen som gainen har reducerat. Fig. 10; Gain 74%, avstånd till centrum 3 000 m Fig. 11; Gain 44%, avstånd till centrum 3 000 m 10
Den fjärde positionen befinner sig 6 000 m från centrum av vindkraftspark. Med en 54% gaininställning syns hela parken tydligt (se fig. 12). Vid en gain på 44% börjar man att filtrera bort intressanta ekosignaler och i figur 13 syns det att vindkraftverk försvinner från skärmen. Fig. 12; Gain 54%, avstånd till centrum 6 000 m Fig. 13; Gain 44%, avstånd till centrum 6 000 m När gainen ytterligare sänks till 34 % har några vindkraftverk försvunnit från radarskärmen (se fig. 14). Med en gain av 24% har antalet synliga vindkraftverk reducerats betydligt (se fig. 15). (Brown, 2004) Fig. 14; Gain 34%, avstånd till centrum 6 000 m Fig. 15; Gain 24%, avstånd till centrum 6 000 m 11
1.8.2 MCA försöken Ur den engelska rapporten The effects of offshore wind farms on marine radar, navigation and communication systems har vi redovisat några försök som MCA utfört. Dessa försök utfördes i The North Hoyle. (Brown, 2004) Radarskugga i parken Det första försöket bestod av två båtar, båt 2 och båt 3. Båt 2 var placerad 100 m utanför vindkraftsparken. Båt 3 var placerad inne i parken, för att sedan gå mellan vindkraftverken (se fig. 16). Detta gjordes för att se om vindkraftverken skapade radarskuggor. När båt 3 befann sig bakom verken låg den i radarskugga och kunde ej upptäckas av båt 2:s radar (se fig. 17). Resultatet visade att vindkraftverken skapade blind- och skuggsektorer bakom verken, vilket medförde att andra turbiner och båtar inte kunde bli upptäckta på radarskärmen. (Brown, 2004) Vindkraftverk i radarskugga Båt 3 ligger i radarskugga och syns ej Fig. 16; Båt 3:s rutt i parken Fig. 17; Radarbild från båt 2. Där båt 3 ej kan upptäckas 12
Radarskugga bakom verken I andra försöket ligger båt 2 på avståndet 3 nm från vindkraftsparken, medan båt 3 rör sig norrut mellan verk 1 och 6 (se fig. 18). I denna rörelse befinner sig båt 3 hela tiden i vindkraftverkets radarskugga (se fig. 19). För att båt 3 ska bli synlig behöver båt 2 närma sig vindkraftsparken. När båt 2 befinner sig 1,4 nm från vindkraftverk 1 kan båt 3 urskiljas från det tidigare skuggande vindkraftverket. Vid upptäckten ligger båt 3 på avståndet 30 m väst och 200 m norr om vindkraftverk 1. Radarskärmens inställning var vid försöket 1,5 nm. (Brown, 2004) Fig. 18; Båt 3 rör sig mellan verk 1 och 6 Fig. 19; Båt 3 ligger i radarskugga Radarskugga bredvid verken I tredje försöket var båt 2 placerad 3 nm söder om vindkraftverk 1. Mätområdesväljaren var inställd på 3 nm. Båt 3 skall gå i linje med vindkraftverk 1-5 för att se hur långt vindkraftverkets skugga breder ut sig. Från utgångspunkten vid verk 1 ligger båt 3 i radarskugga. Båt 3 kan först urskiljas när den färdats 0,2 nm, detta motsvarar en vinkel = 4 (se fig. 20). (Brown, 2004) Fig. 20; Båt 3 urskiljs först efter 0,2 nm 13
Falska ekon I nästa försök undersökte MCA eventuella falska ekon som uppkommer när en båt färdas genom parken. I försöket färdades båt 2 norrut mellan verk 1 och 2, upp till vindkraftverk 26 och 27. Mätområdesväljaren på båt 2 var inställd på 1,5 nm och radarskärmen hade optimala inställningar för att få en skarp bild. Under försöket justerades gain till fyra nivåer. Resultaten förklaras nedan. Nivå ett använde en gain av 67%, vilket är högre än det optimala och innebär att skärmen fylldes av klutter (se fig. 21). I nivå två var inställningen av gain 50%, detta är normal nivå. Sänkningen av gain gav mindre klutter fast fortfarande fanns det lite störningar kvar (se fig. 22). Fig. 21; Gain 67% Fig. 22; Gain 50% Nivå tre använde en automatiskt inställning av gain. Resultatet på skärmen blev skarpare än tidigare, men det fanns fortfarande klutter på skärmen (se fig. 23). I nivå fyra var gainen inställd på 10%, vilket gav en tydlig radarbild med relativt lite klutter (se fig. 24). Men med denna låga nivå av gain blir det svårt eller omöjligt att upptäcka småbåtar och bojar. (Brown, 2004) Fig. 23; Automatisk gain Fig. 24; Gain 10%, 14
Landradarn MCA genomförde försök med två olika radaranläggningar placerade på land. Ett mobilt- och ett stationärt system 14. Den stationära radaranläggningen är placerad 5,2 nm från vindkraftsparken The North Hoyle och 200 meter över havet. Den stationära radaranläggningen används annars för övervakning av ett oljefält, 7,5 nm norr om parken. Genom att placera båt 2 i parken utfördes ett försök med syfte att se hur lång radarskugga vindkraftverken skapar. Resultatet var en skugga bakom verken på 0,11 nm och en skuggbredd på 0,33 nm bredvid verken (Se fig. 25). Fig. 25; Radarförsök från stationär radar I det andra försöket användes ett större fartyg för att se om det kunde uppstå multipelekon. Fartyget passerade parallellt 800 m norr om parken. Resultatet visade stora multipelekon som kan ses i figur 26. Den mobila radaranläggningen användes vid ett försök då den var placerad i linje med verk 5-30 på 6 meter över havet och avståndet till Fig. 26; Multipelekon orsakad av fartyg parken var 4 nm. Radarförsökets syfte var att lokalisera en båt som var placerad inne i vindkraftsparken. Detta för att se eventuella radarskuggor som uppkommer bakom och bredvid vindkraftverken. Försöket visade att vid pulslängden 0,25 µs var skuggan 600 m bred och 70 m djup. Vid ökning av pulslängden till 1,0 µs ökade skuggan bakom verken till 300 m, radarskuggans bredd var konstant på 600 m. (Brown, 2004) 14 Mer teknisk information se bilaga 1 15
1.9 Tidigare forskning med GPS I den engelska rapporten Electromagnetic investigations at the North Hoyle wind farm gjorde QinetiQ även GPS-försök. GPS-försöken utfördes med två olika utrustningar. En handburen GPS av typ Garmin GPS III och en Garmin GPS 152 som var monterad på en båt 15. Dessa två system jämfördes vid olika tester. Detta för att se om vindkraftverken påverkar GPS-noggrannheten vid positionsbestämning. För att bestämma om GPSmottagaren påverkas av vindkraftverk undersöktes hur många satelliter GPS-mottagaren kunde få kontakt med. QinetiQ hade gjort ett teoretiskt test som visade att inga elektromagnetiska störningar ska påverka GPS-systemet om inte mottagaren är väldigt nära turbintornet. Innan försöket gjordes tre kontrollrundor för att se antalet satelliter GPS-mottagaren fick kontakt med. Dessa kontrollrundor gjordes på ett avstånd som ej var påverkat av vindkraftsparken. Under rundorna var antalet synliga satelliter stabila. På den handburna GPS-mottagaren var antalet synliga satelliter nio stycken. Den fastmonterade GPSmottagaren hade tio synliga satelliter. Under kontrollrundorna var felvisningen av GPSmottagaren jämfört med sjökortet 4-5 m. (Brown, 2004) 1.9.1 GPS-täckning Försöket genomfördes genom att åka i tre olika kurser genom vindkraftsparken (se fig27). I den första kursen som gick från vindkraftverk 16 till vindkraftverk 20, var antalet låsta satelliter färre än vid kontrollrundorna. Antalet varierade mellan åtta till tio låsta satelliter. En felmarginal på 4 till 6 m uppvisades. Den andra kursen gick från vindkraftverk 3 till vindkraftverk 28. I detta försök var antalet låsta Fig. 27; Båtens tre olika kurser genom parken satelliter åtta stycken för Garmin GPS III och tio stycken för Garmin GPS 152. Noggrannheten för positionen i denna kurs var 5 m. (Brown, 2004) Den tredje och sista kursen gick från vindkraftverk 5 till vindkraftverk 26. I denna kurs var variationen av antalet låsta satelliter mindre för båda GPS-systemen. Åtta till nio satelliter syntes hela tiden på Garmin GPS III. Felmarginalen i positionen var omkring 4 m. Garmin GPS 152 hade åtta till elva satelliter låsta och felmarginal var 3 till 5 m. 15 Bilder på GPS, se bilaga2 16
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 7 11 11 9 10 11 13 10 10 17 11 11 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 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 1974. 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
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/ 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 315 18. 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
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
3.2 Radarförsök vid Middelgrund Resultaten med olika gain från försök ett kan ses i figurer 31-36. 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
3.3 Tolkning av resultat Vindkraftverks störningar på sjöfartsradar och GPS 3.3.1 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. 3.3.2 Tolkning av resultat vid Middelgrund Resultaten med olika gain från försök ett kan ses i figurer 31-36. 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
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). 1323639 + 1323637 + 133626 + 1323644 Vindkraftverk 1 longitud: = 1323637 4 6282080 + 6282080 + 6282089 + 6282081 latitud: = 6282083 4 1323658 + 1323656 + 1323656 + 1323658 Vindkraftverk 2 longitud: = 1323657 4 6281946 + 6281956 + 6281949 + 6281955 latitud: = 6281952 4 1323682 + 1323678 + 1323680 + 1323682 Vindkraftverk 3 longitud: = 1323681 4 6281838 + 6281837 + 6281842 + 6281841 latitud: = 6281840 4 Position Antal satelliter Longitud GPS Latitud GPS Longitud Referenskoordinat Latitud Referenskoordinat Verk 1 5-7 1323637 6282083 1323640 6282083 Verk 2 6-8 1323657 6281952 1323671 6281943 Verk 3 6-8 1323681 6281840 1323695 6281832 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
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 6 000 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
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 1 000 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.. 4.3 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 10-11 satelliter. 25
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
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
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 2005-04- 29 Brown, C. Författare, MCA. Mailkontakt 2005-05-04 Dahlhed, M. 2005-03-23 Anställd inom militären, LV6 i Halmstad. Telefonkontakt Eriksson, K. Försvarets materialverk, Stockholm. Telefonintervju 2005-03-24 Grebius, T Personalavdelningen, Unifeeder. Telefonkontakt 2005-04-19 Knudsen, J. Teknikkoordinator, Triventus Consulting AB. Löpande kontakt Kuylenstierna, K. Anställd inom militären. Telefonintervju 2005-03-21 Mannari, L. Lärare, Luftvärnsregementet 6 i Halmstad. Löpande kontakt Pedersen, E. Universitetsadjunkt,. 2005-05-04 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
Elektroniska referenser Brown, C. (2004). Electromagnetic investigations at the North Hoyle wind farm. http://www.mcga.gov.uk/c4mca/mcga-safety_information/navcom/north_hoyle_windfarm_report.htm 2005-02-06 Howard, M. (2004). The effects of offshore wind farms on marine radar, navigation and communication systems. http://www.mcga.gov.uk/c4mca/mcga-safety_information/navcom/north_hoyle_windfarm_report.htm 2005-02-06 Nationalencyklopedin www.ne.se 2005-03-14 Poupart, G. (2003) Wind farms impact on radar aviation interests-final report. http://www.dti.gov.uk/energy/renewables/publications/w1400614.shtml 2005-01-25 Rederi, Malmö www.rederiet.se 2005-04-22 Statens energimyndighet www.stem.se 2005-03-12 Vindkraftspark i Danmark www.middelgrund.com 2005-02-20 29
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
Bilaga 2 Handburen GPS, Garmin GPS III Monterad GPS, Garmin GPS 152 31
Bilaga 3 32
33
34
35
Bilaga 4 36
37