Transcript Isens inverkan på vindkraftsvingar

Datum (2012-03-16)
Isens inverkan på
vindkraftsvingar
Elev: Fredrik Sjölund
Handledare: Anna Josefsson
Sammanfattning
Detta arbete är gjort för att skapa en uppfattning om vilken betydelse is har
på vindkraft i kallare klimat.
Det finns tre varianter av is, rimfrost, dimfrost och is (klaris). Beroende på
var isen bildas så uppstår lite olika problem, så som oljud eller totalt haveri.
Men det är inte bara skador på turbiner som kan uppstå vid nedisade
vindkraftverk, risken för personskador ökar i och med att vindkraften blir
mer utbredd och hamnar närmare civilisationen. En stor turbin med navhöjd
på ca 94 m och rotordiameter på 112 m kan i teorin kasta is så långt som
309 m.
För att förhindra att is bildas forskas det idag bland annat på nanoteknik och
proteiner som skall användas som beläggning på rotorbladen.
Abstract This work is done to create a perception of the importance of ice on the wind
power in cold climates.
There are three sorts of ice, frost, rime ice, and ice (clear ice). Depending on
where the ice is formed there will be different problems, such as noise or a total
failure. But it's not just damage to the turbines that can arise in icy wind, the risk
of injury increases as the wind becomes more widespread and closer
to civilization. A large turbine with hub height of approximately 94 m and rotor
diameter of 112 m can theoretically throw ice as far as 309 m
To prevent ice from forming, research today is focusing, among other things, on
nanotechnology and proteins to be used as a coating on the rotor blades.
Innehållsförteckning
1 Inledning ..............................................................................................................4 2 Syfte.....................................................................................................................4 3 Material och metod.............................................................................................4 4. Resultat ...............................................................................................................6 4.1 Vad är isbildning? ..............................................................................................6 4.2 Vilken inverkan har det? ....................................................................................7 4.3 Är det farligt?.....................................................................................................8 4.4 Går det att motverka isbildning?........................................................................9 5. Slutsatser..........................................................................................................10 6. Källföreteckning..............................................................................................11 Otryckta källor....................................................................................................11 Tryckta källor ......................................................................................................................... 11 1 Inledning
I nuläget expanderar vindkraften i hög hastighet, vilket gör att mer vindkraft
hamnar i kallare klimat. I och med att vindkraftssiterna hamnar på
nordligare breddgrader uppstår därigenom problematiken med is och snö. Is
på rotorbladen är i allra högsta grad ett problem för både ägaren av
vindkraftssiten och för tillverkarna av turbinerna.
2 Syfte
Syftet med detta arbete är att få en överblick i varför is uppstår på vingarna
och vilka olika problem det medför.




Tyngdpunkten kommer att ligga på dessa fyra punkter,
Vad är isbildning?
Vilken inverkan har detta?
Är det farligt?
Går det att motverka?
3 Material och metod
Den större delen av informationen i detta arbete har jag fått från seminarium
från årets WinterWind 2012 där tyngdpunkten låg på just inverkan av is och
snö på vindkraftverken.
Övrig information kommer från internet och Tore Wizelius bok – Vindkraft i
teori och praktik.
4
5
4.
Resultat
Nedan går vi igenom de olika begreppen, vad är isbildning, vilken är
problematiken med att is uppstår, är isbildning farligt för allmänheten och
vad kan vi göra åt isbildningen?
4.1 Vad är isbildning?
Isbildning är något som uppstår när väderförhållandena är sådana att den
fuktiga luften, dimma eller underkylt regn/snö kan kristallisera och fastna på
turbinerna. I regel finns det tre olika varianter på is; rimfrost, dimfrost1 och
is.
Isbildningen är inga större problem när det bildas på själva tornen, däremot
ett stort gissel när det bildas på rotorbladen och anemometern2.
Rimfrost kan uppstå på två olika vis:
Det första är is som sätter sig på avkylda (under 0°) horisontella ytor och
uppkommer ur dimfri luft.
Det andra är när ett väderomslag från kallt till milt väder uppstår och varm
fuktig men dimfri luft av vinden först mot kallare föremål. Detta fenomen
kallas frostbeslag, iskristallerna från frostbeslag sätter sig i lika stor mängd
på lodräta som vågräta ytor.
Dimfrost uppstår på vindsidan av rotorbladen, även här finns det två olika
uppkomstsätt: dimma och tätt fuktdis; dimdroppar som fryser till is eller när
vattenånga direkt övergår i iskristaller.
Underkylda dimdroppar som bildas under en längre tid bildar något som
kallas hård dimfrost, eller isbark.
Klaris3 är is som bildas vid underkylt regn eller dimma som innehåller
relativt stora underkylda vattendroppar.
Skillnaden mellan dimfrost och klaris är vilken droppstorlek och temperatur
det är.
Infogas bör att definitionen och klassificering av de olika is sorterna är lite
beroende på vilken standard man har använt sig av i sin rapport. Det vill
säga, en del infogar alltså klaris i rubriken dimfrost.
En klassificering kan se ut så här:
Lätt nedisning <1 mm tjockt istäcke
Måttlig nedisning 1-5 mm
Svår nedisning >5 mm
1
2
http://www.smhi.se/kunskapsbanken/meteorologi/dimfrost-och-rimfrost-1.17959
Tore Wizelius-Vindkraft i teori och praktik
3
http://www.vindlov.se/Global/Boverket/Elforsk%200413%20Svenska%20erfarenheter%20av%20vindkraft%20i%20kallt%20klimat.pdf
6
4.2 Vilken inverkan har isbildningen?
Det finns som tidigare nämnts olika former av is, de olika formerna bildas
på olika platser på rotorbladen beroende på vilken densitet den har och
därigenom ändras formen på bladets profil4. De stora problemen uppstår när
bladprofilen ändras så pass mycket att bladen tappar lyftkraft, eller att
bladets framkantsradie ökar utan att bladprofilen i sin helhet ändras, då finns
risken för rusande verk och som följd havererande växellåda eller generator.
Nedan beskrivs lite kortfattat olika sorter av is.
Frost eller rimfrost som bildas vid låga vindhastigheter kan ha viss inverkan
på strömningen över turbinens blad och därigenom ändra effekten av
turbinen. Genom det turbulenta flödet som uppstår av att strömningen över
bladet ändras får man en ändring i ljudbilden, vilket kan uppfattas som
störande för boende i närområdet.
Eftersom frostlagret (rimfrost) är relativt tunt så eroderar eller sublimerar
det ganska snabbt och ingen insats krävs för avisningen.
Klaris som uppkommit av underkyld nederbörd eller kraftig dimma (moln)
kan lägga sig som en hinna runt bladets framkant och öka framkantsradien
utan att profilen i helhet blir ändrad. Detta gör att t.ex. turbiner med passiv
överstegringsreglering får en försenad reglering och skador på växellåda och
generator kan uppstå.
Klaris har en densitet mellan 0,7-0,9 g/cm³
Dimfrost är lite som en kombination av rimfrost och klaris. Hård dimfrost
har en densitet som kan uppgå till nästan 0.8 g/cm3, medan mjuk dimfrost är
betydligt lättare.
Både hård dimfrost och klaris fäster väldigt bra mot rotorbladen och kan
vara väldigt svårt att få bort medan mjuk dimfrost är betydligt lättare att få
bort.
Gemensamt har all slags is, om den så har uppstått från dimma eller
underkylt regn en inverkan på bladets egenskaper. Isen kan ge problem från
att orsaka att verket för mer oljud, skapa obalans så att verket stänger ner sig
själv till att verket skenar och generator eller växellådan går sönder.
4
http://www.vindlov.se/Global/Boverket/Elforsk%200413%20Svenska%20erfarenheter%20av%20vindkraft%20i%20kallt%20klimat.pdf
7
4.3 Är is farligt?
Bengt Göransson på Pöyry SwedPower har gjort en uträkning på hur stor
risken är att bli träffad av is från vindkraftverk. Han säger att om man står ca
10 meter ifrån vindkraftverket under en timme per dag, de sex månaderna
som risken är som störst är det sannolikt att man träffas ungefär en gång på
1,3 miljoner år. Står man 50 meter ifrån är den siffran ca 53 miljoner år.
Medan risken att bli träffat av blixten i USA är ca sju gånger så stor.
Det faktum att ingen har blivit allvarlig skadad av is som slungats iväg från
vindkraftverk (2009) gör ändå inte arbetet med att kartlägga och försöka
förhindra att isbildning uppstår ytterst nödvändigt för både allmänheten och
arbetare nära vindkraftverk.
Riskzonen för hur långt is kan bli kastad kan man beräkna med en formel;
d=(D+H)*1.5
Där d står för hur långt kast längden blir i meter
D är rotordiameter i meter
H är (hub)nav höjd
Alltså kan ett verk med navhöjd på ca 94 m och rotordiameter på 112 m i
teorin kasta is ca 309 meter bort.
En undersökning som 5 gjorts under vintrarna 2005/06 och 06/07 visar i
deras fall att storleken på isen inte har något samband på hur långt den
flyger, det har däremot vindhastigheten vid tillfället. De rapporterar att
isfragment upp till 1.8 kilo hamnat 92 meter ifrån kraftverket.
Även viss iskastning uppstod under sommarhalvåret.
5
http://www.dpenergy.ie/bowlake/documents/Q1s/ExhPet-JLZ-3CattinIceThrowStudy.pdf
8
4.4 Går det att motverka isbildning?
Isbildning är något som tillverkare av vindkraftverk har bekymmer med i
kallare klimat, därför satsas det mycket på forskning inom område för att få
fram en hållbar lösning för att förhindra att isbildning uppstår och ett
effektivt sätt att avisa rotorblad.
Olika tillverkare har olika sätt att gå till väga och olika lösningar för med sig
olika problem.
Förhindrande att is uppstår:
För förhindra att is skall bildas på rotorbladen forskas det på bland annat en
proteingrundad beläggning. Denna beläggning ska göra så att isen inte får
fäste på bladen och förhindrar att is byggs upp.6
En annan ytbehandling tar hjälp av nanoteknik för att skapa vad som kallas
”superhydrofoba ytor”, ytor där isen inte ska få fäste.7
Andra lösningar är att man tar hjälp av sensorer för att få reda på när
förhållandena är sådana att isbildning kan uppstå. Med hjälp av den
informationen man får från sensorerna kan man sedan använda sig av
varmluft eller värmeelement inuti rotorbladen för att förhindra att isbildning
skall uppstå.
Avisning :8
När is har bildats på vingarna, så behöver man ett sätt att få bort den, därav
namnet avisning. Avisning kan göras på lite olika sätt, ett är att använda sig
av hetluft som pumpas in i vingarna med hjälp av en elektrisk fläkt. Denna
lösning, i olika utföranden, är det som enligt en del utvecklare fungerar bäst
idag.
En annan lösning är att använda sig av värmeelement som sitter inuti
vingarna. När detektorerna upptäcker att is bildats så startar systemet och
elementen värms upp. Den här lösningen föredras av vissa tillverkare,
medan andra tycker det är för sårbart. De hävdar att värmeelementen är för
sårbara för blixtnedslag. Lösningen på det problemet har varit att skilja på
åskledarna, sensorerna och värmeelementen som går inuti vingarna så att
varken sensorerna eller värmeelementen ska komma till skada vid åska.
6
http://www.vtt.fi/inf/pdf/workingpapers/2010/W152.pdf
http://www.sp.se/sv/press/news/releases/Sidor/20101007.aspx
8
Seminarium WinterWind 2012
7
9
5. Slutsatser
Problematiken runt is är något som tillverkare tar på stort allvar idag.
Förutom att verken riskerar att stanna eller övervarva och gå sönder så finns
risken för personskador. Som vi sett så finns det olika sorters is som har
olika egenskaper.
Beroende på var isen sätter sig får den lite olika inverkan. Den kan öka
lyftkraften och riskera att växellåda eller generator går sönder, skapa stora
vibrationer som stänger ned verket eller ge en hög ljudbild som kan vara
störande för omgivningen.
Det är inte bara materialskador som är problematiskt. Stora verk med hög
rotationshastighet kan kasta is väldigt långt, säkerhetsavstånden till de stora
verken idag är ca 500 m även om isen i praktiken inte flyger is så långt. Är
man på fel plats vid fel tillfälle så finns det risk att få ett isfragment på
1,8 kilo i huvudet. I och med att man vet att stora isfragment kan flyga långt
så har man som säkerhetsåtgärd börjat sätta upp varningsskyltar för
allmänheten. Hur stor isen är har ingen betydelse för hur långt den flyger,
det har med vindhastigheten vid tillfället att göra.
Vad man idag satsar mycket på är hur man ska kunna få fram material till
vingarna som förhindrar att is kan bildas på dem, men också hur man kan
avisa vingarna på ett snabbt och smidigt sätt med hetluft eller värmeelement
som smälter isen. Är verken igång under avisningen så blir risken med
iskastning lite större. Olika tillverkare har olika lösningar, det som fungerar
för den ena fungerar inte alls för den andra.
Det som kommer krävas i framtiden för att få så driftsäkra och pålitliga verk
i kallare klimat som möjligt är ett säkert, pålitligt och inte minst energisnålt
sätt att avisa vingarna, eller att förhindra att is uppstår. Ju fler verk som
byggs ökar den faktiska risken för att allmänheten ska bli skadad, och det
skulle inte vara en bra PR för den förnybara resursen vindkraft.
10
6. Källföreteckning
Otryckta källor
http://www.smhi.se/kunskapsbanken/meteorologi/dimfrost-och-rimfrost-1.17959
http://www.vindlov.se/Global/Boverket/Elforsk%200413%20Svenska%20erfarenheter%20av%20vindkraft%20i%20kallt%20klimat.pdf
http://www.dpenergy.ie/bowlake/documents/Q1s/ExhPet-JLZ-3CattinIceThrowStudy.pdf
http://www.vtt.fi/inf/pdf/workingpapers/2010/W152.pdf
http://www.sp.se/sv/press/news/releases/Sidor/20101007.aspx
Tryckta källor
Böcker: Wizelius Tore Vindkraft i teori och praktik, Studentlitteratur, 2007
11