Vindkraft i kallt klimat

Transkript

1 Vindkraft i kallt klimat Beskrivning av iskast med hjälp av produktionsdata Helena Karlsson - Civilingenjörsprogrammet i energiteknik vid Umeå universitets tekniska högskola

2 ii

3 Sammanfattning Att etablera vindkraft är ett mycket stort projekt och en kostsam affär. Både ekonomiskt och tidsmässigt. Vindkraften ska byggas i de områden där det blåser mycket samtidigt som det ska finnas få närboende som kan tänkas bli störda av en etablering. Norra Sverige har mycket stora vindresurser och är även glest befolkat. Detta gör området speciellt bra för en vindkraftetablering. En stor nackdel med de norra delarna av Sverige är det stränga klimatet. Det är minusgrader en stor del av året i kombination med hårda vindar och nederbörd i form av snö. För att en etablering ska bli en lönsam affär ska vindkraftverket producera el när vi som mest behöver den, det vill säga under vinterhalvåret. Det är även under den perioden verket kan bli stillastående på grund av att is byggs upp på blad och rotor. Is finns i många olika former och vissa är svårare att hantera än andra. Tillverkare av vindkraftverk har börjat förstå problematiken som finns i kalla klimat och anpassar turbinerna därefter. System som värmer upp bladen och maskinkomponenter har utvecklats för att minska bortfall i produktion på grund av is och minimera risker med iskast. Mätningar av is har skett i olika forskningsprojekt. Isen byggs upp mer eller mindre i olika områden. Även mätutrustning för att kunna mäta is har utvecklats speciellt för det här syftet och mätmaster uppförs för att förutspå vilka problem man kan komma att behöva tackla i framtiden som vindkraftsägare. Genom att nyttja den data som finns kan information inhämtas hur allvarligt ett område kan utsättas för nedisning och vid vilka temperaturer och luftfuktigheter. Iskast är ytterst svåra att finna och identifiera men genom att granska produktionsdata kan tillfällen hittas då produktionen varit för låg i relation till den förväntade. Vid granskning av den verkliga produktionen identifieras variationer under kortare perioder och dessa kan rent teoretiskt vara iskast. Tanken är att en plötslig ökning i effekt kan kopplas till att något lossnat från bladet och vinden får lättare att driva bladen runt. Detta som lossnat antas vara iskast och de tillfällen jämförs med de tidpunkter då vädret är gynnsamt för nedisning. Syftet med detta arbete är att identifiera vid vilka väderförhållanden nedisning sker samt de tillfällen iskast kan ha skett. Resultatet visar att ett samband finns mellan hopp i produktionen och gynnsamt väder för isbildning. Speciellt gynnsamt väder för isbildning visade sig vara vid luftfuktigheter över 85 %, vilket i samband med temperaturer mellan 0 o C och -13 o C verkar vara en förutsättning för att nedisning ska kunna ske. Stora islaster, över 0,5 kg, bildas vid luftfuktigheter över 98 % samt temperaturer mellan 0 o C och -2,5 o C. iii

4 Tillfällen med hopp i produktionen i samband med gynnsamt väder för nedisning sker vid 60 % av de totala tillfällena. För att verifiera detta föreslås i slutsatsdelen fältbesök. iv

5 Abstract The establishment of wind power is a huge project and a very expensive business, both in time and in finance. Wind power should be built in areas where it is windy and in the same time sparsely populated. The north of Sweden has these qualities which makes the area very good for wind power establishment. But one big downside with turbines in the north of Sweden is the harsh climate. For a big part of the year there is a combination of strong winds and precipitation in form of snow. To make an establishment a profitable business the turbine should produce electric when the demand is high. That is during the winter season. But it is also during this period of the year when the icing condition can create standstill for the turbine because the ice tends to build up on the rotor and blades. Ice can exist in many different shapes and some are more difficult to remove then others. Manufacturers of wind turbines are beginning to understand the problem caused by ice and tries to adapt the turbines thereafter. They have developed forms of heating devices that melts the ice off the blade and other components in the turbine. The heating also minimizes the risk with ice throws. Ice tends to build up more or less in different areas and measurements are made in purpose of research. The ice measurement equipment has also been improved and devices that specializes in these kind of ice measurements becomes more and more accurate. Masts for measurements are being erected in an early stage to predict what kind of weather the windmill owner in the future can be exposed to. By using the data from the masts information can be acquired how severe the icing in a specific area is. In this data there is also information about which ranges the temperature and the humidity lies for the icing weather condition. Ice throw are particularly difficult to find and identify but to study the collected data from the production moments when the production been to low in relation to the expected value. By studying the actual production periods when the production varies, in the meaning that the production suddenly raises and the idea is that these moments are potential ice throws. A sudden raised production can come from that something removes itself from the blades and the wind makes the turbine operate more easily. These moments are compared to the weather data and times that are particularly benefited with respect to icing are noted and analyzed. The purpose with this report is to identify under what conditions icing mainly happens and identify the moments where an ice throw could have taken place. The result from the report is that a correlation between variations in the production and favorable weather for building of ice has been obtained. Weather that is extra favorable for building of ice turned out to be at a level of 85 % humidity, which is in relation with a v

6 temperature between 0 o C and -13 o C seems to be a condition for ice to build up. Big ice loads, in this case over 0,5 kg, is created at a humidity level over 98 % and a temperature between 0 o C and -2,5 o C. Occasions with sudden changes in the production and at the same time favorable weather for ice to build up happens at 60 % of all the occasions. To verify this field works is suggested is the conclusion part of the report. vi

7 Förord Detta examensarbete är avslutningen på civilingenjörsexamen i energiteknik på Umeå universitet. Arbetet omfattar 30 högskolepoäng och har utförts på ÅF Infraplan i Tavelsjö. Jag vill tacka alla på ÅF Infraplan för tiden där. Speciellt tack till Tryggve Sigurdson, handledare, som besitter stor kunskap inom vindkraft och tekniken kring den vilket var värdefullt. Danjel Henriksson på Svevind, som kom med nya vinklingar, idéer och uppslag. Tack till Camilla Svensson som under tiden med examensarbetet stöttade och roade. Åke Fransson för korrekturläsning. Helena Karlsson, Umeå 2010 vii

8 Innehåll SAMMANFATTNING ABSTRACT III V FÖRORD VII 1 INLEDNING BAKGRUND SYFTE MÅL 3 2 METEOROLOGI NEDISNINGSPROGNOSER OLIKA TYPER AV IS OCH NEDERBÖRD SOM SKAPAR PROBLEM FROST 12 DIMFROST 12 RIMFROST KLAR IS SNÖBLANDAT REGN 15 3 ATT MÄTA IS ICEMONITOR GOODRICH 17 4 TEORETISKA BERÄKNINGAR FÖR ISKAST 18 5 PRODUKTION FÖRVÄNTAD PRODUKTION FÖR E METOD VÄDERFÖRHÅLLANDE PRODUKTION 23 7 RESULTAT SAMBAND MELLAN TEMPERATUR OCH LUFTFUKTIGHET FÖR T < 2 O C - ICEMONITOR FÖR T < 2 O C - GOODRICH FÖR R H > 85 % - ICEMONITOR FÖR R H > 85 % - GOODRICH FÖRVÄNTAD PRODUKTION FAKTISK PRODUKTION TYPEN AV IS 32 8 DISKUSSION 33 viii

9 9 SLUTSATS 38 REFERENSER 39 ix

10 1 Inledning Ett skäl till att initiativ tagits till detta examensarbete är Energimyndighetens stora satsning på projekt där nedisning är av betydande grad. Nedisningen påverkar vindkraftverkens verkningsgrad och producerad effekt samt finns osäkerheter med nedisning då den kan utgöra en risk då is kan lossna. Ofta har projektören långt innan verken är uppförda, rest mätmaster i det aktuella området för att få information om vindförhållanden, temperaturer osv. Denna mängd av data kan ge information hur riskfyllt det är, med avseende på nedisningsrisken, att uppföra och driva vindkraftverk i området. För att kunna se samband behöver data bearbetas för att sedan jämföras med verkens verkliga produktion. Tesen är att om vindkraftverket producerat mindre än förväntat och strax efter plötsligt noterat producera mer än det tidigare registrerade värdet kan ett iskast skett. För att veta om det även varit gynnsam väder för nedisning kan dessa jämföras. 1.1 Bakgrund Vindkraften i Sverige är i en stark expansionsfas och forskning pågår, dock finns vissa brister i forskning och dokumenterade erfarenheter då det gäller vindkraftverk i arktiskt och kallt klimat. Samtidigt finns stor potential för vindkraft i norra Sverige med tanke på de goda vindförhållandena. Dock råder svårare väderförhållanden med snö i kombination med hårda vindar under långa perioder med minusgrader. Nederbörd faller både som snö och underkylt regn vilket sliter på verken och leder i många fall till minskad produktion. En lägre produktion än förväntat, i samband med gynnsamma förhållanden för nedisning, kan betyda att is ackumulerats på vingarna och gör att bladen snurrar långsammare. Detta leder till minskade vinster och vindkraftverk som står still då det blåser bra. Då omfattande väder- och produktionsdata finns, kan det vara idé att granska och jämföra dessa för att finna samband och hitta tider på året då nedisningsrisken är som störst. Generellt vet man att is bildas i minusgrader men ytterligare studier kan utföras för att ringa in det än mer. Finns kunskapen om när is bildas kan service planeras in i större grad under dessa veckor för att kunna samla in information huruvida is kan ha lossnat från bladen. 1

11 Figur 1. Bilden illustrerar hur nedisning på ett vindkraftverk kan se ut, exempel från Aaupa i Norrbotten, Foto: Kent Larsson [1] I dagsläget finns speciellt utformad teknisk utrustning för verk i kalla klimat, då efterfrågan på sådan teknik har ökat och ett antal tillverkare kan erbjuda avisningsutrustning på verken. Enercon med huvudkontor i Tyskland har bland annat tagit fram en teknik där värmeelement värmer upp luften inne i vingarna och cirkuleras i kanaler med hjälp av en fläkt, efter det att turbinen stannat på grund av isbildning [2]. Även om all is ska smälta bort med hjälp av avisningssystemet kan is tänkas lossna innan verket hunnit stanna av alternativt inte hinner registrera att is finns närvarande. Figur 1 visar ett nedisat vindkraftverk i Norrbotten. Figuren illustrerar även hur isen byggs på i framkant på bladen. 1.2 Syfte Syftet med examensarbetet är att hitta de tillfällen då is kan ha bildats på vindkraftverken och identifiera dessa. Dessa jämförs sedan mot då turbinen inte levererar förväntad effekt och plötsligt gör ett hopp i produktion. 2

12 1.3 Mål Målet är att finna de tidpunkter på året då risken för bildning av is är som störst för ett specifikt område och där mätmaster har varit uppförda. Ett resultat av detta examensarbete ska även ge en metod för att identifiera potentiella iskast med hjälp av produktions- och väderdata. 3

13 2 Meteorologi Risk för nedisning finns i hela landet, störst i norra Sverige och minst i södra. Eftersom nedisningsrisken är större på högre höjd får även det sydsvenska höglandet räknas som ett riskområde [3]. Erfarenheter visar även att isbildningsfrekvensen i större grad beror av höjdläget än breddgraden [4]. Is på vindkraftverk är vanligare på högre höjder eftersom vindkraftverken då kan befinna sig i moln där vattendropparna fastnar på vingarna och fryser. De västligaste delarna av Sverige de mest molniga, det vill säga i fjällområdena vid Lappland och Jämtland. I Sverige kommer vindar oftast från syd-väst och har därmed skydd från de norska och svenska fjällen där större delen av fukten avges som nederbörd. Undantaget är alltså trakterna runt Jämtland där de norska fjällen inte skyddar lika mycket [4]. Isbildningen beror i största grad på andelen fukt i luften, temperaturen, samt droppstorleken i förhållande till det nedisade föremålets diameter [5]. För att nedisning på ett vindkraftverk ska bli ett problem för ägare och tillverkare krävs vissa kombinationer av dessa parametrar. Främst sker bildandet av is i underkylt regn, duggregn och i låga moln men det kan även ske vid lägre luftfuktigheter. Ända ner emot 80 % är inte helt ovanligt, men ofta bör luften inneha en större fukthalt för att nedisningsprocessen ska ske under en period som är betydande och gör att isen får en chans att byggas upp. På grund av att isbildningen beror på fler parametrar än enbart temperatur och luftfuktighet är den svår att förutse, men dessa två är en förutsättning för att is teoretiskt ska kunna existera och byggas upp på vindkraftverket. Betydelsefulla parametrar som kan vara svårare att mäta är droppstorlek och temperaturen på dropparna. I till exempel underkylt regn har dropparna en temperatur under 0 o C och när de träffar en yta övergår de i fast form [6]. Man skulle kunna säga att temperaturen bör ligga i närheten av 0 o C för att is ska kunna bildas. Problemen med nedisning är större i norra Sverige där låga temperaturer i kombination med svag solinstrålning gör att isen ligger kvar mycket längre. Turbinbladen kan då belastas med så stor ismassa att bladen inte längre kan rotera. Vindkraftverket kan förbli stillastående ända tills isen avlägsnas eller smälter, då solen börjar värma igen [4]. Detta kan ta upp till flera veckor i de fallen att isen ej upptäcks. Övervakningssystem saknas alternativt räknas det med att solen ska smälta bort isen. Nedisning är relativt svårmätt eftersom det även bildas is på detektorn. Detta är givetvis en förutsättnings då eventuell nedisning vill detekteras men så länge detektorn är istäckt ger denna ingen ny signal om att en ny nedisningsperiod startar. Många detektorer är utrustade med värme för att ta bort isen som redan detekterats. Problemet med det är att det sker i cykler och den maximala påväxten av is registreras därför inte eftersom isen tas bort innan det sker. Många 4

14 detektorer har även problem att skilja is från övrig nederbörd. Det finns dock detektorer som klarar av det och även ger information om nedisningsmängden. På den typen av detektor ligger isen kvar för att informera om den massa som ackumulerats på detektorn, men smälts alltså bort för tidigt för att kunna avgöra om det var den största massan is som växte till under den nedisningsperioden. För att få upplysning om framtida nedisning bör väderprognoser genomföras och det är viktigt att ta in så många parametrar som möjligt. En viktig nedisningsparameter, som studier de senaste åren visat, är sikten. Det är alltså halten flytande vatten i luften i kombination med droppstorleken. Sammantaget riskerar det att bildas en större mängd is i fuktiga väder då vindhastigheten är hög och nedisningsfrekvensen tenderar att öka med ökande höjd som nämns tidigare [5]. Det kan också nämnas att i Sverige finns en benägenhet till torrare väder då det blåser från sydväst eller nordväst. Figur 2 visar hur isen ackumuleras på ett genomskuret blad, där den tjockare delen är den som roterar i framkant. Figur 2. En genomskärning av ett blad för att illustrera hur isen ackumuleras [7] 5

15 2.1 Nedisningsprognoser Figur 3 och 4 visar antalet nedisningstimmar respektive dagar för olika delar i Sverige [8]. Figur 3. Kartan visar årliga antalet timmar då det är underkylt regn och duggregn baserat på uppgifter från [8] Enligt figur 3 är det flest antal timmar underkylt regn och duggregn per år längs den nordöstra kusten och vid det sydsvenska höglandet. Figur 4 illustrerar antalet dagar per år som det är risk för nedisning. Enligt den är det flest antal dagar nedisning i fjällen samt i ett område ett antal mil in från den nordöstra kusten. 6

16 Figur 4. En illustration över antalet nedisade dagar/år (rutan till höger i figuren) i medeltal baserat på uppgifter från perioden [8] I figur 5 visas antalet dagar det är risk för nedisning där i huvudsak fjällområdet pekas ut som ett riskområde [9]. Figur 5. Figuren visar nedisade, av rimfrost, dagar/år från WECOs projekt från 1998 [9] 7

17 Figur 4 är den hittills mest detaljerade karta som finns att tillgå. Kartan är baserad på enklare observationer såsom temperaturer samt molnhöjd under en kortare period, januari 1999 till februari Det är värt att notera osäkerheten i denna karta då den inte är baserad på någon detektion av is. På de aktuella höjderna för vindkraftverk, uppskattningsvis meter, påverkar även turbulensen nedisningen. För att kunna skapa en bra modell för nedisning på vindkraftverk bör den även kunna hantera de vertikala värmeflödena samt vattenånga. En tillförlitlig modell av nedisning i landet skall alltså ta upp alla de parametrar som kan tänkas påverka i gränsskiktet. Då den relativa luftfuktigheten bestäms vid låga temperaturer får en osäkerhet på 2-5 % räknas in [3]. Frost kan bildas i dimma och i låga moln och om toppen av vindkraftverket befinner sig på en högre höjd än molnhöjden finns risk för nedisning [9]. Molnhöjd mäts traditionellt genom uppskattning och vissa tumregler nyttjas. Till exempel brukar stackmoln, sommartid, ha sin molnbas på ca 1000 meter och tunna, höga moln uppskattas ligga på 7-9 km [10]. Referenspunkter, såsom berg där höjden är känd, kan användas. Vid temperaturer under -20 o C bildas praktiskt taget ingen is i låga moln eftersom halten flytande vatten i luften då är mycket låg [11]. För att klassa dagar som dagar där is teoretiskt sett kan förekomma ska följande kriterier vara uppfyllda[9]: (1) (2) (3) T a är luftens temperatur, H b är molnbasens höjd, H s är den aktuella lokalens höjd, i detta fall vindkraftverkets blad, och v är vindhastigheten för luften då den passerar turbinbladen. Detta är alltså villkor då is kan förekomma, men behöver inte göra det. Något att tänka på är även att molnbasens höjd kan befinna sig under lokalens höjd utan att is bildas eftersom temperaturen inte är tillräckligt låg. Molnbasens höjd får ses som ett mått på fukthalten vid vindkraftverkets blad och rotor. Även om molnbasens höjd ligger över rotorn och blad kan fukthalten i luften vara så pass hög att risk för nedisning föreligger. För övrigt bör en vindhastighet på mindre än ca 8

18 4 m/s göra att vindkraftverket är stillastående, och därmed känslig för nedisning. Vid ett uppstart efter ett sådant tillfälle är risken för iskast större än vid en turbin som är igång då is lättare ackumuleras på fasta föremål än de i rörelse. 2.2 Olika typer av is och nederbörd som skapar problem Vilken typ av is som ackumuleras på vindkraftverket har betydelse för massan den ger. Typen av is påverkar även hur snabbt isen smälter och hur hårt den är bunden till bladen. Olika istyper bildas i olika klimat och temperaturer. Det kan vara viktigt att känna till de olika sorterna då analys av effekt- och väderdata utförs. Om man vet vilken typ av is som förväntas bildas vid vissa väderförhållanden kan en utredning och sammanställning av vanligast typ av is göras. Det kan vara viktigt för en eventuell riskanalys av området. Det finns två olika isbildningsprocesser: nedisning på grund av nederbörd nedisning i låga moln Isbildningen delas även in i våt respektive torr nedisning beroende på luftens vatteninnehåll. Isen som börjat ackumuleras på bladet försvinner sedan i många fall tack vare till exempel solinstrålning och/eller låg luftfuktighet (< 80 %). Det går även att beräkna hastigheten på tillväxten av ismassa per tidsenhet enligt: (4) där M är massan (kg), t är tiden (s), w luftens vatteninnehåll (kg/m 3 ). V är vindens hastighet (m/s) och A är föremålets area (m 2 ). α 1, α 2 och α 3 är dimensionslösa koefficienter och motsvarar kollisions-, fäst- och istillväxteffektivitet. Koefficienterna antar värden mellan 0 och 1. Om kollisionfaktorn är 1 träffar alla droppar föremålet ifråga och om fästfaktorn är 1 fastnar alla droppar. För α 3 gäller att om all den fraktionen av underkylt regn växer till, i form av is är α 3 =1. 9

19 Genom att anta konstant tillväxthastighet kan islasten beräknas enligt följande: (5) Genom att beräkna tillväxten av is på bladen med hjälp av ekvation 5 kan en uppfattning av tillväxten av is fås [12]. Tabell 1 visar hur is kan delas in efter bildningssätt samt vilken typ av is som kan förväntas vid viss temperatur, vindhastighet m.fl., detta illustreras även i figur 6. Figuren visar gränser för vindhastighet och temperatur då typerna mjuk frost, hård frost och klar is vanligtvis bildas [11]. Tabell 1. En tabell över några av parametrarna som styr isbildningsprocessen samt för några typer av is med uppskattade värden på variablerna Typ av is Luft- Vind Dropp Luftens Typisk Densitet temperatur hastighet storlek vatteninnehåll varaktighet (kg/m 3 ) Is bildad av nederbörd Klar is -10 < t a < 0 Alla Stor Medel Timtal 900 Snöblandat regn/blöt snö 0 < t a < 3 Alla Flingor Mycket Stor Timtal Is bildad i moln Klar is Se figur 6 Se figur 6 Medel Stor Timtal 900 Hård frost Se figur 6 Se figur 6 Medel Medel Dagar Mjuk frost Se figur 6 Se figur 6 Liten Liten Dagar

20 Vindhastighet [m/s] Klar is Hård frost Mjuk frost Lufttemperatur [ o C] 0 Figur 6. Bilden visar vilken typ av is som bildas, inom olika intervall, beroende på lufttemperatur samt vindhastighet [11] 11

21 2.2.1 Frost Frost uppstår vid låga vindhastigheter och klart eller halvklart väder [10]. Speciellt frostbenägna områden är bland andra Norrland och nordvästra Svealand. Avisningssystemet behövs ej för att avlägsna frost eftersom de isstycken som bildas då oftast är mycket tunna och eroderar snabbt [13]. Bitarna är små och porösa vilket gör att de snarare dalar ner vilket betyder att riskerna med iskast minskar. Figur 7 visar rimfrost som ackumulerat på bladens framkant. Figur 7. Rimfrost som växt till på ett turbinblad [9] Dimfrost I helt eller delvis torr luft kan dimfrost ackumuleras på vingarna vilket ger en vit färg på isen [5]. Dimfrosten bildas av underkylda vattendroppar i moln och dimma och fastnar på föremål som befinner sig över molnhöjden [6]. 12

22 Rimfrost Då ett föremål kylts ned under frosttemperaturen kan rimfrost bildas. Vattenångan bildar iskristaller på ytan som är kall [6]. Rimfrost bedöms skapa störst problem för turbiner i Sverige [8]. Rimfrostmassan beräknas dock ej öka linjärt med ökad korda [12]. Kordan är den räta linje som sträcker sig mellan bladets fram- till bakkant. I figuren nedan visas en genomskärning av turbinblad, där kordan är markerad på det översta bladet. Detta betyder att effektiviteten på uppsamlingen av is inte ökar med ökad korda och detta torde vara anledningen till att nedisning inte är lika signifikant för större turbiner. Figur 8 illustrerar hur kordans storlek ökar, men inte isens storlek, för samma förutsättningar i väder för nedisning. Figur 8. Visar kordan för olika storlekar på turbinen och den mängd is som uppskattas ackumuleras [12] 13

23 2.2.2 Klar is Då luften innehåller stora till medelstora vattendroppar i samband med underkylt regn eller i moln kan klar is bildas på vingarna [13]. Klar is har hög densitet vilket betyder att den väger mest i förhållande till sin volym och kan göra mest skada om den kastas iväg, se figur 9 [9]. Eftersom avisningssystemet på verken kan detektera en obalans på några kilogram betyder det att det endast krävs en mycket liten mängd klar is för att verket ska stängas av. Klar is bedöms vara den minst frekventa typen av is i Sverige [8]. Figur 9. Bilden visar klar is som ackumulerats på framkanten av ett blad [9] 14

24 2.2.3 Snöblandat regn Snöblandat regn bildas då lufttemperaturen är högre än 0 o C och faller ned som snö men på grund av omgivningens värmeavgivning så smälter den. Den blöta snön kan skapa stora problem om den inte blåser bort eller smälter tack vare till exempel solinstrålning och temperaturökning. Detta problem uppkommer främst vid stillastående aggregat [13]. 15

25 3 Att mäta is Flera olika typer av detektorer som mäter is finns tillgängliga i dagsläget. De två typerna som studeras speciellt i denna rapport är Combitechs IceMonitor och Goodrich. De båda detekterar is men fungerar på lite olika sätt. Genom att is ackumuleras på detektorerna kan det ge en fingervisning av vad som även kan komma att ackumuleras på vindkraftverken, främst på bladen. Dock finns en viss felmarginal då detektorerna inte är placerade på verken utan på en mätmast i närheten. 3.1 IceMonitor IceMonitorn registrerar islast genom att is ackumuleras på en fritt snurrande stav, se figur 10. Då is ackumuleras på en sida gör vinden att den snurrar. Ojämnheter detekteras och lasten loggas och sparas undan. Själva ställningen har en konstant temperatur på 1 O C för att staven hela tiden ska kunna rotera. IceMonitorn har ett mätspann på 0-50 kg samt O C [14]. Figur 10. En bild på IceMonitorn med en påbyggnad av is [14] 16

26 3.2 Goodrich Även Goodrich-detektorn bygger på att en stav vibrerar för att ge information om lasten som byggs upp på staven [15]. Detektorn vibrerar med en viss frekvens och när den typiska frekvensen för is sker registrering. Vid så små ackumuleringar av is som 0.13 mm varnar detektorn för is. Goodrich-detektorn är utrustad med värme för att kunna ta bort isen efter ett tillfälle med is. Figur 11. En bild på detektorn, Goodrich, och dess mått i inch [15] 1

27 4 Teoretiska beräkningar för iskast Kastbanan för ett föremål som slungas iväg med en viss hastighet kan beräknas, om parametrar som luftmotståndet, föremålets form och ojämnhet, vindhastighet osv. bortses från alternativt är kända. Om parametrarna är okända blir beräkningarna inte verklighetstrogna samtidigt som det är extremt svårt att kunna mäta parametrarna som påverkar, väga in de och veta hur de inverkar på föremålet ifråga. Föremålet kan både flyga längre eller kortare än det beräknade och en simulering av kastbanan skulle vara väldigt missvisande och svårtolkad. Riskavståndet som ändå rekommenderas är framtaget i ett projekt, WECO, och visas i figur 12. Riskavståndet följer ett linjärt samband, mörk streckad linje, där iskasten täcks in. Detta riskavstånd får ses som en teoretisk gräns och betoning läggs på rekommenderat riskavstånd. Figur 12. Kastavstånden i förhållanden till diametern + navhöjden på turbinen [12] 18

28 Längden på riskavståndet är följande: (6) där D turbindiameter och N navhöjden, i meter. Detta riskavstånd är framtaget som gäller för en turbin som är i drift. Då hänvisningar görs till riskavståndet syftar man alltså till ett verk som är i drift. Riskavståndet för en stillastående turbin har även beräknats, se ekvation 7. (7) Parametrarna här är samma som ovan och v är vindhastigheten (m/s). Detta skulle innebära att för ett verk med en navhöjd på 109 meter, rotordiameter 82 meter samt en vindhastighet på 7 m/s skulle riskavståndet för en turbin i drift uppgå till 287 meter. Riskavståndet för en turbin i drift, för samma värden, blir då 70 meter. 19

29 5 Produktion Ett vindkraftverk producerar olika mycket effekt vid olika vindhastigheter. Ju mer det blåser desto mer effekt kan produceras, till en viss gräns. Energin som erhålls från vinden beror på mängden luft som bromsas och hur stor av rörelseenergin som utvinns. För att så stor mängd luft som möjligt ska passera rotorn ska vinden bromsas så lite som möjligt och om vi vill ha maximal utvunnen rörelseenergi ska vinden bromsas så mycket som möjligt. De motsäger varandra så genom att bromsa vinden lagom mycket kan maximal energi utvinnas. Den maximala energin som kan utvinnas ur ett vindkraftverk kan härledas fram och kallas Betz lag [16]. Betz lag ger en gräns för hur mycket energi som kan utvinnas och är 16/27. Det vill säga ca 59 % av vindens ostörda energi kan utvinnas. Olika tillverkare av verk har i sin tur olika design på blad, generatortyp och växellåda. Olika kombinationer ger olika effekt vid olika vindhastigheter. I kapitel 5.1 presenteras effekt för vindhastighet för det verk data hämtats för. 5.1 Förväntad produktion för E-82 På tillverkaren av E-82, Enercons hemsida kan informationsblad laddas ner. I bladet finns information om utgående effekt för olika vindhastigheter för det aktuella verket [17]. Den förväntade produktionen för E-82 kan ses i figur 13. En densitet på 1,225 kg/m 3 har använts i beräkningarna i figuren. 20

30 Effekt [kw] y = 0,0261x 6-1,1667x ,817x 4-162,67x ,51x ,4x , Vindhastighet [m/s] Figur 13. Förväntad effekt för olika vindhastigheter för E-82 I figuren ges även sambandet mellan effekt och vindhastighet, då anpassning gjorts. Formeln kan användas då jämförelse görs med den faktiska effekten vid känd vindhastighet. I denna typ av vindkraftverk finns detektorer som registrerar islast. Detektorerna jämför relationer mellan vindhastighet rotationshastighet utgående effekt bladvinkel. Då temperaturen når under 2 o C så antar kontrollsystemet att is kan tänkas bildas. Under dessa perioder jämförs relationer och kontrolleras mot en toleransnivå. Då relationerna inte följer verkets karakteristiska kurvor slår avisningssystemet igång i ungefär 30 minuter. Denna information har tagits fram under flera år och baseras på erfarenhet och forskning. Det innebär även att den tekniska informationen bakom systemet är sekretessbelagd. Eftersom de karakteristiska relationerna gäller för medelvärden på de ovan nämnda 4 parametrarna kan enstaka tillfällen fortfarande finnas då avisningssystemet inte slår på eller larmar för nedisning. Det kan även tänkas att isen som byggs upp har för låg densitet för att systemet ska registrera det som is. Det är dessa händelser som är intressanta att undersöka i frågan om iskast kan ha skett eller ej. 21

31 6 Metod Nedan presenteras metoden som använts för att sammanställa väderdata och hitta tillfällen då iskast kan ha skett. 6.1 Väderförhållande I tidigare avsnitt nämns att två viktiga parametrarna för bildning av is är temperatur och luftfuktighet. Mätningar har pågått länge och data har sparats men måste bearbetas för att samband ska kunna ses mellan väderförhållande och isbildning. Insamlandet av olika väderdata har skett från december 2008 i ett område utanför Piteå, se kartan i figur 14. Figur 14. Bilden visar en markering där området är beläget och insamling av väderdata skett [18] Parametrar som noterats är bland andra vindhastighet, temperatur, luftfuktighet och islast. Dessa har uppmätts på olika höjder men de som använts i denna sammanställning motsvarar den höjd ett vindkraftverk kan ha, ca 100 meter. 22

32 Den mest uppenbara förutsättningen är den övre gränsen för temperaturen som ska vara under fryspunkten, det vill säga 0 o C, men för att fånga in så många tillfällen som möjligt sattes den över gränsen till 2 o C då väderdata sammanställdes. Därefter delades perioderna in utifrån den relativa luftfuktigheten, eftersom graden av nedisning beror av bägge dessa parametrar, för att undersöka den lägre gränsen med avseende på frekvensen nedisningsfall. Speciellt ska sägas att i klart väder inträffar uppskattningsvis 95 % av all nedisning vid 0 till -1 o C. Det är temperaturen i navhöjd som då avses. I övrigt sker nedisning främst i dimma samt vid väderomslag eller vid fronter då temperaturen snabbt kan slå om till minusgrader. Vid snöblandat regn bör verket vara i drift för att undvika ackumulering av is och snö på bladet som pekar nedåt. Dessa riktlinjer har tagits fram efter många års erfarenhet. 6.2 Produktion Jämförelsen av förväntad produktion verklig produktion utfördes i Excel. Två datafiler matchades mot varandra, väderdata mot produktionsdata, med avseende på datum och tid på dygnet. Det är viktigt att tid och datum stämmer överens för att få så exakta värden som möjligt på temperatur och luftfuktighet i samband med ett effekt-hopp. Därefter plockades de tidpunkter ut då effekten ökat, under en tio minuters period, men vindhastigheten minskat under samma tid. Redan här är tillfällena inringade då iskast skulle kunnat ske, det vill säga då effekten plötsligt ökat när den egentligen borde minskat. Den beräknade produktionen är dock enbart en riktlinje och ska inte ses som en exakt siffra som produktionen bör nå upp till. Genom att ta bort 20 % från den förväntade effekten fås enbart tillfällen då störningarna varit av betydande grad och en mer realistisk siffra på produktionen fås. Detta är de slutliga situationerna som undersöks närmare. Tabell 2 visar hur tillfällena valts ut och hur logiska samband använts. Här kan man se att tidpunkterna :50 samt :20 är sådana som markeras och plottas för att visa vid vilka väderhållanden dessa har inträffat. Alla utvalda händelser plottades mot varandra för att påvisa samband eftersom den aktuella vädersituationen är avgörande om is kunnat bildas, om sådana finns, se figur 19 och 20 i

33 Tabell 2. Tabellen visar ett exempel hur tillfällena valts ut med hjälp av logiska samband i Excel. Datum Tid Vind- Producerad Producerad Förväntad Ökad Minskad v, Hastighet (m/s) effekt (kw) effekt < 80 % av förväntad effekt effekt (kw) effekt ökning i effekt samt producerad effekt < 80 % av förväntad effekt :50 8,9 536 SANT SANT :00 9,2 636 SANT FALSKT :10 9,3 692 SANT FALSKT :20 8,6 698 SANT SANT :30 8,2 687 SANT 901 FALSKT FALSKT 24

34 7 Resultat Resultaten från sammanställningen av produktions- och väderdata kan ses i 7.1, 7.2 och Samband mellan temperatur och luftfuktighet Väderdata registreras och sparas för olika parametrar. Detta sker på en mätmast utanför Piteå. Genom att plocka ut olika scenarior i figurer blir det väldigt tydligt vid vilka tillfällen is kan bli ett problem för vindkraftverken. Hypotesen är att nedisningen skulle kunna registreras vid temperaturer lägre än 2 o C, och efter att ha granskat dessa valdes luftfuktigheter över 85 % ut. Väderdata har loggats av två olika givare, SAABs IceMonitor samt Goodrich. Deras olika prestanda kan även jämföras här. Detektorerna som registrerade islast var placerade på 97 meters höjd och temperatur- och luftfuktighetsgivarna på 98 meters höjd. 25

35 7.1.1 För T < 2 OC - IceMonitor Figur 15 visar resultaten då data sorterades efter temperaturen för IceMonitorn. De mätvärden då temperaturen varit mindre än 2 OC plockades ut vartefter islasten plottades mot luftfuktigheten. 5,0 4,0 Islast [kg] 3,0 2,0 1,0 0,0-1,0-2,0-3, Luftfuktighet [%] Figur 15. Islast mot luftfuktigheten för temperaturer mindre än 2 OC för IceMonitor

36 Islast [kg] För T < 2 O C - Goodrich Figur 16 visar resultaten då data sorterades efter temperaturen för Goodrich. De mätvärden då temperaturen varit mindre än 2 O C plockades ut vartefter islasten plottades mot luftfuktigheten. 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Luftfuktighet [%] Figur 16. Islast mot luftfuktigheten för temperaturer mindre än 2 O C för Goodrich 27

37 Islast [kg] För RH > 85 % - IceMonitor Figur 17 visar resultaten då data sorterades efter luftfuktigheten för IceMonitorn. De mätvärden då luftfuktigheten varit större än 85 % plockades ut vartefter islasten plottades mot temperaturen. 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0,0-1,0-2,0-3, Temperatur [ o C] Figur 17. Islast mot temperaturen för luftfuktigheter över 85 % för IceMonitor 28

38 Islast [kg] För RH > 85 % - Goodrich Figur 18 visar resultaten då data sorterades efter luftfuktigheten för Goodrich. De mätvärden då luftfuktigheten varit större än 85 % plockades ut vartefter islasten plottades mot temperaturen. 5,0 4,0 3,0 2,0 1,0 0, Temperatur [ o C] Figur 18. Islast mot temperaturen för luftfuktigheter över 85 % 29

39 Luftfuktighet [%] 7.2 Förväntad produktion Faktisk produktion Figur 19 och 20 visar de tillfällena då effekten ökat samtidigt som vindhastigheten minskad, för verk 1 respektive verk Temperatur [ o C] Figur 19. Tillfällen då vindhastigheten minskat samtidigt som effekten ökat för verk 1 30

40 Luftfuktighet [%] Temperatur [ o C] Figur 20. Tillfällen då vindhastigheten minskat samtidigt som effekten öka för verk 2 31

41 7.3 Typen av is Genom att rita lufttemperaturen mot vindhastigheten kan en grov indelning göras, med avseende på typen av is. Figur 21 visar indelning där det är tydligt att mjuk frost är vanligast, följt av hård frost. Klar is bedöms vara den minst vanliga, vilket den även är enligt teorin [8] Klar is Vindhastighet [m/s] Hård frost Mjuk frost Lufttemperatur [C] Figur 21. Lufttemperaturen mot vindhastigheten, indelade i de olika typerna av is, jmf med figur

42 8 Diskussion Figurerna visar sambandet mellan temperatur och luftfuktighet. Utifrån förutsättningen att is inte kan bildas vid plusgrader plockas först de tillfällen ut där temperaturen varit lägre än 2 o C varefter luftfuktigheten vid de olika islasterna kan ringas in. Generellt kan sägas att luftfuktigheten bör vara över 85 % för att väderförhållandena ska klassas som speciellt gynnsamt för nedisning. För att sedan se vid vilka temperaturer is främst bildas, tas de tillfällen ut då luftfuktigheten varit över 85 %. I de graferna, figur 17 och 18, bildas främst is i temperaturer mellan 0 o C och -13 o C. Graferna, främst figur 16 och 18, illustrerar även vid vilka temperaturer och luftfuktigheter de största islasterna inträffar. Till stora islaster räknas de mellan 0.5 kg och 2 kg. Detta inträffar vid en luftfuktighet över 98 % samt en temperatur mellan 0 o C och -2.5 o C, som ger en väldigt bra fingervisning när den svåraste nedisningen kan tänkas inträffa. En större islast gör att vindkraftverket producerar mindre el, vilket leder till förluster rent ekonomiskt. Det blir även svårt att planera och rapportera verkets produktion under en säsong om man inte vet när verket kommer att stå stilla på grund av is. Det är även bra att sammanställa data på det här viset för att kunna utvärdera sin mätutrustning. IceMonitorn har ett flertal tveksamma mätvärden som ligger på laster omkring -2.5 kg samt strax under 0 kg. Alla värden med laster under 0 kg är helt klart avvikande värden som inte är korrekta. En förklaring till dessa negativa laster är att i samband med värmning av den roterande staven byggs en brygga upp mellan staven och vågen, till följd av att värmen inte smälter all is utan enbart den som finns närmast staven. Bryggan trycker sedan ner tryckgivaren, vågen, och en negativ last registreras. Det skulle vara förklaringen till de negativa värdena som loggats strax under 0 kg. För de övriga tillfällen då det registrerats värden på 2.5 kg finns ingen annan förklaring än att det är felvärden. Dessa kan uppstå vid till exempel strömavbrott. För att undvika de felvärden som uppstår då det bildas en brygga skulle en högre effekt kunna skickas in i den roterande staven. Dock ska man ha i åtanke att då uppvärmning sker på det viset i en isdetektor försvinner en stor del av det som skulle mätas. Den maximala påväxten is kan gås om miste och tillfället uppfattas som mildare än det egentligen är i verkligheten. Detta gäller speciellt för Goodrich, som har en tendens att visa för låga värden på islasterna eftersom uppvärmningscykeln går igång för tidigt. Problemet är relativt enkelt att åtgärda då en omprogrammering är det enda som krävs. Dock kan detta även leda till att vissa tillfällen uppfattas vara svårare fall av nedisning än de egentligen var. En optimal avisningscykel skulle kunna tas fram empiriskt och detektorerna skulle logga värden som var mer verklighetstrogna. 33

43 Jämförelsen, förväntad produktion mot verklig produktion, gav väldigt lika resultat för verk 1 och verk 2. Dock var de en aning förbryllande. Det verkar finnas en maximal gräns för luftfuktighet och temperatur. Då temperaturen blir lägre, blir även luftfuktigheten lägre för de värden som mäts. Detta har även tillverkaren av verken svårt att förklara, men det kan helt enkelt vara så att instrumenten som sitter på verken har vissa gränser. Det kan helt enkelt, för mätutrustningen, inte vara till exempel -10 o C samtidigt som en luftfuktighet på 98 %. I övrigt så inträffar dessa hopp i produktionen i 55 % och 69 %, för verk 1 respektive verk 2, av totalt antal fall då temperaturen är mindre än 2 o C i kombination med en luftfuktighet över 85 %. Detta visas i tabell 3 och 4. Dessa tabeller säger även vid vilken tidpunkt på året tillfällena inträffar och den procentuella andelen tillfällen då vädret även är gynnsamt för isbildning av det totala antalet tillfällen då produktionen varit för låg och gjort ett hopp, för respektive månad. De månader som utmärker sig speciellt mycket är januari och mars då kombinationen för låg effekt och gynnsamt väder inträffat flest gånger. För de båda verken är de månader de som kan tänkas haft flest tillfällen då is lossnat från rotor eller blad. Det ska även sägas att dessa hopp i effekten även kan ha ett antal andra orsaker som till exempel att vinden plötsligt bytt riktning och rotorn ej hängt med. Nacellen vrider sig alltid så att vinden kommer rakt emot bladen men då det är ett medelvärde på vindriktningen kan alltså en kastvind kommit från ett annat håll, än i den riktning rotorn är vänd emot, vilket leder till att produktionen minskar för en kort stund för att sedan öka igen. Dock bör vindhastigheten vara ungefär konstant. Vindhasighetsgivarna är placerade på nacellen men det är alltid någon del av turbinen som kan skugga lite vilket leder till en förändring i vindhastighet åt något håll. Det säger emellertid mycket att i 94 % samt 96 % av fallen i mars månad, för både verk 1 och 2, har vädret varit gynnsamt för nedisning. En notis är att i tabellerna 3 och 4 fanns inga tillfällen då alla parametrar stämde för jämförelsen i produktion för de månader som ej är med. 34

44 Tabell 3. Tabellen visar antalet tillfällen från 7.2 där vädret varit gynnsamt för is, verk 1 Månad Antalet tillfällen Varav tillfällen då Andel tillfällen då för låg effekt T < 2 o C samt T < 2 o C samt luftfuktighet > 85 % luftfuktighet > 85 % December ,38 Januari ,76 Februari ,51 Mars ,94 April 3 2 0,67 Juni 2 0 0,00 Juli 7 0 0,00 Augusti 1 0 0,00 Oktober 1 0 0,00 Totalt ,55 35

45 Tabell 4. Tabellen visar antalet tillfällen från 7.2 där vädret varit gynnsamt för is, verk 2 Månad Antalet tillfällen Varav tillfällen då Andel tillfällen då för låg effekt T < 2 o C samt T < 2 o C samt luftfuktighet > 85 % luftfuktighet > 85 % December ,27 Januari ,85 Februari ,67 Mars ,96 April 1 1 1,00 Maj 4 0 0,00 Juni 2 0 0,00 Juli 1 0 0,00 Augusti 3 0 0,00 September 1 0 0,00 Totalt ,69 För att kunna relatera till om resultatet i 7.2 är många eller få tillfällen, kan det nämnas att det totala antalet loggade tidpunkter som det utgicks ifrån var över stycken. Att enbart 210 respektive 143 är sådana tillfällen då produktionen varit för låg, tagit ett skutt uppåt samtidigt som vindhastigheten minskat kan säga en del om verkens verkningsgrad. I 23 % för verk 1 och 19 % för verk 2 den faktiska produktionen varit mindre än 80 % av den förväntade, och då vet vi inget mer om hur mycket mindre den varit. I 2.2 diskuteras vilka typer av is som kan bildas och vid vilka förhållande de gör det, figur 6. För att visa att teorin stämmer med verkligheten skapas en graf där temperaturen plottas mot vindhastigheten. Det är gjort för de tillfällen då temperaturen ligger mellan 0 o C och -16 o C, se figur 21. Figuren illustrerar tydligt att mjuk frost är vanligast, följt av hård frost och den minst 36

46 vanliga typen is i det aktuella området är klar is. Då klar is är den typ av is som har högst densitet är det även den som kan göra störst skada utifall ett iskast skulle ske. Sedan de två vindkraftverken togs i drift i slutet av 2008 har inga iskast rapporterats. Detta beror till mycket stor del på den avisningsutrustning som verken är utrustade med men det kan även bero på att den typ som bildas är mjuk frost. Mjuk frost har en tendens att smälta snabbt och lätt tack vare porositeten och om den mot förmodan skulle lossna från rotor eller blad skulle kastbanan bli relativt rakt ner mot marken. Frosten är mycket lätt och skulle snarare dala ner mot marken än slungas iväg med stor hastighet. Figurerna 3-5 är ett resultat av storskalig riskbedömning av nedisning, men information om isbildning på vindkraftverk saknas fortfarande i stor grad. Då det nu byggs fler och fler vindkraftverk i kalla klimat ökar efterfrågan på nedisningsmodeller som ger säkra prognoser. En rapport från 2007 beskriver hur vindkraften kan tänkas bli påverkad av de kommande klimatförändringarna. Där bedöms att just molnnedisning kan komma att minska [19]. I övriga fall av nedisning rapporteras att det är för osäkert för att dra några slutsatser och att nedisning kan öka i vissa områden av Sverige samtidigt som de kan minska i andra. Under vintern har tester pågått i området för där denna analys är utförd. Testerna undersöker hur avisningssystem på de olika verken kan fungera. Systemen i de två verken har matats med olika uppvärmningseffekt vilket ska visa den optimala effekten att värma bladen med. En del av resultatet från studien ger att en besparing på ca kwh kan göras genom att ha avisningssystem installerat [20]. Då uppvärmningseffekten tas från verkets producerade effekt strävas det efter att ha så låg värmeeffekt som möjligt. Vindkraftverken är till för att producera el, inte förbruka den. 37

47 9 Slutsats Nedisning i det aktuella området sker vid temperaturer mellan -13 och 2 o C och luftfuktigheter över 85 %. Den svåraste nedisningen, det vill säga islaster från 0,5 kg och uppåt, sker vid temperaturer mellan -0,5 o C och -4 o C samt i kombination med luftfuktigheter mellan 96-99,2 %. Från figur 19 och 20 kan slutsatsen dras att det finns ett samband mellan hopp i produktionen och gynnsamt väder för nedisning. De flesta tillfällen då produktionen varit för låg och plötsligt ökat har inträffat då temperaturen varit lägre än 2 o C och luftfuktigheten högre än 85 %. För att verifiera om hoppen kan vara is som lossnat måste fältstudier genomföras. Tidpunkter för de eventuella iskasten noteras och en jämförelse kan göras med produktionsdata. Ett alternativ till fältstudier kan vara webkamera som filmar blad och nacell. Servicepersonal bör även vara informerad om situationen i området för att uppmärksamma eventuell nedfallande is från vindkraftverk. 38

48 Referenser [1] Abvee, [2] T. Sigurdson m.fl., Vindkraft på Stor-Blåliden: Miljökonsekvensbeskrivning, Svevind AB, Tavelsjö, 2008 [3] H. Bergström, Metrologi för vindkraft, Vindforsk teknikrapport 8:08, Stockholm, 2008 [4] T. Laakso m.fl., State of the art of wind energy in cold climates, IEA, 2009 [5] G. Ronsten, Rapport från BOREAS VII, Elforsk, 2005 [6] Nationalencyklopedin, [7] H. Seifert m.fl., Aerodynamics of iced airfoils and theur influence on loads and power production, presentation på EWEC, 1997 [8] G. Ronsten, Mapping of icing for wind turbine applications, Elforsk rapport 08:40, 2008 [9] B. Tammelin m.fl., Icing in Europe, FMI Energy, 1998 [10] SMHI, [11] S.Fikke m.fl., COST 727: Atmospheric icing on structures measurements and data collection on icing, MeteoSwiss, 2007 [12] M. Homola m.fl., The depence of icing severity on chord length, presentation på EWEC, 2009 [13] G. Ronsten, Svenska erfarenheter av vindkraft i kallt klimat nedisning, iskast och avisning, Elforsk rapport 04:13, 2004 [14] P-E. Persson, Installation of IceMonitor, 2009 [15] Infoblad för Goodrich, Kanada [16] Kursmaterial Vindkraftteknik, TFE Umeå universitet, 2008 [17] Enercon, [18] Hitta, [19] J. Gode m.fl., Tänkbara konsekvenser för energisektorn av klimatförändringar, Elforsk rapport 07:39, 2007 [20] S. Lütkemeyer, Rotor blade de-icing system, Enercon, presentation på Hannover Fair,

49 40