H 2 O. (Av)isning av vingar på vindkraftsverk. Functional Surfaces group Halmstad. Vindforsk Vindforsk Lars BååB. Halmstad University

Transkript

1 G H 2 O c a b Functional Surfaces grou Halmstad (Av)isning av vingar å vindkraftsverk 1

2 (Av)isning av vingar å vindkraftsverk 1. Förutsättning för isbildning? Bindning av vatten/is till vinge Underkylt vatten eller vattenånga (Av)isning av vingar å vindkraftsverk 1. Förutsättning för isbildning? Bindning av vatten/is till vinge Underkylt vatten eller vattenånga 2. Värma vatten eller smälta is? Hindra is att bildas Värma vatten innan träffar vingen eller Värma vatten när träffar vingen Smälta bort den is som har bildats å vingen. 2

3 (Av)isning av vingar å vindkraftsverk 1. Förutsättning för isbildning? Bindning av vatten/is till vinge Underkylt vatten eller vattenånga 2. Värma vatten eller smälta is? Hindra is att bildas Värma vatten innan träffar vingen eller Värma vatten när träffar vingen Smälta bort den is som har bildats å vingen. 3. Strålning eller värmeledning? Mikrovågor/IR/UV Varm vingyta (Av)isning av vingar å vindkraftsverk 1. Förutsättning för isbildning? Bindning av vatten/is till vinge Underkylt vatten eller vattenånga 2. Värma vatten eller smälta is? Hindra is att bildas Värma vatten innan träffar vingen eller Värma vatten när träffar vingen Smälta bort den is som har bildats å vingen. 3. Strålning eller värmeledning? Mikrovågor/IR/UV Varm vingyta 4. Hindra vatten att fästa vid vingen? Struktur Material Statiskt fält 3

4 Water molecule Polar covalent bond From Chemistry and Biochemistry - Icing is caused by suer-cooled liquid water dros cloud water dros <50m freezing drizzle 50m 500m freezing rain >500m - Or by sublimation (direct freezing of water vaor) Icing tye is deendent on temerature as suggested in the following table: Clear 0 C to -10 C - dros have time to flow before freezing Mixed -10 C to -15 C Rime -15 C to - 40 C - dros freeze immediately Aircraft Antiicing Systems Mehl&Parsons NASA 4

5 Olika lösningar för olika geografiska latser? Dis Torr dimma Tät dimma Duggregn Lätt regn Regn 0.1-1m 1-10 m m m m m Nedisningskarteringen? Liquid Water Content (LWC) We assume: g/m 3 Nedisningskarteringen? 5

6 To heat water Secific heat of Water kj/g/k Temerature raise K Swet volume m 3 C LWC T s V A = required ower no losses kw/m 2 Liquid Water Content g/m 3 Accesstime s Target wing area m 2 To heat water Water 1 m 2 area and LWC = 1g/m 3 1 m of water column length If dro diameter > 1 um then sum area of water drolets < area covered, then signal loss due to loss of beam fill as: bf A dro A And the required ower is increased as: C LWC T s V A 1 bf 6

7 To heat water C LWC T s V A 1 bf This can be rewritten as: Diameter of drolets 2 3 C H 2 O T s Density of water To heat water Note: indeendent of LWC! 2 3 C H 2 O T s kw/m 2 Means that as long as the sum of all drolets do not cover the area, then only their size matter. If we heat one dro we will heat all within sight... 7

8 To heat water Efficiency of radiative heating: 2 3 C H 2 O T s Incoming intensity I 0 Outgoing intensity I l I I 0 e l To heat water Loss to water 2 3 C T s H 2O 1 l e 1 is material deendent as 4 I Imaginary dielectic constant Wavelength 8

9 To heat water Loss to water 2 3 C T s H 2O 1 l e 1 is material deendent as 4 I Imaginary dielectic constant Wavelength High I high high absortion Electromagnetic resonse conductive dielectric rotation vibration electronic R I A qualitative resentation of arameters affecting the dielectric constant 9

10 Microwave sectrum of water ure water arrows increasing temerature From htt:// saline water arrows increasing salinity To heat water 2 3 C T s H 2O 1 l e 1 Water l = = 10 m w.l. loss 130 mm 0.3% 13 mm 5% 3 mm 17% 10

11 To heat water or melt ice Water l = = 10 m w.l. loss 130 mm 0.3% 13 mm 5% 3 mm 17% Ice l = 10 mm w.l. loss 130 mm 1% 13 mm 9% 3 mm 73% Ice 1m thick 130 mm 61% 11

12 To heat water or melt ice To heat water or melt ice Water l = = 10 m w.l. loss 130 mm 0.3% 13 mm 5% 3 mm 17% 20 m 63% Ice l = 10 mm w.l. loss 130 mm 1% 13 mm 9% 3 mm 73% 20 m 100% Ice 1m thick 130 mm 61% 12

13 To heat water 2 3 C T s H 2O 1 l e 1 Water l = = 10 m w.l. loss 130 mm 0.3% 13 mm 5% 3 mm 17% 20 m 63% Calculation: 10 m dros, 4 kj/kg/k, 10 swee, 10 oening angle 2 dm wing stri, 3 wings 45 m radius Continuous ower T= mm 27 MW 13 mm 1.4 MW 3 mm 500 kw 20 m 120 kw To heat water C LWC U T A l 1 e 1 Water l = = 10 m w.l. loss 130 mm 0.3% 13 mm 5% 3 mm 17% 20 m 63% Calculation: 0.1 mm water layer, 4 kj/kg/k, 1 m wing stri, 3 wings 45 m radius Continuous ower T= mm 5.3 MW 13 mm 368 kw 3 mm 191 kw 20 m 162 kw 13

14 To melt ice C ice ice l A l 1 e 1 Ice l = 10 mm w.l. loss 130 mm 1% 13 mm 9% 3 mm 73% 20 m 100% Calculation: 10 mm thick, 330 kj/kg/k, 1 m wing stri, 3 wings 45 m radius 130 mm 11 MWh 13 mm 1.2 MWh 3 mm 150 kwh 20 m 113 kwh Slutsatser idag: 1. Värma vatten droar innan de träffar vingen är möjligt: 2.5 GHz (130 mm) mycket för ineffektivt. 22 GHz (13 mm) möjligt men ineffektivt 100 GHz (3 mm) eller IR möjligt och kan vara effektivt 2. Värma vattenhinna å ytan kan fungera (hel träffyta) Små droar hamnar endast i träffytan (liten yta) Stora droar kan flyta ut (blankis) 3. Smälta is å ytan: < 50 GHz (inklusive 2.5 GHz) fullständigt orealistiskt > 100 GHz - IR möjligt (helst 10 mm istäcke) 4. Värmeledning från ytan: Kylning av luft 200 W/m 2 Kylning av vattendroar 120 W/m 2 14

15 Pågående arbete: 1. CFD beräkningar av flödet mot vingen Vattendroar Vattenånga Ren luft 2. Sridningen av droar å vingytan Temeratur Drostorlek Vingytans krökningsradie 3. Betingelser för nedisning Nedisningskarteringen! 4. Sublimering (is direkt från gas) 5. Bildande av is och bindning å ytan Ytkemi Samarbete önskas! Ytstruktur Statiskt fält åytan? Prognosen för rojektet är mycket god Vi behöver: Samarbete i ytkemi Förutsättningarna (nedisningskarteringen???) 15

16 Prognosen för rojektet är mycket god Vi behöver: Samarbete i ytkemi Förutsättningarna (nedisningskarteringen???) Snart slut å medel... CFD (Fluent) simuleringar av vinge Simuleringar ågår med underkylda vattendroar i flödet Watch this sace... 16