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, dimfrost 1 och is. Isbildningen är inga större problem när det bildas på själva tornen, däremot ett stort gissel när det bildas på rotorbladen och anemometern 2. 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. Klaris 3 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 http://www.smhi.se/kunskapsbanken/meteorologi/dimfrost-och-rimfrost-1.17959 2 Tore Wizelius-Vindkraft i teori och praktik 3 http://www.vindlov.se/global/boverket/elforsk%2004-13%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 profil 4. 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/cm 3, 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%2004-13%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 7 http://www.sp.se/sv/press/news/releases/sidor/20101007.aspx 8 Seminarium WinterWind 2012 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%2004-13%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