Aktiv avisning av vindturbinblad med mikrovågor och avancerade ytbeläggningar Kenth Johansson, SP Joachim Karthäuser, Re-Turn AS / Icesolution AS Mikael Järn, SP Lars Eng, Re-Turn AS Göran Gustafsson, Susanne Fogelberg, Pegil Innovations AB Bernt Granberg, MW Innovation AB Peter Krohn, Vattenfall R&D AB Stein Dietrichson, Paal Skybak, Re-Turn AS Mikael Nordeng, Lars Dietrichson, Re-Turn AS Presenteras vid Vindkraftsforskning i fokus konferens, Uppsala, 6-7 oktober, 2015
Micro-DeIce Aktiv avisning av vindturbinblad med mikrovågor och avancerade ytbeläggningar Huvudsaklig finansiering från Energimyndigheten Partners: SP (coordinator, lab scale development work, testing, etc.) Re-Turn AS / Icesolution AS (developer of technology, microwave absorbent supplier) MW Innovation AB (consultant with long experience from de-icing activities) Pegil Innovations AB (supplier of MW sources, incl. waveguides) Vattenfall R & D AB (potential end user of the technology) Projektets längd: 2 år Projektbudget: 3.9 MSEK Projektstart: 1 September, 2013
Introduktion till Avisning med Mikrovågor och CNT-beläggningar Teknologi Kolnanorör (CNT) i en polymerfilm absorberar MW strålning och genererar värme. Stark MW absorption mellan 2-20 GHz. 2.45 GHz öppen frekvens. Mikrovågskällan på insidan eller utsidan av rotorbladen Trådlös lösning, reparationsvänligt, flexibelt, ok 3 för blade bend
Microwave heating of a small sample (PU coating with CNT) Infrared camera Web camera 2*2 cm ice cube glued onto glaze ice, start -20 o C Tilted surface 4
Micro-DeIce Aktiv avisning av vindturbinblad med mikrovågor och avancerade ytbeläggningar Projektets målsättning Att utveckla en kombination av mikrovågsabsorberande skikt och en top-coat med god hållbarhet och anti-is egenskaper med låg energiförbrukning
Projektets arbetsindelning WP 1: Projektledning, mm WP 2: Design och byggande av mikrovågsutrustning till fältförsök WP 3: Framställning och karakterisering av olika kombinationer av mikrovågsabsorberande skikt och ytbeläggningar i laboratorieskala WP 4: Fälttester WP 5: Säkerhet och hälsa, inkl. blixtkänslighetsanalyser
WP 2: Design och byggande av mikrovågsutrustning till fältförsök (Pegil Innovations) Mikrovågskälla som använts i projektet: Magnetron 2.45 GHz + högspänningsaggregat (1350 W)
WP 3: Framställning och karakterisering av olika kombinationer av mikrovågsabsorberande skikt och ytbeläggningar i laboratorieskala (SP) Framställning av olika varianter av mikrovågsabsorberande skikt (CNT-coatings) (Re-Turn) Utvärdering av skikten m.a.p. absorption, transmission, reflektion av MW samt uppvärmningsegenskaper Åldringstest hos mikrovågsabsorberande skikt. Upprepade exponeringar och karakterisering av prover med mikrovågsabsorberande skikt.
WP 3: Framställning och karakterisering av olika kombinationer av mikrovågsabsorberande skikt och ytbeläggningar i laboratorieskala (SP) Transmittansmätningar Karakterisering av CNT-beläggningar Reflektansmätningar Temperaturmätningar med IR-kamera
Ökande CNT-koncentration Högre MW-absorption 15-20% wt. CNT i MW-absorberande skikt (ca. 200 µm) är en bra kompromiss mellan absorption and reflektion av MW. (Reflekterade MW absorberas också.) CNT-skiktet är halvledande. Dispergeringsgrad och polymermatrisens sammansättning påverkar också MWabsorptionsegenskaperna. Reflektion
WP 3: Framställning och karakterisering av olika kombinationer av mikrovågsabsorberande skikt och ytbeläggningar i laboratorieskala (SP) Framställning av olika varianter av mikrovågsabsorberande skikt (CNT-coatings) (Re-Turn) Utvärdering av skikten m.a.p. absorption, transmission, reflektion av MW samt uppvärmningsegenskaper Åldringstest hos mikrovågsabsorberande skikt. Upprepade exponeringar och karakterisering av prover med mikrovågsabsorberande skikt.
WP 3: Framställning och karakterisering av olika kombinationer av mikrovågsabsorberande skikt och ytbeläggningar i laboratorieskala (SP) Åldringstester av mikrovågsabsorberande skikt. Exponering för Mikrovågor 500 cykler i SP s Faradaybur 1 cykel: 3 min MW-strålning + 10 min avsvalning = 13 min 3 min strålning (50 % 660 W) motsvarar uppvärmning av CNT-skiktet till ca 70 C Exponering för Temperaturvariationer Antalet cykler: 100 Tid per cykel: 30 min kallt + 30 min varmt Temp kallt: -30 C Temp varmt: +70 C
WP 3: Framställning och karakterisering av olika kombinationer av mikrovågsabsorberande skikt och ytbeläggningar i laboratorieskala (SP) Utvärdering av Åldringstester SEM-analyser visar inte några effekter av åldringen Mikrovågsexponeringen sänker Tg > 10 grader Thermoshock-behandlingen påverkar inte Tg Ytresistansen förefaller öka efter åldringen Mikrovågsabsorptionen påverkas inte av åldringen T g =glasomvandlingstemperatur Sample T g (DIN) ( C) Before exposure 81.1 ± 3.4 After microwave exposure (500 cycles) After thermoshock exposure (100 cycles) 68.2 ± 1.8 81.9 ± 5.5
WP 4: Fälttester (Pegil Innovation) Enl. ansökan: Fälttester kommer att utföras på Vattenfalls anläggning. I stället: Avisningsförsök i fryscontainer hos Pegil Innovations i Skövde.
WP 2: Design och byggande av mikrovågsutrustning till fältförsök (Pegil Innovations) Resultat från avisning av 2,5 m vingsegment
Lyckade avisningsförsök vid -20 C Före web kamera Efter Avisning av ett kompakt islager inom 10-30 min Lärdom: Topcoaten borde ha god värmeledningsförmåga, vara slät och hydrofob Infraröd kamera 5 min 30 min Uppvärmning av vingens framkant med 2,45 GHz magnetron och vågledare: Effektivt, men spatial variation
WP 5: Säkerhet och hälsa, inkl. blixtkänslighetsanalyser Blixtkänslighetsanalys Diskussioner med Anders Bergman, senior forskare, SP Högspänningslab, Borås. Blixtkänsligheten om magnetron + vågledare används kan bedömas och avgöras genom teoretiska beräkningar på skrivbordet. En vågledare eller annan konstruktion av aluminium som skyddar elektroniken bedöms vara blixtsäker om godstjockleken är 1-2 mm. Inga praktiska tester utförda pga byte av mikrovågskälla.
WP 2: Design och byggande av mikrovågsutrustning till fältförsök Halvledarrevolution inom mikrovågsteknologi Transistorer ersätter magnetroner lämpligt för vindkraftverk. Fördelar: Livstid (!) vikt pris kontroll (!) robusthet design & installationsmöjligheter inget krav på högspänning
Aktiv avisning av vindturbinblad med mikrovågor och avancerade ytbeläggningar Preliminära uppvärmningstester med ny transistorteknologi Radardom med CNT- + topcoat Uppvärmning av domen registrerad med IR-kamera
Aktiv avisning av vindturbinblad med mikrovågor och avancerade ytbeläggningar Slutsatser : Proof of concept visat. Mikrovågor i kombination med CNT-beläggning ger effektiv uppvärmning. Effektiv avisning av rotorbladssegment vid -20 C. CNT-beläggningens sammansättning viktig. Inte bara CNT-halt, även dispergeringsgrad och matrisens sammansättning. CNT-beläggningen har goda åldringsegenskaper både vad gäller MWstrålning (klarar minst 500 exponeringscykler) och temperaturvariationer (klarar minst 100 cykler). Ingen risk för mikrovågsstrålning på marken. Transistorer framtidens mikrovågskälla för avisning av vindkraftsturbinblad
TACK! Contact: kenth.johansson@sp.se