Vindenergi. Icing af vindmøller En2-B306 Maj 2014

Transkript

1 Vindenergi Icing af vindmøller En2-B306 Maj

2 1

3 Vindenergi Titelblad 2. Semester Projekt i Energi 2014 Tema: Effektive energiteknologier Hovedvejleder: Matthias Mandø- Associate Professor, Aalborg Universitet Esbjerg Bivejleder: Søren Henrik Adam Søren Henrik Adam, Ph.D. Student Initierende problem: Hvor stort et problem er icing for vindmøller? Udarbejdet af gruppe B306: Rune Kulmbak Anna-Marie Olesen Silas Schøning-Lyberth Lærke Skov Hansen Sissel Haagensen Casper Sørensen 2

4 Abstract The purpose of the project is to design an anti-/de-icing system. Calculations will be made to determine whether the system is profitable. It is a known fact that icing on wind turbines will affect the output of the produced energy. During our research we made an experiment in a wind tunnel to support the theory about icing affecting the aerodynamics of the wind turbine blades. This was done by applying foam on a Clark Y-14 airfoil to imitate ice. We used our test results to calculate the aerodynamic forces acting on an airfoil. Our calculations show that the de-icing system is a profitable way to remove ice from wind turbine blades. 3

5 Forord Denne rapport er udgivet af studiegruppe B306 fra Aalborg Universitet Esbjerg i perioden den 3. februar til den 21. maj Rapporten er udarbejdet på baggrund af et projekt udstedt af Aalborg Universitet Esbjerg. Vi fik et projektkatalog med flere forskellige emner og valgte ud fra dette vores emne icing af vindmøller. Rapporten beskriver de forskellige problemstillinger ved icing af vindmøller, og vil også komme ind på løsninger af problemet. Undervejs er rapporten blevet afgrænset og indeholder til sidst en fremlæggelse af, hvornår det vil være mest rentabelt at anvende et anti-/ deicing system ud fra vores valgte case i Canada. Vi har understøttet vores forståelse af icing-problemet med et forsøg fortaget i vindtunnellen. I forbindelse med udarbejdelsen af projektet vil vi gerne rette en tak til Hovedvejleder - Matthias Mandø, Lektor ved Aalborg Universitet Esbjerg Bivejleder - Søren Henrik Adam, Ph.D. Student Jacob Braa - tidligere gruppemedlem Mads Valentin Bram - Energi 6. semester på Aalborg Universitet Esbjerg Dennis Severin Hansen - Energi 6. semester på Aalborg Universitet Esbjerg Petar Durdevic Løhndorf - Ph.D. Student 4

6 Symbolliste d = afstanden i meter H = højden i meter ρ = densitet/ resistiviteten p = luftens statiske tryk. α = den termiske diffusivitet V vind = vindhastigheden V rel = vindens relative hastighed Re = Reynolds tal η = luftens kinematiske viskositet LWC = Liquid Water Content α 2 = blivende (sticky) effektivitet α 1 α 2 α 3 = dimensionsløse faktorer v = partikelhastighed relaterede til objektet/ Rotationshastighed ADIS = anti- og de-icing System k = varmeledningskoefficient c p = specifik varmekapacitet τ gf = Tau for glasfiber T = temperatur T luft = den omgivende lufts temperatur β= nodens masse β gammel = den forrige værdi af β ρ w = Vandets densitet Pa = Luftens densitet g i = varmeeffekt tråden afgiver k gf = glasfiberens specifikke varmeledningsevne h = varmeeffekten/ hour eller varmeovergangskoefficienten. D = diameter n = nodes i et interval ρ er massefylde α = angrebsvinklen V = Hastigheden V rot = vingens rotationshastighed φ = den vinkel, som vingen er pitchet i L = længden. MVD= Median Volume Diameter α 1 = kollisions effektivitet α 3 = tilvæksten w = flux density A = Tværsnitsareal/ cylinderens overfladeareal l = længden ρ er massefylde τ = et enhedsløst tal t = tid T i = temperatur vi har nu. h = varmeovergangskoefficienten β ny = den nye værdi af β g = varmeeffekten/ gram µ: Luftens viskositet α = den termiske diffusivitet 5

7 6

8 Indhold Titelblad... 2 Abstract... 3 Forord... 4 Symbolliste... 5 Indledning Problemanalyse Vindmøllens egenskaber og opbygning Områder med risiko for icing Konsekvensen af icing og det kolde klima Aerodynamik Typer af is Sensorer Anti-/de-Icing af vindmøllevinger Anti-icing De-icing Vindmøllepark ved Blackspring Ridge Klimaet i området Afgrænsning Problemformulering Problemløsning Systemets opbygning Forsøg Makkonens algoritme Beregning af effektinput Energiforbrug og varmeledning Diskussion Konklusion Kildeliste Bilag Bilag Bilag Bilag Bilag

9 Indledning Vindmøller er i dag en meget udbredt metode til produktion af elektricitet. De bruges til at omdanne den kinetiske energi fra vinden til elektricitet. Elproduktionen fra vindmøller er markant stigende over hele verden, og specielt i Europa er antallet af nye vindmøller næsten fordoblet siden 2006 (Danmarks vindmølleforening). Stigningen i installeret vindkraft fra 2011 til 2012 lå på ca. 20 % verden over (Danmarks vindmølleforening). Det er ikke længe siden, at vindenergi blev betragtet som en marginal energiteknologi, men dette har ændret sig gennem de seneste år. I slutningen af 2013 blev der samlet produceret 122 TWh i Europa dog tæt efterfulgt af Kina og Indien (GWEC, 2013). USA havde på daværende tidspunkt produceret 59 TWh, men denne mængde er stigende, eftersom USA har sat mere fokus på vindenergisektoren (GWEC, 2013). I Europa og Nordamerikas kolde områder er der et stort potentiale for at udnytte vindens energi til elproduktion (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). I kolde klimaer er man nødt til at se på de problemstillinger, som kan opstå i forbindelse med svære vejrforhold og lave temperaturer. Disse problemer kan bestå i forskellige former for dannelse af is på møllens vinger, som i fagsprog betegnes som Icing (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). I nogle tilfælde kan icing medføre markant nedsættelse af ydeevne, mekaniske og elektriske fejl og i yderste konsekvens fuldt stop af møllen (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). Icing er en tilstand, som kan opstå på alle fartøjer, bygninger eller monumenter, som enten er placeret eller færdes på steder med temperaturer under frysepunktet. Icing er en tilstand, hvorpå et islag opbygges på overfladen af et emne eller et fartøj, og herved påvirker dette negativt. På flyvemaskiner, helikoptere og vindmøller er icing en tilstand, man vil undgå, da det vil ændre aerodynamikken på vingerne. Dette kan på flyvemaskiner få fatale følger, da man ikke længere har kontrol over lift og drag kraften. På vindmøllevinger vil en ændring af aerodynamikken forårsage et markant fald i elproduktionen. På vindmøller kan icing medføre en nedsættelse på 20 % af møllens årlige el produktion (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). Skal man udnytte vindpotentialet optimalt i kolde klimaer, som har en stor indvirkning på holdbarhed og ydeevne af vindmøllen, kan man gøre brug af forskellige former for Anti-/De-icing systemer. I denne rapport vil vi beskæftige os med de-icing teknologien og give en grundig gennemgang af, hvad problemet icing består af. Vi vil tage udgangspunkt i en 1,8 MW Vestas mølle, som er det, de bruger ved vindmølleprojektet Blackspring Ridge i Alberta, Canada. 8

10 1. Problemanalyse 1.1 Vindmøllens egenskaber og opbygning For at skabe et overblik over de mekaniske dele i en vindmølle vil der i dette afsnit blive lagt vægt på vindmøllens udformning samt opbygning. Herfra kan man tilegne sig et overblik af møllens dele samt deres overordnede funktion. En vindmølle omdanner vindens kinetiske energi til elektricitet. Møllens vinger fanger med deres aerodynamiske form vinden, og får rotoren til at dreje rundt. Rotoren er en betegnelse for vingerne og selve rotationsnavet som en samlet enhed. Vingerne kan på mange møller pitches. Det vil sige, at de kan dreje, der hvor de er fastspændt på navet. Dette gør, at de kan have den mest optimale vinkel i forhold til vindens hastighed (Designprocessen). Hvis ikke vinden blæser kraftigt nok til at få rotoren til at dreje, står vingerne i en venteposition, hvor de fanger så meget vind som muligt (Designprocessen). Når vindens styrke igen tiltager, vil rotoren begynde at dreje, så snart vinden er kraftig nok. De fleste møller sætter i gang ved en vindhastighed på omkring 4 m/s (Vattenfall). Ved m/s vil møllerne producere el ved fuld effekt (Vattenfall). Ved en vindhastighed på ca. 25 m/s eller derover, vil vingerne blive pitchet ud af vinden, så møllen stopper. Dette gøres for at undgå evt. skade på møllerne (Vattenfall). Figur 1 Her ses vindmøllens opbygning. På figur 1 er vindmøllens komponenter illustreret. Bag rotoren er nacellen placeret, som er møllens maskinrum. Nacellen er monteret på et tårn, for at vinden frit kan strømme gennem rotoren. Man er interesseret i at få placeret nacellen så højt som muligt, da vindhastigheden øges med højden. Dette skyldes, at vinden oplever mere friktion tættere på landjorden (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). Nacellen er placeret på et krøjegearsystem, der er designet til at dreje nacellen rundt, så rotoren altid står vinkelret på vindretningen (Designprocessen). Rotoren er forbundet via et gear til en generator, som producerer vekselstrøm (AC). Der er dog blevet lavet nye møller med en lavhastighedsgenerator, 9

11 som ikke behøves noget gear. Blandt andre har vindmøllefirmaet Siemens haft succes med dette (Designprocessen). Strømmen bliver sendt videre til en transformer, som laver den til jævnstrøm (DC). DC kan sendes over længere afstande og med mindre energitab end AC (Designprocessen). Før strømmen rammer forbrugerne, vil den igen blive til AC, da det er det, som bliver brugt af forbrugerne i husstandene (Designprocessen). Figur 2 Tværsnit af vindmøllevinge. På figur 2 ses et tværsnit af en vindmøllevinge. Vingens forreste og bagerste kant betegnes som henholdsvis leading og trailing edge. Den linje, som deler vingen i en højtryksside og en lavtryksside, kaldes korden 1.2 Områder med risiko for icing Icing er et udbredt problem i vindmølleindustrien. Icing opstår, når der bliver dannet is på vindmøllens vinger, hvilket kan nedsætte møllens elproduktion betydeligt (Al- Bahadly & Ilinca, 2011). Dette er et problem, som mange firmaer forsøger at finde nye løsninger på. Mange faktorer spiller ind i forhold til icing, herunder temperatur, vind og luftfugtighed (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). På figur 3 ses et kort over Europa og Nord Amerika. Der er angivet, hvor og i hvilken grad icing kan forekomme på de to kontinenter. Nord Amerika havde i 2013 en installeret kapacitet af vindenergi på ca MW, hvor de MW er placeret i risikozonen. Europa havde i slutningen af 2013 en installeret kapacitet på MW, hvoraf de MW befinder sig i områder med risiko for icing (GWEC, 2013) (Battisti, Fedrizzi, Brighenti, & Laakso, 2006). 10

12 Figur 3 Kort over Nord Amerika og Europa hvor der kan forekomme icing. (Nordex, 2012) 1.3 Konsekvensen af icing og det kolde klima Som nævnt er det ikke altid helt uden problemer, at installere vindmøller i kolde klimaer. Selvom der er udsigt til en god energiproduktion, kan der opstå en del farer og risici i forbindelse med det kolde klima. Dette skyldes, at der er stor risiko for, at der dannes is på vingerne. Når der dannes is på vingerne, kan det både ødelægge dele på møllen, have indflydelse på aerodynamikken, give anledning til is-kast og/eller resultere i fuldt stop. Nedenfor vil de forskellige forhold blive gennemgået og forklaret Ændring i aerodynamikken Den is, der bliver dannet på vingen, når vindmøllen står i kolde omgivelser, ændrer vingens oprindelige form. Dette har en stor indflydelse på aerodynamikken over vingeprofilen og dermed energiproduktionen. Vingens oprindelige struktur er konstrueret således, at vinden bedst muligt kan glide over og under den, og dermed skabe en trykforskel, der gør, at vindmøllen roterer rundt. Vingen er altså designet således, at liftkraften er så høj som mulig. Så snart isen dannes på vingen, vil ændringen af vingens form have negative konsekvenser for dens aerodynamiske egenskaber. Dette kan medføre et væsentligt fald af energiproduktionen. Faldet af energiproduktionen kan, som tidligere nævnt, variere fra 0,005 % - 50 % i forhold til vindmøllens normale produktion (Parent & Ilinca, 2011). Dette afhænger dog af intensiteten af isen, samt hvor lang tid isen er på vingen, før den bliver fjernet. Et tilfælde af is dannet på en vinge, kan ses på figur 4. 11

13 Figur 4 Icing på vindmøllevinge der ændrer aerodynamikken. (Aerospace) Is-kast og sikkerhed Så snart der er dannet is på vingeprofilerne, er der risiko for, at isen falder af igen. Dette er til fare for både mennesker, nærliggende møller, dyr, huse, biler osv., der befinder sig i nærheden af vindmøllen. Derfor er det vigtigt at placere en vindmølle, så den er mindst muligt til fare for nogen. Det er svært at sige, præcis hvor langt en vindmølle kan kaste isen. Dette er der blevet studeret meget i, og man er kommet frem til en grov formel for, hvor langt der bør være fra en vindmølle til det nærmeste objekt, for at undgå faren for at blive ramt af et isstykke. Formlen lyder (Dalili, Edrisy, & Carriveau, 2009): 1 (1) Hvor d er afstanden (m) fra vindmøllen til objektet, mens D er rotorens diameter (m) og H er højden (m) af kabinen. På denne måde er det altså muligt, at nærme sig en sikkerhedsafstand, så man undgår at blive ramt af is fra vindmøllen. Når personalet, som er tilknyttet en vindmølle, skal reparere noget på den, er der en regel, som siger, at der mindst må parkeres 100 m. fra vindmøllen (Wahl & Giguere). Dette er i forhold til personalets og køretøjets sikkerhed. Når personalet skal hen til en tiliset vindmølle, skal den sættes i bero. Dette er igen for personalets egen sikkerhed Mekanisk ødelæggelse og elektriske fejl Når der dannes is på vingeprofilen, bliver den belastet. Jo mere is der bliver dannet på vingen, des tungere bliver den, og dette fører selvfølgelig til en større belastning. Jo tungere vingen bliver, des mere ubalance vil der være i møllen. Ubalancen mellem vingerne kan føre til nedsat levetid og ydeevne for de belastede dele, men kan i nogle tilfælde også føre til ødelæggelse (Parent & Ilinca, 2011). Dette sker, når de mekaniske dele bliver overbelastede og overophedede, og derved brænder sammen. Særligt turbinens gearkasse er i fare, hvis en vinge er belagt med is. Oftest er der ikke kun tale om is på én vinge men samtlige vinger, og belastningen af møllen vil derfor være større. 12

14 De kolde temperaturer, sneen samt isen kan også have ødelæggende indflydelse på elektronikken i møllen. Hvis der kommer sne eller is ind i vindmøllens nacelle, vil det smelte pga. de varme forhold indenfor (Parent & Ilinca, 2011). Dette ødelægger elektronikken, da det ikke kan tåle vand Fuldt stop af vindmøllen Nogle gange er det nødvendigt at stoppe møllen fuldstændigt. Dette er selvfølgelig ikke godt rent økonomisk, men det kan være den eneste måde at undgå, at møllen går i stykker. Er der fx dannet meget is på kun én af vingerne, vil det som sagt danne ubalance i møllen. Hvis dette registreres, slukkes møllen, så den står helt stille. Når møllen står stille, vil man hurtigst muligt afise vingen igen. Når vingerne er isfrie, sættes vindmøllen i gang igen. Nogle vindmøller har en sensor, der automatisk lukker ned for vindmøllen, når den detekterer is på vingerne. Hvis en vindmølle ikke har fået installeret en form for anti-icing eller de-icing system, kan man i nogle tilfælde være nødsaget til at lukke vindmøllen ned, hvis temperaturen nærmer sig frysepunktet. Dette er for at undgå, at vindmøllen bliver ødelagt pga. icingkonsekvenserne. Denne procedure har man i Sverige vinteren , været nødsaget til at benytte sig af. Her måtte de lukke en vindmølle ned i 7 uger pga. de kolde vejrforhold (Dalili, Edrisy, & Carriveau, 2009). Dette har medført et meget stort tab i energiproduktionen, og er bl.a. grunden til, at mange firmaer investerer i de/antiicing systemer for at undgå fuldt stop af vindmøllen. En anden og hel naturlig grund til stop af vindmøllen er overproduktion af energi. Når vindmøllen er placeret i et koldt klima, kan den være udsat for meget vind og blæst. Vindmøllens energiproduktion skal hele tiden passe med den mængde energi, der bruges af forbrugeren. Hvis der bliver brugt meget energi, skal vindmøllen tilsvarende producere meget energi. Hvis der derimod ikke bliver brugt noget energi, kan man være nødt til at stoppe møllen. 1.4 Aerodynamik De grundlæggende elementer indenfor aerodynamikken er vigtige, at kende for, at forstå, hvordan en vindmølle omdanner vindens energi til rotation i nacellen. Her er det især vigtigt, hvilken form vingerne har. Derfor kan det være kritisk, når der dannes is på vingerne, da netop formen af vingerne her ændres, og dermed ændrer vingenernes aerodynamiske egenskaber. Afsnittet herfra og ned til laminare og turbulente strømninger er taget fra rapporten Opdrift og modstand på et vingeprofil (Andersen, Opdrift og modstand på et vingeprofil) Aerodynamikken omhandler luftarters egenskaber i bevægelse eller faste objekter, som bevæger sig gennem dem. Inden for aerodynamikken ses en gasart som kontinuum og ikke bestående af mange små molekyler. En af de første, som udgav noget om aerodynamik er schweiziske forsker, Daniel Bernoulli. I sit værk Hydrodynamica, havde han opstillet det vi i dag kender som Bernoullis ligning. Ligningen viste forholdet mellem lufttryk og luftens hastighed. Bernoullis ligning indeholder to led, i forhold til vindmøller, nemlig luftens dynamiske- og statiske tryk. Da energi ikke kan skabes, vil summen af de to led være konstant. ½ ρv 2 + p = konstant (2) 13

15 Her refererer det første led til det dynamiske tryk. ρ er luftens densitet, v er dens hastighed, og p er luftens statiske tryk. Det fremgår af ligningen, at hvis summen af de to led skal være konstant, så falder trykket, hvis hastigheden stiger, og omvendt. Dette er årsagen til, at vindmøllevinger har den form, som de har. Figur 5 Luftstrømninger over en vingeprofil. (Denstoredanske, 2009) På figur 5 ses luftstrømmen omkring et vingeprofil. Vingens overside har en krumning, som gør at luften over vingen, skal bevæge sig længere end luften under. Dette betyder, at luftstrømmen bevæger sig hurtigere på oversiden af vingen. Ifølge Bernoullis ligning, vil trykket over vingen dermed være lavere end trykket under. Det er denne trykforskel, som giver vingen dens opdrift også kaldet lift. Figur 6 Luftstrømninger over en tippet vingeprofil. (Denstoredanske, 2009) Lavtrykket på oversiden gør også, at luftstrømmen følger vingen, selvom den tippes, eller pitches, bagover, Se figur 6. Når dette sker, vil luftstrømmen over vingen bevæge sig endnu længere i forhold til den under vingen. Dermed opstår en større trykforskel, hvilket giver vingen mere lift. Figur 7 Overtippet vinge. (Denstoredanske, 2009) 14

16 En vinge kan dog godt pitches så meget, at luftstrømmen river sig løs, som på figur 7. Hvis dette sker, opstår det fænomen, som kaldes for stall. Her bliver luftstrømmen turbulent, og vingen vil hurtigt miste meget af sin liftkraft. Som tidligere nævnt er det meget vigtigt, at vingens overflade er så jævn og glat som muligt. Hvis overfladen er ru kan det forårsage, at der opstår turbulens i ujævnhederne. Det er bl.a. derfor, at is på vingerne påvirker liftkraften. En anden grund er, at formen på vingen ændres. For de fleste vinger opstår stall, når vindens indfaldsvinkel overstiger omkring 12. Figur 8 Kræfter der påvirker en vinge. (Andersen, paa_et_vingeprofil_-_nyeste_version.pdf) Der er også en anden kraft, som påvirker en vinge, når den bevæger sig gennem luften, nemlig luftmodstanden, også kaldet drag. Den vil være parallel med vindretningen. Den resulterende kraft, som påvirker vingen, vil derfor være summen af lift- og dragkraften, se figur 8. Dragkraften stiger, ligesom liftkraften, når vingen tippes bagover, da det lodrette areal, som vinden rammer øges. Det tryk som vinden udfører på undersiden af en pitchet vinge, vil også være med til at øge liften. Når man kigger ind på rotoren af en vindmølle, ser det ud til at vinden rammer vingerne fra en meget stejl vinkel, men det er ikke tilfældet. Det skyldes, at vingerne roterer vinkelret på vindretningen. Retningen, som vinden rammer vingen fra, også kaldet angrebsvinklen α, kan beregnes ud fra følgende ligning: (Andersen, Opdrift og modstand på et vingeprofil) α ( V v n V r ) (3) Her er V vind vindhastigheden, V rot er vingens rotationshastighed vinkelret på vinden, og φ er den vinkel, som vingen er pitchet i. Vinden rammer vingerne mere og mere forfra, jo hurtigere de roterer. Dette er grunden til, at vingerne er snoet. Jo længere man bevæger sig væk fra rotorens centrum, jo hurtigere bevæger vingen sig gennem luften. Derfor står spidsen af vingerne mere vinkelret på vindretningen. Vinger, som er stallreguleret, virker ved, at når vinden blæser for kraftigt, har den så stor en angrebsvinkel, at der opstår stall. Når liftkraften forsvinder, sænkes rotationshastigheden automatisk, så møllen ikke tager skade af de høje omdrejninger. På en pitchreguleret vindmølle, sker dette ved, at vingerne pitches så liftkraften forsvinder. Hastigheden V, som vinden rammer vingen med udregnes på følgende måde: (Andersen, Opdrift_og_modstand_paa_et_vingeprofil_-_nyeste_version.pdf) 15

17 V rel 2 2 V v n V r (4) Laminare og turbulente strømninger Dette afsnit bygger på Svæveflyve håndbogen. (Nielsen, Weishaupt, Trans, & Sørensen, 1966) Når en gas strømmer laminart over en vingeprofil, vil lagene i luftstrømmen følge vingen jævnt. Ved turbulente strømninger vil luftstrømmens lag rive sig fri af hinanden og danne små hvirvler langs vingen. Når der dannes turbulens øges dragkraften, men samtidig er de hvirvler som dannes med til, at fastholde luftstrømmen til vingen. Når en vinge pitches, er man interesseret i, at der dannes turbulens før toppen af vingens krumning. Dette skyldes, at hvirvlerne er med til at fastholde luftstrømmen til vingen, så man undgår stall. Uden turbulens vil grænselagene meget nemmere rive sig fri af vingen, så på trods af den øgede drag, er turbulens med til, at øge liften fordi den gør det muligt, at øge vindens angrebsvinkel. Hvirvlernes rotationsretning vil også være med til, at øge luftens fart på oversiden af vingen. Selv småting som f.eks. ridser, buler og nitter i en flyvinge kan skabe en turbulent luftstrømning. Figur 9 Laminare og turbulente strømninger over en vingeprofil. (Sandham) Reynolds tal er et tal, som kan give en vejledende beskrivelse om en luftstrøm vil bevæge sig laminar eller turbulent omkring en vinge, se figur 9. Det kan beregnes ved hjælp af følgende formel: (Nielsen, Weishaupt, Trans, & Sørensen, 1966) Her er c vindhastigheden, ρ er luftens densitet og L er længden fra vingens forreste spids til den bagerste, også kaldet kordelængden. er luftens kinematiske viskositet, givet i m 2 /s. Jo lavere Reynolds tal er, jo mere vil luftstrømmen bevæge sig laminar omkring vingen. For værdier over vil luftstrømmen være turbulent Aerodynamik ved icing Når der er kommet is på vingens forkant, som på figur 10, kan det medføre, at luftstrømmen allerede bliver turbulent kort efter, det har ramt vingen, alt efter typen og mængden af is. Hvis dette sker, vil luftstrømmen rive sig løs så tidligt, at der opstår stall selv ved en lille tipning af vingen. Det vil reducere liftkraften og dermed sænke møllens effektivitet. Isen er derudover med til, at øge luftmodstanden, altså dragkraften, hvilket også medfører en reduktion af møllens effektivitet. (5) 16

18 Figur 10 Forskellen på luftstrømningerne over et vingeprofil, med og uden is (flyaoamedia). 1.5 Typer af is Is dannes under forskellige processer og forhold. Når vi senere i projektet skal lave beregninger på et anti-/de-icing system, er der forskel på hvilken slags is, der har dannet sig på vindmøllevingen. Is kan bl.a. dannes af skydråber, vanddampe eller ved sne-/ regndråber. Isens dannelse og type er afhængig af, hvilke processer den er opstået under og de givne atmosfæriske forhold. Der er fire forskellige typer af is, som vi i dette projekt vil gå i dybden med. De fire typer er: glaze-ice, rime-ice, hoar frost, og wet snow (Klintström, 2012). Glaze-ice dannes under såkaldt vådvækst. Det betyder, at der er et væskelag på vingens overflade, og at frosten vil ligge herunder. Samtidigt har denne type is den højeste densitet ud af de 4 typer, der ligger på ρ (Klintström, 2012). Isen opstår som regel, når vådtemperaturen er under 0 af flydende væske. Dette forklares ved, at visse former for skyer, også kaldet incloud-icing, indeholder meget små vandråber, der gør det muligt for væsken at holde sig flydende i temperature helt ned til Det er først, når skyerne med de meget kolde vanddråber kommer i kontakt med et objekt, at de med det samme fryses fast til fx en vindmøllevinge. Rime-ice er, når det føromtalte væskelag ikke er til stede, og man siger derfor, at denne proces sker under tørvækst. Isen her danner oftest luftlommer, hvilket vil forstørre dets volumen. Rime-ice er altså mindre tæt end glaze-ice og dannes også under koldere forhold, oftest på lufttemperaturer fra Rime-ice har en densitet mellem ρ. Indenfor kategorien rime-ice findes der både softrime og hardrime. Softrime kender vi, som den tyndere rime-ice, hvor isen dannes som nåle og flader (Klintström, 2012) (Seifert, u.d.). Hardrime har en hårdere densitet og er sværere at fjerne i forhold til softrime. Dette skyldes at hardrime har en højere MVD (Median Volume Diameter) også betegnet, som størrelse af dråberne i luften, samt LWC (Liquid Water Content), der beskriver antallet af dråberne i luften. Det er MVD og LWC, der udgør hovedforskellen mellem de to typer af rime-ice. Hoar frost er dannet under vanddampe. Den er langsomst akkumulerende og har en lavere friktionsevne end de andre typer (Klintström, 2012). Hoar frost er mindre forekommende end de andre typer af is, men kan stadig være problematisk, da den kan forekomme i klart vejr og ved svag vind og på denne måde være svær at forudsige. 17

19 Sidst er der Wet snow. Dette dannes ved kraftigt snefald, og når temperaturen er mellem -3-0 (Klintström, 2012). Dette betyder, at varmestrømmen fra luft til sneoverfladen hurtigt kan ændres af vinden. Isen er nem at fjerne i starten, da den er vandet, men kan blive svær at fjerne, hvis den fryser sig fast til en overflade. De forskellige former for is, der dannes ud fra de nævnte processer, afhænger derfor af forskellige meteorologiske tilstande såsom vindhastighed, luftfugtighed osv. Bevægelige elementer såsom vingerne på en vindmølle akkumulerer hårdere typer af is, som rime-ice og glaze-ice sammenlignet med stationære elementer, da hårdheden af isen er induceret af bevægelse. Når der diskuteres is, på både bevægelige samt stationære elementer, er dette delt op i forskellige tidsperioder, som vi vil komme nærmere ind på. Først skal vi have defineret to begreber, nemlig passiv og aktiv is. For begrebet aktiv is menes der, at den meteorologiske betingelse for isen er gældende. Den passive is vil betyde det tidsrum, hvor møllen stadig er iset til, selvom de meteorologiske betingelser ikke længere er gældende. Dette kan også ses af figuren nedenfor (Klintström, 2012). Figur 11 Forskellige tidsperioder af forskellige stadier af isen (Klintström, 2012). 1) Meteorologisk icing: Perioden hvor vejret tillader, at is bliver dannet 2) Incubation time: Tiden mellem den meteorologiske icing til starten af instrumental icing 3) Instrumental icing: Perioden selve møllen er dækket af is. 4) Recovery time: Tiden fra slutningen af den meteorologiske icing til den resterende instrumental icings slutning. Når man skal modellere is-belasting og overisningssatsen, benytter man Makkonens algoritme. Denne model blev oprindelig brugt til luftledninger og er derfor skabt til et cylinderformet objekt. (Klintström, 2012) M α 1 α 2 α 3 wva (6) Uanset hvilke partikler der er årsag til is på et objekt, vil akkumuleringen være afhængig af tværsnitarealet af objektet, hastigheden af partiklerne samt massekoncentrationen af partiklerne i luften. 18

20 α 1 : kollisions effektivitet α 2 : blivende (sticky) effektivitet w: flux density v: partikelhastighed relaterede til objektet α 3 : tilvæksten A: Tværsnitsareal relaterede til partikelhastighed Isens belasting samt overisningsrate gives i kg/m og kg/m/h. 1.6 Sensorer Når det gælder icing på vindmøllevinger, er det vigtigt, at finde ud af hvornår der skal tændes for de-icing systemet. For at finde ud af dette er det nødvendigt med sensorer eller detektorer, der kan måle vindhastigheden og overisning af vindmøllevingerne. Anemometer og HoloOptics er to traditionelle tilisningssensorer, som bruger meteorologisk udstyr, der ikke registrere is på vingerne. Desværre kan svartiden fra nogle af målerne være lang, og derfor påbegynder man selve afisningen alt for sent. Dette kan medføre et højere energiforbrug, da det tager længere tid, jo mere is der er på vingerne. Når dannelsen af is på vingerne begynder, er det vigtigt, at reagere hurtigt. Det mest optimale vil være hurtige og præcise målinger, især hvis vindmøllen står placeret et sted, hvor den ofte er udsat for omskiftlige vejrforhold. IGUS-skærm og RMS måler, om der er is på vingerne. (Klintström, 2012) (Ericson). Der er to måder at måle dannelsen af is på vindmøllevingerne på, enten direkte eller indirekte. Den direkte måde måler forandringer forårsaget af overisning, f.eks. ændringer i massen eller ledningsevne (Klintström, 2012) (Seifert). Den indirekte metode måler ændringer i vejrforhold, der eventuelt kan føre til icing. Den aerodynamiske støj fra rotorbladene kan blive forøget ved små mængder af overisning. Da aerodynamikken er forstyrret kan dette føre til et turbulent grænselag på forkanten af vingen, og give et højere frekvensniveau, der nemt kan høres. En IGUS-skærm bruger sin naturlige frekvens til at overvåge isen direkte på rotorbladene. Når der dannes is, sker der et frekvensskift. Ifølge fabrikanten er frekvensskiftet også muligt, når møllen står stille. En naturlig frekvens er den frekvens, en genstand af sig selv vil svinge, hvis den ikke påvirkes udefra. Hvis isslag gør, at genstanden kommer ud af dens naturlige frekvens, vil udsvingets størrelse og amplitude vokse, også kaldet resonans (Klintström, 2012). Et anemometer bruges til måling af vindhastigheden. Det mest brugte anemometer er et kopanemometer. Et kopanemometer har en lodret aksel og 3 kopper, der opfanger vinden, se figur 12. Denne forekommer også med 3 propeller i stedet for kopper, men er ikke så brugt. Et anemometer er som regel udstyret med en vindfane, som viser vindretningen. Et varmetrådsanemometer måler temperaturforskellen mellem vindsiden og læsiden. Jo mere det blæser, jo mere afkøles glødetråden i vindsiden. 19

21 Figur 12 Kopanemometer. (Sivaraenterprises) HoloOptics har en T40 serie af IcingRate-Sensorer, der er designet til at angive procentsatsen af den atmosfæriske is. Den er bygget i rustfrit stål, og har ingen bevægelige dele, se figur 13. Den er designet til blandt andet vejrstationer, fly og vindkraftstationer, der opholder sig i ekstreme og aggressive vejrforhold. Den har en intern sondeopvarmning, også kaldet de-icing, der kan slås til og fra. Den har en intern temperatursensor, der slukker opvarmningen, hvis temperaturen er over 10 C. HoloOptics har også et advarselssignal, hvis den når over et bestemt niveau. Tilsluttes den til et netværk, vil den overføre sine data. HoloOptics isindikator kan angive islag helt ned til 5-10 g/m 2 (Klintström, 2012) (HoloOptics). Figur 13 HoloOptics. (HoloOptics) Nedenstående afsnit er taget fra Windpower Engineering Development hjemmeside (Harper, 2011). RMS giver operatørerne mulighed for at opdage is på vingeprofilerne. RMS er en enhed, der bruger optiske strain sensorer monteret inde ved roden af hver vinge. De optiske sensorer er immune overfor lyn og elektromagnetisk induktion. Isdetektorsystemet fungerer på to måder. Venstre side af figur 14 viser hvordan det fungerer under normale driftsbetingelser. Dette gør den ved at overvågningssystemet måler bøjningsmomentet af bladet, når det roterer. Det viser sig som en sinusformet kurve. Når der kommer is på vingen, ændrer amplituden sig. Når det går over en forudbestemt værdi, vil overvågningssystemet lukke møllen ned. På højre side af figur 14 vises der et statisk signal. Når skærmen viser dette signal, er møllen lukket ned, men ikke stoppet. Det vil sige rotoren stadig drejer langsomt, mens systemet arbejder i frekvensdomænet. Systemet er afhængig af en lav vindhastighed, 20

22 omkring 3 m/s, til at excitere egen frekvens af vingen. Når der kommer is på vingen, vil dens masse og den naturlige frekvens ændrer sig. Figur 14 Frekvensmåling med og uden is på en vinge. (Harper, 2011) Monitoren på rotoren indeholder en række komponenter. Der er fire uafhængige sensorer på roden af hver vinge. Disse er installeret fire forskellige steder, der svarer til den forreste kant, bagkant, trykflade og suge-overfladen. Den har en forespørgselsenhed i navet, og har mindst én måde at sende signaler på tværs af drejningshubben. (Harper, 2011) Figur 15 Placeringer af de fire detektorer. (Harper, 2011) 1.7 Anti-/de-Icing af vindmøllevinger Når vindmøller er placeret i områder som Europa eller Nordamerika, hvor de er udsat for lave temperaturer og høj luftfugtighed, kan man drage stor fordel af et anti-icing eller de-icing System (ADIS). Tilisning af møllens vinger vil påvirke aerodynamikken og forsage en markant nedsættelse af energiproduktionen. Det kan i værste tilfælde forsage et fuldt stop eller ødelægge møllen. Et anti-icing system vil forhindre isen i at opstå på vingen, hvorimod et de-icing system vil være i stand til at fjerne isen fra overfladen, når den er opstået. Disse systemer vil gøre det muligt, at holde møllens vinger fri for is, så man hele tiden vil få det største udbytte af den energi, som møllen producerer. (Parent & Ilinca, 2011) (Klintström, 2012) (Al-Bahadly & Ilinca, 2011) 21

23 1.7.1 Anti-icing Anti-icing er et system som konstant holder møllens vingeblade isfrie. Afhængigt af hvor møllen er placeret, findes der forskellige anti-icing systemer. De forskellige systemer afhænger meget af, hvilke temperaturer og vejrforhold møllen er udsat for. For at et ADIS system skal fungere optimalt, er det vigtigt at gøre brug af forskellige instrumenter, som kan detektere is. Disse instrumenter kan bestå af issensorer eller ved hjælp af webkameraer, som kan overvåge møllerne (Al-Bahadly & Ilinca, 2011) (Parent & Ilinca, 2011). Disse sensorer vil være i stand til konstant at sende information til systemet om vejrforholdene og de lave temperaturer. Når systemet modtager signal om, at temperaturen nærmer sig frysepunktet, vil anti-icing systemet automatisk blive aktiveret og holde vingerne fri for is (Al-Bahadly & Ilinca, 2011) (Parent & Ilinca, 2011). Virksomhederne i vindmølleindustrien har som regel udviklet hver deres system, som er nøje tilpasset deres møller og stedets vejrforhold. Anti-icingteknologien kan deles op i to kategorier: Et aktivt system og et passivt system Aktiv anti-icing Det aktive anti-icing system er en afisningsmetode, hvor der aktivt tilføres energi til vingen for at holde denne isfri. Denne energi kan bestå af varme fra elektrisk folie, varmelegemer, eller et varmlufts system (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). For at opretholde vingens aerodynamiske egenskaber, holder anti-icing systemet vingens forreste kant the leading edge isfri. (Parent & Ilinca, 2011) (Al-Bahadly & Ilinca, 2011) Den del af vingen, som bliver påvirket mest af icing, er den sidste tredjedel ud mod spidsen. Dannes der is på denne del af vingen, vil det skabe vibrationer og ubalance under rotation (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). Derfor placeres anti-icing systemerne som regel på den yderste halvdel af vingen for at sikre, at de kritiske steder ikke fryser til. På figur 16 ses et termisk billede af varmeudledningen fra et anti-icingsystem. Figur 16 Termisk billede af et anti-icing system på en Nordex testmølle. (Nordex, 2012) Et anti-icing system kan bestå af elektrisk folie eller varmelegemer placeret på overfladen af vingens forkant eller lige under dens overflade (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). Der er forskel på, hvilke temperaturer de forskellige systemer er designet til at 22

24 opnå, alt efter hvilke typer is, som kan forekomme, det sted møllen er placeret. Et fænomen, som kan skabe store problemer under kolde forhold, er incloud icing. Dette opstår bl.a. i is skyer eller rimtåge, hvor temperaturen ligger underfrysepunktet. Her kan der opstå underafkølede vandmolekyler, supercooled droplets. Molekylernes størrelse gør dem i stand til, at nå temperaturer helt ned til -30 C uden at fryse til is. Når dråberne rammer en hård overflade, vil de krystallisere øjeblikligt. (Moore & Molinero, 2011) (Klintström, 2012) (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). På udsatte steder, hvor dette fænomen kan forekomme, skal anti-icing systemerne holdes på en temperatur over 100 C. Denne temperatur er nødvendig for, at vandmolekylerne, som rammer vingen, ikke fryser ved kontakt med overfladen, men fordamper idet de rammer (Parent & Ilinca, 2011) (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). Denne temperatur skal også sørge for, at den smeltede is ikke fryser igen, inden den har passeret vingen. Nogle systemer varmer vingens overflade op til temperaturer mellem C, hvor andre operere ved temperaturer mellem C. Temperaturen afhænger af hvilke vejrforhold møllen skal kunne modstå (Parent & Ilinca, 2011). De elektriske anti-icing systemer er meget effektive, men bruger meget af den elektricitet, som møllen producerer. Dette kan resultere i 25 % mindre output fra den pågældende mølle (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). Figur 17 Elektrisk anti-icing system som er indstøbt under vingens overflade. (FMLC) Et aktivt anti-icing system kan også bestå af varmluftssystemer. Der findes forskellige metoder, hvorpå man benytter varm luft til at holde vingen isfri. Et system ved navn air layer benytter sig af den naturlige varme, som opstår, når generatoren er aktiv (Al- Bahadly & Ilinca, 2011) (Parent & Ilinca, 2011). Denne varme luft bliver som regel brugt til at holde nacellen frostfri, men kan også kanaliseres ud i vingerne. I et varmluftssystem består vingens indre konstruktion af en masse mindre luftkanaler. Disse kanaler kan fører den opvarmede luft ud gennem små huller i forkanten, for herefter at strømme ud langs over- og underside på vingen. Herved skaber det et tyndt lag varm luft omkring vingen, som forhindrer isen i at opstå (Parent & Ilinca, 2011) (Al- Bahadly & Ilinca, 2011). Andre systemer gør også brug af denne varme, her cirkulere varmen i et lukket system for herved at holde vingens temperatur over 0 C. Disse systemer er nogle af de billigste i drift, da det ikke kræver elektricitet fra møllen (Parent & Ilinca, 2011). Et andet varmluftssystem kan bestå af varmelegemer, som er placeret tæt på rotoren, som varmer luften i vingens luftkanaler op. Herefter transporterer en blæser den varme luft rundt og holder temperaturen over 0 C (Parent & Ilinca, 2011). Ulempen ved disse systemer er, at materialet, som luftkanal-konstruktionerne laves af, kun kan holde til 23

25 temperaturer under 50 C, hvorefter strukturen mørnes, og vingen med tiden kan blive porøs og knække (Parent & Ilinca, 2011) (Al-Bahadly & Ilinca, 2011) Passiv anti-icing Et passivt anti-icingsystem kan bestå af forskellige overfladebehandlinger, som påføres vingerne for at undgå isdannelse (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). Disse behandlinger kaldes ice-phobic eller hydro-phobic. En ice-phobic behandling kan bestå af en kemisk eller nanoteknisk maling, som vil forhindre isen at opstå (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). Man kan sammenligne det med effekten af en isspray på en frossen bilrude. I Canada har man også eksperimenteret med at male vingerne sorte, hvor varmeeffekten skal opstå ved hjælp af solen i løbet af dagen. Det viste sig at have en effekt, men ikke tilstrækkeligt til at det blev en succes (Parent & Ilinca, 2011). Hydro-phobic er en vandafvisende overflade, som forhindrer vanddråber i at sætte sig på overfladen. Denne behandling kan bestå af epoxy eller en polyester matrix forstærket med glasfiber (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). Dette har også vist sig at have fordele i forhold til den glatte aerodynamiske overflade, da denne herefter vil blive mere resistent over for snavs og insekter (Parent & Ilinca, 2011). Disse passive teknologier kræver, at overfladen regelmæssigt holdes ved lige, da den med tiden bliver porøs (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). En af fordelene ved overfladebehandling er den relative lave pris i forhold til de mere omkostningsrige metoder (Al-Bahadly & Ilinca, 2011) (Parent & Ilinca, 2011). Steder hvor temperaturen er lige omkring frysepunktet, kan det passive system være velfungerende, men det er ikke realistisk udelukkende at bruge en overfladebehandling som anti-icing. Dette skyldes, at der endnu ikke er opfundet en overflade, hvorpå is ikke kan dannes (Parent & Ilinca, 2011). Mange steder bruger man en kombination af den passive og aktive teknologi for at opnå den mest optimale virkning (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). Der findes ikke en bestemt løsning, som kan bruges under alle tænkelige forhold af icing, og der bliver derfor hele tiden arbejdet på at udvikle og optimere teknologierne. På vindmølleindustriens testmøller forskes der hele tiden i nye og bedre løsninger. Man har for eksempel lavet forsøg med fleksible vinger (Parent & Ilinca, 2011). Fleksibiliteten skal være i stand til at lave vibrationer, som vil resultere i at isen, som samler sig på vingen, vil slå revner og herved falde af, når møllen er aktiv (Parent & Ilinca, 2011). Andre mere tekniske løsninger er også under udvikling. Her er målet at opvarme vingen ved hjælp af mikrobølger for på den måde at holde temperaturen over frysepunktet (Al-Bahadly & Ilinca, 2011) (Parent & Ilinca, 2011). Disse metoder er dog stadig på forsøgsbasis. I dag er den mest udbredte og gennemtestede løsning at afise vingerne ved hjælp af elektriske varmelegemer eller varmefolie (Parent & Ilinca, 2011). Det aktive anti-icing system er den dyreste af metoderne, da det kræver meget energi at holde systemet kørende (Al-Bahadly & Ilinca, 2011). Selvom det aktive anti-icing system er dyrest, kan det være en fordel, da møllen ikke behøver at lukke ned i et tidsrum for at afise i modsætning til nogle typer af de-icing systemer (Parent & Ilinca, 2011). Den energi det aktive anti-icing systemet benytter, leverer møllen i de fleste tilfælde selv. Det vil sige, at møllens produktionsoutput vil blive mindre, mens systemet kører. Et aktivt system bestående af elektriske varmelegemer vil bruge 6-12 % af den elektricitet, møllen selv producerer (Parent & Ilinca, 2011). Mange vindmøllefirmaer, som Nordex, Siemens og for nyligt Vestas, udvikler selv nye systemer og løsninger, 24

26 som passer specifikt til de møller, der skal opføres, og det klima de kommer til at befinde sig i De-icing Princippet ved de-icing handler om først at spore isen, når den danner sig og dernæst fjerne det hele eller det meste af den. Man måler, om der er is, og hvor meget der er. I tilfælde af at der er for meget, kan man herved aktivere sit de-icing-system. Den første operation, dvs. detektion af isen, er særdeles essentiel i forhold til at aktivere sit system i tide og undgå ophobninger af is, dertil også at få slukket sit system hvis isen er væk. Af disse grunde er det energimæssigt og derved økonomisk vigtigt at have et effektivt detektorsystem, som kan fortælle, hvordan is-niveauet på vingerne er. Naturligvis kan man med vejrudsigter og målinger forudse, om der er risiko for icing, men det er ikke særlig specifikt. I dag er ice-detektionsystemer så veludviklede, at for høje ismålinger automatisk sætter en de-icing proces i gang og evt. lukker helt ned for møllen. Der findes flere metoder til at måle is-niveauet på vingerne. En meget simpel måde er at sammenligne vindmøllens aktuelle energiproduktion med vindmøllens ideelle energiproduktion. Dette siger dog ikke noget om isens placering på vingerne, og derfor er det mest optimale at installere sensorer enten i vingerne eller oven på nacellen. Ved selve de-icingen af vindmøllevingerne er der nogle bestemte områder af vingerne, som man fokuserer på. I forhold til aerodynamikken er det vigtigt at fjerne den is, der danner sig ved den forreste del af vingen, der er den del, som møder luften først. Til at fjerne isen eller forhindre at der dannes for meget, findes der forskellige metoder, som med tiden er blevet optimeret så meget, at det er blevet energimæssigt og økonomisk rentabelt at installere de-icing systemer. Om et de-icing system skal aktiveres, afgøres til dels ud fra om det økonomisk er mere rentabelt at fortsætte med lavere energiproduktion, end at bruge energi som møllen producerer til at holde de-icing systemet i gang. Det vurderes, afhængigt af om der er tale om de- eller anti-icing, at der skal bruges 2-15 % af en vindmølles energiproduktion til at holde systemet i gang. Målt over tid svarer dette til en ikke ubetydelig energimængde, men da icing kan mindske en vindmølles årlige energiproduktion op mod 20 %, er det ikke en ugunstig investering. Et andet aspekt er som tidligere nævnt, at det også skal med i overvejelserne, om møllen skal stoppes helt under de-icing processen, grundet fare for at is-stykker kan ramme omgivelserne. Netop faren for omgivelserne har selvfølgelig også en positiv indflydelse på, om en de-icing proces skal sættes i gang, da is-stykker under alle omstændigheder kan flyve af. En de-icing proces kan foregå både samtidig med, at vindmøllen kører og under stop. Figur 18 På figuren ses et de-icing system med et elektrisk varmelegeme, som fjerner isen, der har dannet sig på vingen. (Seifert) 25

27 Det skal siges, at der ikke findes masseproducerede løsninger til hverken de- eller antiicing. Men en udbredt metode, ikke bare til de-icing men også til anti-icing, er brug af elektriske varmelegemer. Som nævnt er behovet for fjernelse af is størst på den forreste kant af vingerne, der rammer luften først, og netop her installerer man de fleste varmelegemer strategisk for at opretholde den mest optimale aerodynamik. Jo bedre man kan kontrollere de individuelle varmelegemer i forhold til behovet for opvarmning uden på vingerne, des mere energi kan man spare. F.eks. hvis der ud for et enkelt varmelegeme er mere is, og derfor større behov for opvarmning end ud for et andet, vil et intelligent system, der kan registrere det, spare en vis mængde energi. Den første tredjedel af vingen vil ikke have samme behov for opvarmning, da dens bidrag til rotationen ikke er væsentligt nok. Varmelegemerne kan installeres inde i vingerne, hvor de er forbundet til strømforsyningen i møllens centrale del. De fungerer helt basalt ved, at der sendes strøm igennem dem, hvorved varme dannes grundet deres elektriske modstande. Varmen spreder sig herefter til vingernes overflade, se figur 18. Med elektriske komponenter i vingerne kræves det, at der også installeres et system til lynbeskyttelse. I spidsen af vingen installeres en lynleder, som er forbundet til jorden, mens de elektriske varmelegemer er forbundet med deres egne ledere. Ydermere kan varmelegemerne også installeres uden på vingen som en slags folie, der dækker overfladen. Her er deres funktion at opvarme overfladen sådan, at der skabes et mindre lag vand mellem isens og vingens overflader, så vindmøllens roterende kraft vil trække isen af vingen. Her kræves det naturligvis, at der ikke er omgivelser, der kan tage skade af den løsslupne is. Hvis man, som leder af et vindmølleprojekt skulle vælge, hvilket ADIS man ville bruge, ville en af fordelene ved brug af varmelegemer, installeret enten udenpå eller indeni, først og fremmest være, at teknikken er en af de bedst kendte, og dermed kan man være forholdsvis sikker på produktets driftspålidelighed. Dette har igen noget at gøre med, at der ikke findes nogen masseproducerede løsninger, men varmelegemeteknikken er det tætteste, man kommer på det. En anden fordel ved varmelegemer er, at de kan bruges til de fleste typer vejr. Kun ved svære frostforhold og supercooled raindrops kan der sås tvivl om deres tilstrækkelighed. Varmeeffektiviteten for varmelegemer er relativ høj, specielt for varmelegemer installeret som folie (udenpå). Effektiviteten for legemerne installeret inde i vingerne vil være mindre, da vingens materialer vil have en delvis isolerende effekt. En ulempe ved varmelegemer, men generelt for flere varmeteknikker, er det såkaldte run-back water. Run-back water opstår, når is smeltes, og smeltevandet løber til et område, der ikke er opvarmet, hvorved det igen fryser. Her kan det ophobe sig sådan, at det danner en større blok, som kan have indvirkning på møllens ydeevne. For at undgå dette kan man installere varmelegemer flere steder, men dette kræver naturligvis mere energi. En anden og nyere metode foregår ved gennemstrømning af varm luft gennem vingerne. Her kan processen både foregå, mens vindmøllen er i stilstand, og når vindmøllen roterer. I roden eller centralt i vingen er der installeret blæsere, der blæser varm luft gennem små luftkanaler, der fører ud til de ydre lag, der har behov for opvarmning. Her kan varmen transporteres gennem det yderste lag og skabe et lag vand mellem is og vinge, så isen kan glide af. Kanalsystemet i vingen består af et kredsløb, hvor varm luft sendes afsted fra et opvarmningssystem. Når den varme luft har passeret de ønskede positioner og afgivet termisk energi, føres den tilbage til opvarmningssystemet af en 26

28 tilbagegående kanal, hvor processen kan starte forfra. På den måde sparer man energi i forhold til at skulle varme udefrakommende kold luft op. Metoden bruges både som anti- og de-icing system. Brug af varmelegemer er umiddelbart den mest anvendte teknik i industrien, men også andre metoder findes, og er under udvikling såsom brug af mikrobølger og trykluft. 1.8 Vindmøllepark ved Blackspring Ridge Da det som sagt er langt dyrere at installere et anti-icing system, har vi valgt at sætte fokus på et de-icing system. For at kunne lave beregninger på vores de-icing system, har vi valgt et konkret projekt, for at kunne tage udgangspunkt i deres vindmøller og klima. I Canada er der et igangværende projekt i Alberta, som hedder Blackspring Ridge. Nedenfor kommer en beskrivelse af projektet og vejrforholdene i området. Blackspring Ridge Wind Projekt får en samlet størrelse på 300MW, og bliver placeret i Vulcan County, Alberta. Projektet bliver det største vindenergiprojekt i det vestlige Canada, når den 3,3 milliarder kr. dyre vindmøllepark bliver funktionel i sommeren Vindmølleparken, som i øjeblikket er under konstruktion, vil bestå af i alt 166 V MW Vestas vindmøller (EnergiesNouvelles, 2012). Vindmøllen V MW er en af de nyeste vindmøller, som er designet og produceret af Vestas. Deres nye innovative vindmølle er skabt til at producere elektricitet på low wind sites. Dette er områder med lav vindstyrke, hvor det under normale omstændigheder ikke kan betale sig, at installere vindmøller. Vindmøllen starter automatisk ved en vindhastighed på 4 m/s, og dens optimale energiproduktion ligger ved en vindhastighed på 12 m/s. Når vindhastigheden når over 20 m/s, stopper vindmøllen automatisk (Vestas, 2012) Klimaet i området Der er flere klimabælter, der dækker Canada. Disse klimabælter er tempereret samt arktisk klima. Den nordlige kystlinje ligger indenfor polarcirklens grænse, og temperaturen kan nå ned til ca. -50 C. Landskabet er domineret af tundra, is og sne. Her kommer temperaturen ikke over 10 C, hvor årets gennemsnitstemperatur vil ligge på lidt under frysepunktet. Det område af Canada, som Blackspring Ridge hører ind under, er det tempererede klima. Vejrforholdene i Alberta er præget af ligeligt vinter- samt sommerperioder. Det vil sige, at der er frost og mulighed for sne ca. 6 måneder af året. I vintermånederne når temperaturen ned på -15 C til -40 C. Trods de kolde vintre, betyder det tempererede klima, at der er en decideret sommer, hvor der opleves vegetation. Temperaturen om sommeren ligger gennemsnitlig på 10 C (TheWeatherNetwork, 2014). Luftfugtigheden er høj og kan typisk ligge på ca. 86 % (TheWeatherNetwork, 2014). Dette betyder, at der er stor sandsynlighed for bl.a. incloud icing, der giver gode muligheder for både glaze- samt rime-ice. Det geografiske område opfylder altså alle kriterier for muligheden af dannelse af is på vindmøllevinger. Den gennemsnitlige vindhastighed i Alberta, Lethbridge, hvor Blackspring Ridge ligger, er på 4,69 m/s. Den laveste vindhastighed er målt i sommermånederne juli/ august, hvor vindhastigheden kan nå helt ned på 0,1 m/s. I vintermånederne december/ januar er vindhastigheden målt helt op til 17,88 m/s (Weatherspark, 2014). 27

29 2. Afgrænsning I problemanalysen er der gennemgået den mest basale viden inden for vindmøller og icing. Ud fra dette kan vi indsnævre vores initierende problem, nemlig hvor stort et problem icing er for vindmøller. De to store udfordringer inden for icing er selve ADISmetoder og detektion af icing. I vores løsningsforslag har vi valgt at fokusere på ADISmetoder og dermed fravalgt fokus på detektion af icing for at afgrænse projektet. Ud fra vores problemanalyse har vi valgt at tage udgangspunkt i et fremtidigt vindmølleprojekt Blackspring Ridge i Alberta, Canada. Til Projektet anvendes vindmøller af typen V100-1,8 MW, som vi vil tage udgangspunkt i. Vi har valgt dette geografiske område, da risikoen for icing er særlig høj. Valget af området giver os et udgangspunkt i forhold til de meteorologiske omstændigheder, som vi senere vil benytte i vores udregninger. Derved har vi valgt at afgrænse projektet til de vejrforhold og dermed istyper, som findes i dette område. Da projektet nu er indsnævret geografisk, kan vi fokusere på de tekniske aspekter inden for icing-problemet. Vi har undersøgt forskellige ADIS-metoder for at finde en metode, der giver os mulige forudsætninger for at udregne energiforbrug og økonomi. Vores valg er faldet på elektriske varmelegemer, der er støbt ind i vingen langs forkanten. Valget er faldet på elektriske systemer, da de er en af de mest udbredte ADIS-metoder i dag. Derudover giver systemet os realistiske muligheder for at regne på energiforbruget. Rent praktisk vil opbygning og installation være mindre kompliceret end eksempelvis et varmluftssystem, hvor varmeoverførsel fra luftkanaler til vingeoverflade vil være vanskelig at forudsige og beregne. Da en del information, som indeholder essentielle parametre, ikke er i virksomheders interesse at videregive, vil vi bruge visse begrundede antagelser. Den givne is og materialernes varmeledningsevner vil indgå i effektivitetsberegninger. Vores teoretiske system skal fungere ved, at et tyndt lag is smeltes, hvorved resten af ismassen kastes af. Herved forudsætter vi også, at møllerne kører samtidig med systemerne. Dette er i overensstemmelse med, at området er ubeboet og dvs. ikke til fare for noget, bortset fra vindmøllerne selv. Formålet med projektet er at beregne, hvor effektiv vores valgte ADIS-metode vil være ved området i Alberta. Dette indebærer energiforbruget og dermed økonomien. Dermed kan vi finde ud af, om det i det hele taget er rentabelt med vores system. For at kunne konkludere på disse spørgsmål, er det også nødvendigt, at undersøge i hvilket omfang systemet skal benyttes. Ud fra vejrinformationer vil vi ved hjælp af Makkonens algoritme beregne mængden af is, som bliver dannet på vingerne i et givent tidsrum. Dette giver mulighed for, at udregne i hvilket omfang systemet skal køre. Bl.a. luftfugtighed, vindhastighed og temperatur vil være afgørende for, hvordan isdannelsen er. 28

30 3. Problemformulering I problemafgrænsningen kom vi frem til at tage udgangspunkt i en ADIS-metode. Disse systemer bliver benyttet alle steder i verden med koldt klima, hvor der er risiko for icing af vindmøller. Så snart der er risiko for icing, er det nødvendigt at have et ADIS for at undgå energitab. Der findes mange systemer, som enten forebygger og forhindrer icing, eller fjerner isen efter dannelsen på vingen. Vi har taget udgangspunkt i et elektronisk varmelegeme, som fjerner isen efter isdannelsen. Vi vil teoretisk designe vores eget elektroniske varmelegeme, samt lave teoretiske beregninger. Herudover vil vi udføre forsøg i en vindtunnel med en vinge for at konstatere, hvilken indflydelse icing har på vingens aerodynamik. Dette leder frem til følgende problemstillinger: Hvor meget energi vil det elektroniske varmelegeme anvende af møllens egen energiproduktion? Kan driften af et elektroniske de-icing system svare sig økonomisk? Hvor meget indflydelse har icing på vingens aerodynamik? 29

31 4. Problemløsning Målet i problemløsningen er at opnå resultater ud fra vores teoretiske de-icing system. Her menes resultater, der kan indikere, om vores system energimæssigt er rentabelt i forhold til en vindmølles energiproduktion. Som en væsentlig del af problemløsningen er der blevet foretaget bestemte forsøg i en vindtunnel. Disse forsøg er med til at understøtte vores konklusion. Vores løsningsforslag vil indeholde en del antagelser, som skaber nogle realistiske forudsætninger for vores beregninger. Manglende oplysninger og en kompliceret vingeopbygning er baggrunden for dette. I nogle tilfælde vanskeliggør komplekse detaljer vores muligheder, hvilket også er baggrunden for nogle antagelser. Vores fokus vil ikke være på selve installationen af de-icing systemet, men derimod forudsætter vi, at systemet allerede er installeret i vingerne. På den måde vil vores udregninger være baseret på driften af systemet. Figur 19 Placering af de-icing system. 4.1 Systemets opbygning Vores system vil bestå af en 0,25 mm konstantantråd, som vil blive støbt ind i vingen. Trådens type og størrelse er valgt på baggrund af et videnskabeligt forsøg, som blev lavet i 2012 (Mohseni & Amirfazli, 2012). I forsøget blev en 0,25 mm konstantantråd støbt ind i en glasfiberskal, som blev monteret på et vingeprofil. Systemet, som blev testet, var et anti-icing system. Da et sådant system skal køre længere tid ved en højere temperatur, konkluderede vi, at denne tråd ikke ville blive overbelastet, og derfor var et passende valg. Tråden vil blive støbt ind i vingen 1 cm under overfladen. Da det ikke har været muligt at fastslå en tykkelse af glasfiberen på vingens midte, har vi snakket med en medarbejder fra LM Windpower, som fortalte, at den varierede mellem 1 og 3 cm. Der vil derfor blive regnet med en tykkelse på 2 cm. Man kan komme ud for, at vingen skal repareres, efter den er installeret. Ved overfladiske skader vil man fjerne noget af det eksisterende materiale for derefter at udbedre skaden. Det medfører, at tråden kan risikere at blive beskadiget, hvis den er placeret for tæt på overfladen. 30

32 Systemet vil på den anden side være mere effektivt, des tættere på overfladen det er placeret. Dette er grunden til den valgte dybde på 1 cm. Der vil blive ført strøm fra elnettet gennem en konverter, for at konvertere den til DC. Herfra vil strømmen blive tilpasset i spænding og strømstyrke, så effekten passer med vores beregninger. Der vil blive sat is-detektorer til systemet, som kan tænde og slukke for systemet. Grunden til at strømmen ikke tappes direkte fra møllens generator er, at hvis vejrforholdene har været slemme, kan møllen have været nødsaget til at stoppe. Hvis der herefter er dannet is på vingerne, skal denne kunne fjernes, før møllen sættes i gang igen. På figur 16 kan man se, at Nordex har opvarmet lidt over halvdelen af vingen. Der vil her blive regnet med, at systemet skal opvarme halvdelen af vingens længde på forkanten. Da vi skulle bestemme, hvor langt systemet skulle rundt på forkanten, blev det besluttet, at udfoldningen af systemet skal være kvadratisk. Det skal dække hele tippens omkreds, og herfra vil dækningsmængden blive mindre ned mod midten, efterhånden som vingen bliver tykkere. Dette underbygges af, at spidsen er vigtigere for møllens produktion end den øvrige del. Det har ikke været muligt for os, at finde omkredsen på spidsen af den Vestas vinge, som vi vil regne på. Vi har i stedet fundet en 53 m Siemens vinge på Esbjerg havn, som vi har målt og gået ud fra. Den var 120 cm rundt om spidsen. Vestas vinge er som nævnt 49 m lang, så vi vil dække 24,5 m af den. Dette giver os en udfoldelse af systemet på 1,20 m x 24,5 m. Det giver systemet for hver vinge et udfoldet areal på cm 2. Tråden vil blive ført i vertikale vindinger med 1 cm mellemrum som vist på figur 20. Hvis tråden føres langs vingen, vil der være større risiko for, at den knækker ved vingens bevægelser. Vi har derfor valgt, at ligge den på tværs af vingen. Trådens længde er herudfra udregnet til at skulle løbe 2451 gange hen over vingens forkant. Hver længde af de lineære tråde er 120 cm. Vendingerne er vinkelrette med en længde på 1 cm. Det giver os en total tråd længde på 8897,1 m. Figur 20 Detaljetegning af de-icing system. 31

33 4.2 Forsøg Indledning og formål I studieordningen til P2 projektet står det beskrevet, at projektet skal indeholde et praktisk forsøg, som skal spille en rolle i udformningen af projektet. Formålet med vores praktiske forsøg er, at finde frem til hvornår et de-icing systemet skal tændes, og hvor meget isen påvirker aerodynamikken. Det vil blive gjort ved at måle lift og drag på et vingeprofil med forskellige mængder is på vingens forkant. Isen vil blive modelleret af polyuretanskum. Vi vil koncentrere os om is på vingens forkant, da det er her, de største problemer med is findes. Ud fra møllens rotationshastighed og vindhastigheder ved Blackspring Ridge, har vi beregnet den relative vindhastighed over vingen. Vi vil teste 2 vindhastigheder: den gennemsnitlige og den højeste. Vinden varierer typisk mellem 0 m/s 10,7 m/s (Weatherspark, 2014). Den gennemsnitlige vindhastighed pr. år ligger på 4,7 m/s, mens den højst målte vindhastighed er på 17,88 m/s (Weatherspark, 2014). Der vil derfor blive målt med vindhastigheder på 4,7 m/s og 17,88 m/s. Der vil ikke blive målt på andre vindhastigheder, da vores mål er at finde ud af hvad, der sker med vingens aerodynamiske egenskaber ved forskellige mængder af is på vingens forkant. Vi mener, at de to valgte hastigheder danner god baggrund for dette. I forsøget er det den relative vindhastighed sammen med rotationshastigheden der bliver benyttet. Vingens rotationshastighed er fundet ved, at beregne afstanden fra midten af navet til vingens midte. Her er omkredsen fundet og ganget op med omdrejninger i minuttet. De relative hastigheder er blevet udregnet til 33,2 og 37,4 m/s. Der vil ikke blive regnet på vingens Reynolds tal i forbindelse med forsøget. Det skyldes, at vingens kordelængde er 27 gange kortere end den rigtige vinges. Vindtunnelen gør det kun muligt at justere vindhastigheden. Denne skal, hvis resultatet skal være realistisk, være 27 gange højere end de brugte vindhastigheder, men det er ikke muligt. Vi vil bruge vores målte data til at undersøge, hvilken påvirkning den varierende mængde af is har på lift, drag og stall. De forskellige data fra forsøget vil blive stillet op mod hinanden og analyseret. Herudfra vil vi komme med en begrundelse for, hvornår det er mest hensigtsmæssigt at starte de-icing systemet. Dette vil blive gjort ud fra målingerne på øget drag og reduceret lift ved de forskellige mængder af is. Dette vil blive sat i forhold til dataene fra en vinge uden is. Tallene fra forsøget vil blive brugt til at: Bestemme den mængde is, som skal opbygges på vingen før systemet tændes. Her vil også blive inkluderet overvejelser om systemets effektforbrug. Opstille drag- og liftdiagrammer som funktion af vindens angrebsvinkel på vingen. Finde ud af om isen påvirker den maksimale angrebsvinkel, før der opstår stall. 32

34 Vingeprofilet Vi har, af gruppe EN5-4-E13 AAU Esbjerg modtaget en Autodesk Inventorfil af et vingeprofil, som de har brugt i et tidligere projekt. Dette vingeprofil skal benyttes til forsøget i vindtunnelen. Det er et vingeprofil fra en NREL 5 MW mølle. Målene for modellen lyder på 2,66cm x 25cm x 12cm. På figur 21 ses et billede af modellen i Autodesk Inventor. Figur 21 Vingeprofil lavet i Autodesk Inventor. (Bram & Hansen, 2013) Cylinderen i midten af profilet benyttes til at montere vingen i vindtunnelen. Efter vi modtog 3D-filerne for vingeprofilet, sendte vi filen videre til 3D printning. Først efter 4 uger modtog vi vores 3D vinge, og måtte derfor udskyde vores forsøg pga. ventetiden. Da vi begyndte vores forsøg erfarede vi, at 3D printet ikke var vellykket. Cylinderen på vingen passede ikke til vindtunnellen, og vingen kunne derfor ikke monteres korrekt. Dermed risikerede vi, at vingen ikke sad tilstrækkeligt fast og ville give upræcise målinger. Det blev derfor besluttet, at kassere vores 3D print. Til vindtunnellen medfølger et vingeprofil i metal, som vil blive brugt som erstatning for vores egen. Det er et Clark Y-14 profil, som bliver brugt på fly, men vi mener, at det er tilstrækkeligt til at tegne et billede af isens påvirkning af aerodynamikken på trods af, at det ikke stammer fra vindmølleindustrien, som det oprindelige. På figur 22 ses det anvendte vingeprofil. Figur 22 Clark Y-14 profil. 33

35 Vindtunnellen I vores forsøg har vi gjort brug af vindtunnellen Aerolab (EWT) se figur 23. Vindtunnellen gør det muligt at måle normal- og aksialkraften, som virker på vingen. Vindtunnellen har en måleusikkerhed på 0,2 % (aerolab). Figur 23 billede af den anvendte vindtunnel fra Aerolab. (aerolab) Forsøgsopstilling På figur 24 og 25 ses forsøgsopstillingen. Her ses, at den frie luftstrøm bevæger sig hen over vingen fra venstre mod højre. Måleudstyret i vindtunnellen måler aksial- og normalkraften. Dette kan herefter omregnes til lift- og dragkraft. Figur 24 Teoretisk opstilling af forsøget. (Bram & Hansen, 2013) 34

36 Vi startede med, at teste vingens aerodynamik uden påvirkning fra isen. Herefter gentog vi testen med 4 forskellige istykkelser. Til at simulere isen, har vi anvendt polyuretanskum, der let kunne doseres og formes efter behov. Mængden af is er bestemt ved, at det skulle give et spredt og realistisk billede af, hvordan is påvirker aerodynamikken. Der er lagt skum med tykkelser på 2, 6, 10 og 19 mm. For at beregne hvor meget is det ville svare til i praksis, blev forholdet mellem modellen og den valgte Vestas vinge fundet. Ud fra vores antagelser om Vestas vingens dimensioner, kan vi konkludere, at forholdet er 1:27. Derudover har vi valgt at pitch vingen fra Dette vil blive gjort med et interval på 4 fra 0-8 og et interval på 2 fra Grunden til disse begrænsninger i antallet af målinger er at mindske mængden af data, som skal behandles efterfølgende. Vi mener, at på trods af begrænsningerne vil de målte data tegne et realistisk billede af isens påvirkning. Figur 25 Billede 1: vinge med 2 mm is. Billede 2: 6 mm is. Billede 3: 10 mm is. Billede 4: 19 mm is. Forsøgsdata I vindtunnellens dataprogram kan vi aflæse normal- og aksialkraft under de forskellige simuleringer. De turbulente luftstrømninger får vingen til at vibrere under simuleringen. Herved svinger målingerne for kræfterne en del. For at opnå en præcis måling blev der gjort brug af sample funktionen i vindtunnellens program. Funktionen gjorde det muligt at tage 30 målinger med 0,5 sekunders mellemrum, hvorefter et gennemsnit af disse blev udregnet vha. MATLAB. Målingerne blev udført for samtlige af de valgte indfaldsvinkler på de to udvalgte vindhastigheder for alle mængder af is. Det gav tilsammen 3300 samples fra vindtunnellen. Et uddrag fra en af filerne fra vindtunnellen kan ses i bilag 3. På figur 26 ses en visuel beskrivelse af forholdet mellem de målte og de beregnede kræfter på vingen. 35

37 Figur 26 visuel beskrivelse af forholdet mellem de målte og de beregnede kræfter på vingen. (Bram & Hansen, 2013) For at målingen af aksialkraften ikke skal påvirkes af tyngden fra vingen når den pitches, er kraften, som vingen påfører, blevet udregnet og fratrukket. Derfor har det været nødvendigt at veje vingen efter hver påføring af polyuretanskum. Vingen vejede følgende: 0 mm 534,5 g 2 mm 541,0 g 6 mm 548,0 g 10 mm 552,5 g 19 mm 561,5 g Til udregning af kraften fra vingeprofilet anvendes denne formel: F m g si α (7) Den reelle aksialkraft er herefter beregnet ved at trække F fra den målte F A. Ud fra målingerne beregnes lift- og dragkraften på vingeprofilet. Her anvendes følgende formler: (Bram & Hansen, 2013) Hvor: F L er lift kraften. F D er drag kraften. F N er normalkraften. F A er aksialkraften. α er vindens angrebsvinkel. F L F N os α F A si α (8) F F N si α F A os α (9) 36

38 Ismængde [mm] Ismængde [mm] En2-B306 Efter udregning af lift og drag har vi ved hjælp af MATLAB plottet de udregnede data for de to hastigheder. På figur 27 og 28 ses et diagram over liftkraften som en funktion af vinklen og ismængden ved henholdsvis 33,2 m/s og 37,4 m/s Lift ved 33,2 m/s Lift kraft [N] Vindens angrebsvinkel [ o ] Figur 27 Lift som funktion af angrebsvinklen og ismængden ved en vindhastighed på 33,2 m/s Lift ved 37,4 m/s Vindens angrebsvinkel [ o ] Figur 28 Lift som funktion af angrebsvinklen og ismængden ved en vindhastighed på 37,4 m/s Lift kraft [N]

39 Ismængde [mm] En2-B306 På diagrammerne overfor ses, at der er betydeligt mere lift ved 0 mm is. Lift stiger ved denne ismængde, indtil angrebsvinklen når op på lidt mere end 18 og 20, hvor der her opstår stall. Der opstår ikke stall ved nogen af de andre påførte ismængder. Lift stiger konsekvent, efterhånden som der kommer mere is på. På figur 29 og 30 ses et diagram over dragkraften som en funktion af vinklen og ismængden ved henholdsvis 33,2 m/s og 37,4 m/s Drag ved 33,2 m/s Drag kraft [N] Vindens angrebsvinkel [ o ] Figur 29 Drag som funktion af angrebsvinklen og ismængden ved en vindhastighed på 33,2 m/s. 38

40 Ismængde [mm] En2-B Drag ved 37,4 m/s Drag kraft [N] Vindens angrebsvinkel [ o ] Figur 30 Drag som funktion af angrebsvinklen og is mængden ved en vindhastighed på 37,4 m/s. På diagrammerne over dragkraften ses det, at når vinklen øges, stiger drag. Dragkraften er højere ved alle simuleringerne med is sammenlignet med simuleringen uden. Der er ikke nogen klar sammenhæng mellem dragkraften og mængden af is på vingen, før angrebsvinklen når op omkring 18. Herfra stiger drag i takt med mængden af is. En anden måde at beskrive lift og drag er ved at beregne lift- og dragkoefficienterne. Koefficienterne er enhedsløse faktorer, som beskriver hvor meget opdrift og vindmodstand, en specifik vinge har. Koefficienterne afhænger også af formen på vingen, vindens angrebsvinkel og luftens densitet. Vi har målt temperaturen i laboratoriet til 20 C. Her vil Luftens densitet være 1,204 kg/cm 3 (Cengel, Cimbala, & Turner, 2012). Koefficienterne regnes med disse formler: C L F L 1 2 ρ v2 A (10) Hvor: C L er liftkoefficienten. C D er dragkoefficienten. F L er Lift kraften. F D er drag kraften. ρ er 1,204 kg/m 3 densiteten for luft. v er hastigheden. A er arealet af vingeplanet. C D F D 1 2 ρ v2 A (11) 39

41 Liftkoefficient Liftkoefficient En2-B Liftkoefficient 33,2 m/s CL 0 mm CL 2 mm 0.4 CL 6 mm CL 10 mm CL 19 mm Vindens angrebsvinkel [ o ] Figur 31 liftkoefficienterne som funktion af angrebsvinklen for en vindhastighed på 33,2 m/s. 1.6 Liftkoefficient 37,4 m/s CL 0 mm CL 2 mm 0.4 CL 6 mm CL 10 mm CL 19 mm Vindens angrebsvinkel [ o ] Figur 32 liftkoefficienten som funktion af angrebsvinklen for en vindhastighed på 37,4 m/s. 40

42 Dragkoefficient En2-B306 Liftkoefficienterne viser igen, at simuleringen uden is har mere lift end nogen af de øvrige. Simuleringerne med 2 og 6 mm is har de laveste liftkoefficienter, mens dem med 10 og 19 mm ligger betydeligt højere CD 0 mm CD 2 mm CD 6 mm CD 10 mm CD 19 mm Dragkoefficient 33,2 m/s Vindens angrebsvinkel [ o ] Figur 33 Dragkoefficienten som funktion af angrebsvinklen, for simuleringerne med en vindhastighed på 33,2 m/s. 41

43 Dragkoefficient En2-B CD 0 mm CD 2 mm CD 6 mm CD 10 mm CD 19 mm Dragkoefficient 37,4 m/s Vindens angrebsvinkel [ o ] Figur 34 Dragkoefficienten som funktion af angrebsvinklen for simuleringerne med en vindhastighed på 37,4 m/s. På graferne for dragkoefficienterne ses det, at alle simuleringer med is ligger forholdsvis tæt, mens den uden is har det laveste drag. Ved simuleringen uden is stiger drag kraftigt, når vingen oplever stall. For at vise forholdet mellem lift og drag har vi plottet C L /C D som funktion af angrebsvinklen. Således kan det ses, hvornår lift er størst i forhold til drag. Dette er vigtigt i forhold til, at jo større lift er i forhold til drag, des mere vil den resulterende kraft pege i lifts retning. Resultaterne er vist på figur 35 og

44 CL/CD CL/CD En2-B Lift/Dragkoefficient 33,2 m/s CL/CD 0mm CL/CD 2mm CL/CD 6mm CL/CD 10mm CL/CD 19mm Vindens angrebsvinkel [ o ] Figur 35 Forholdet mellem lift- dragkoefficienter som funktion af angrebsviklen ved en vindhastighed på 33,2 m/s Lift/Dragkoefficient 37,4 m/s CL/CD 0mm CL/CD 2mm CL/CD 6mm CL/CD 10mm CL/CD 19mm Vindens angrebsvinkel [ o ] Figur 36 Forholdet mellem lift- dragkoefficienter som funktion af angrebsviklen ved en vindhastighed på 37,4 m/s 43

45 På graferne ses at forholdet mellem lift og drag ved simuleringerne med is, ligger rigtig tæt, mens vingen uden is ligger betydeligt over. Efter vingen uden is er stallet, falder grafen for forholdet ned til samme niveau som de øvrige simuleringer. Delkonklusion for forsøget Ifølge de målte data er der ikke nogen klar sammenhæng mellem mængden af is og kræfterne, som virker på vingen. Det er tydeligt at se, at is har en negativ effekt i form af reduceret lift samt øget drag, men der er ikke en klar sammenhæng mellem de forskellige mængder af is, lift- og dragkræfterne. Ud af de fire testede ismængder var det vingen med 10 mm is, som gav den største liftmåling. Dog var der ingen af dem, som blev udsat for et ligeså tydeligt stall, som vingen uden is. Både lift og drag steg stort set konsekvent i takt med, at angrebsvinklen blev større for alle simuleringerne med is. Hvis der ses bort fra simuleringen med 10 mm is, stiger lift efterhånden, som mængden af is øges. Det betyder nødvendigvis ikke, at møllen vil producere mere strøm, efterhånden som der opbygges mere is på vingerne. Dragkraften øges også, når der tilføres mere is. Det, at kræfterne ændrer størrelse, gør, at den resulterende kraft ændrer retning. Det vil sige, at den kraft, som påvirker vingen i rotationsretningen, muligvis mindskes på trods af den øgede lift. Vingen skal pitches i en anden vinkel, når der dannes is for at opnå maksimalt lift, hvilket også vil resultere i en ændring af den resulterende krafts retning. Store mængder is vil desuden belaste møllens dele pga. den øgede vægt og ændringen i frekvensen. Vi mener, at grunden til lift bliver større, når vi tilføjer mere is, er, at det planforme areal vinden rammer øges. Her vil vindens dynamiske tryk påvirke vingen i højere grad. Der er ingen tvivl om, at is på vingerne sænker møllens effektivitet, men det er ikke muligt at fastslå et optimalt tidspunkt at tænde de-icing systemet ud fra vores simuleringer. Vi har en formodning om, at formen og overfladen på isen er altafgørende, og at det er grunden til, at vingen med 10 mm is har bedre aerodynamiske egenskaber end de andre simuleringer med is. Dette gør det svært, at forudsige hvad is betyder for en mølles produktion, da isen dannes forskelligt fra gang til gang. Det står uklart, hvordan de laminare strømninger over vingen opfører sig ved simuleringerne med is. Vi vil derfor som tillæg til forsøget, teste og illustrere hvordan strømningerne opfører sig. Det vil vi gøre vha. små tråde, som vi taper på vingen langs oversiden, fra for- til bagkant. Vi burde være i stand til, at se hvornår luftstrømningerne er henholdsvis laminare eller turbulente, alt efter hvordan trådene bevæger sig. Derudover vil vi teste, hvor meget indvirkning vindhastigheden har på angrebsvinklen, hvor vingen uden is staller. Vi vil se på, hvor stor kraften er i vingens rotationsretning ved de forskellige vindhastigheder. Dette er for at tegne et billede af, hvor meget vindhastigheden spiller ind i møllens output. Da vi ikke har kunnet fastslå et optimalt tidspunkt for at tænde de-icing systemet vha. de udførte simuleringer, vil vi i stedet lave beregninger omkring energiforbruget for deicing systemet. Ud fra dette vil vi fastslå, hvornår systemet skal tændes. 44

46 Luftstrømninger over vingen Vi har foretaget to nye simuleringer, hvor vi har tapet små stykker sytråd fast til vingens øvre overflade. Vi har sat 5 tråde i hver side af vingen for at se, om der er forskel på strømningerne langs forkanten. Den ene var uden is og den anden med. Vi har sammenlignet de to for at fastlægge, hvad isen på vingens forkant gør ved strømningerne. Figur 37 Opstilling af forsøget med sytråde Forsøget viste, at trådene på vingen uden is lagde sig til vingen indtil der kom et stall. Her var det tydeligt, at se hvornår luftstrømmen rev sig løs fra vingen. På vingen med is var der stor forskel på, hvordan de forskellige tråde bevægede sig. Ud fra trådenes bevægelse kan man se, at isen danner turbulens alt afhængigt af, hvilken form den antager på forkanten. Dette kan ses ved, at trådene godt kunne hænge fast nogle steder, mens de hvirvlede rundt på andre. Lift- og dragkoefficienter ved flere vindhastigheder Dette forsøg blev lavet for at finde ud af, hvor stor indflydelse vindhastigheden har på angrebsvinklen, når vingen staller. Ud fra dataene på figur 27 og 28 over liftkraften kan man se, at ved de to vindhastigheder er en forskel på, ved hvilken vinkel stallet sker. Ved de 33,2 m/s finder stallet sted ved en vinkel på ca. 18, ved 37,4 m/s sker det ved ca. 22. Dette fandt vi interessant og ville gerne uddybe, hvilken vinkel stallet opstår under ved de forskellige vindhastigheder. Da vi ved tidligere forsøg havde påvist, at lift og drag stiger, indtil stallet finder sted, startede vi målingerne ved 16. Vi har ved hjælp af ligning 11 og 12 udregnet henholdsvis lift og dragkoefficienterne for de forskellige vindhastigheder. På figur 38 og 39 er koefficienterne for de forskellige vindhastigheder vist som en funktion af angrebsvinklerne. 45

47 Dragkoefficient Liftkoefficient En2-B Liftkoefficient CL 30m/s CL 33m/s CL 36m/s CL 39m/s CL 42m/s CL 45m/s CL 48m/s Vindens angrebsvinkel [ o ] Figur 38 Liftkoefficienter ved forskellige vindhastigheder som funktion af angrebsvinklen CD 30m/s CD 33m/s CD 36m/s CD 39m/s CD 42m/s CD 45m/s CD 48m/s Dragkoefficient Vindens angrebsvinkel [ o ] Figur 39 Dragkoefficienter ved forskellige vindhastigheder som funktion af angrebsvinklen 46

48 På grafen over liftkoefficienterne kan man se, at liftkraften opfører sig ens ved vindhastigheder fra m/s. Grafen stiger gradvist, samtidigt med at angrebsvinklen øges. Den begynder herefter at dale ved 18 til 22 pga. af stigende turbulens, hvorefter vinden mellem 22 og 23 river sig løs og forsager et stall. Dette bekræfter dragkoefficienterne, da der ved 22 sker en markant stigning i drag. Ved de to lave vindhastigheder på 30 og 33 m/s viser kurven et konstant stall med en lille stigning i lift. Denne konstatering bekræftes af dragkoefficienterne for 30 og 33 m/s, da drag også har en konstant stigning fra 16 til 24. På bagrund af de to nye forsøg kan man konkludere, at lift og drag opfører sig forskelligt, alt efter hvilken vindhastighed og angrebsvinkel vingen udsættes for. Det kan være svært at komme med en entydig forklaring på, hvorfor lift og drag opfører sig forskelligt ved de varierende vindhastigheder, da der ikke danner sig et entydigt billede ud fra vores målinger. Vores videoer har bekræftet, at is på vingens forkant spiller en stor rolle i, hvordan luftstrømningerne opfører sig hen over vingens overside. Det afhænger alt efter isens form og overflade af, hvordan luftstrømningerne opfører sig hen over vingen. Trådene, som er monteret på vingen med is, begynder meget tidligere at hvirvle rundt end trådene på den vingen uden is. Dette kan skyldes, at vinden danner turbulente hvirvelstrømme, lige efter den har passeret isen. I videoen med vingen uden is fremgår det tydeligt ud fra trådene, at der opstår stall, når man pitcher vingen om i nærheden af de 22. For at kunne give et bud på, hvor meget is der vil danne sig på en vindmøllevinge, har vi benyttet Makkonenes algoritme til at beregne dette. 4.3 Makkonens algoritme Hele afsnittet om Makkonens algoritme referrer til rapporten Evaluation and development of normal year correction methodologies for icing climatology in wind farm applications. (Klintström, 2012) Som tidligere nævnt i rapporten, benytter man Makkonens algoritme til at forudsige, hvor meget is der vil danne sig på en vindmøllevinge. Da algoritmen oprindeligt er beregnet til udregninger med cylinderformede objekter, har vi været nødsaget til at tage visse antagelser. I algoritmen skal vi bruge overfladearealet, der hvor partiklerne kolliderer med vingen. Selvom vores vinge ikke er cylinderformet, kan vi antage, at leading edge, altså der hvor partiklerne kolliderer med vingen, har en cylinderform. Denne antagelse er demonstreret på figur 24. r = 0,5 m. Figur 40 Antagelse af vingens leading edge. 47