Menu

Wpływ oblodzenia siłowni wiatrowych

Typowe turbiny dużej mocy (Tabela 1.) pracują w zakresie prędkości wiatru od kilku do ok. 20 m/s obracając się w tempie od 9 do 19 obrotów na minutę W nominalnych warunkach eksploatacyjnych (prędkość wiatru rzędu 10 m/s) końcówka łopaty porusza się z prędkością liniową ok. 80-90 m/s, czyli 290-320 km/h. Przy tak dużych prędkościach oraz znacznej wysokości turbiny nad poziomem terenu dowolna masa odrywająca się od końcówki łopaty staje się pociskiem, który może poszybować na znaczną odległość.

 

Tabela 1. Przykładowe prędkości końcówki płatów w wybranych siłowniach.

 

W okresie zimowym, a w górach także w innych porach roku, w sprzyjających okolicznościach pogodowych na łopatach turbiny gromadzi się śnieg i lód, który jest rozrzucany wokół wiatraka. Obracający się płat działa tutaj jak katapulta.

Jak daleko może został wyrzucony odłamek lodu? Trudno jednoznacznie na to pytanie odpowiedzieć. Odległość nazwijmy - "rzutu" zależeć będzie od bardzo wielu czynników:

- masy odłamka

- prędkości obrotowej w danej chwili płatu

- kształtu odłamka

- oporu powietrza

- kształtu terenu

- miejsca usytuowania odłamka na płacie, największą prędkość odłamek uzyska na końcu płata, ale oderwać może się w każdym miejscu.

Fot.1,2 Oblodzona siłownia wiatrowa, po prawej fragment oderwanego płata lodu.

 

Według prac naukowych prowadzonych na świecie (np. RISK ANALYSIS OF ICE THROW FROM WIND TURBINES, Henry Seifert, Annette Westerhellweg, Jürgen Kröning,   DEWI, Deutsches Windenergie-Institut GmbH) zasięg rzutu odłamkiem lodu w siłowni wiatrowej można wyznaczyć z zależności:

 

gdzie:

d- zasięg rzutu odłamkiem lodu w [m]

D- średnica rotora [m]

H- wysokość piasty rotora nad ziemią [m]

 

Ta empiryczna zależność jest, jak sami autorzy opracowania sugerują wartością przybliżoną, która może stanowić wstępne rozpoznanie zagrożeń, ale nie przewidzi wszystkich możliwych przypadków.  Ciekawostką wyżej wymienionej pracy są symulacje oddziaływania turbiny przy wietrze wiejącym z różną siłą i z różnych kierunków, jak też zasięg rzutu odłamków lodu przy unieruchomionej ale oblodzonej siłowni wiatrowej.

Rys.1 Zasięg rzutu odłamkami lodu w obrębie siłowni wiatrowej. po lewej zagrożenie tylko dla drogi lokalnej, po prawej dla drogi głównej.

 

Co daje powyższa informacja? (rys.). Jeśli na turbinie znajduje sie system ostrzegania przed oblodzeniem i zostało wykryte realne zagrożenie, system sterowania siłownią wiatrową może ją unieruchomić, gdy kierunek wiatru i zasięg rzutu w danym momencie mógłby zagrażać użytkownikom drogi.

Nie należy też zapominać o bezpieczeństwie personelu siłowni wiatrowej. O ile na płatach warstwa gromadzącego się lodu nie osiąga zwykle dużych wartości i masy, o tyle na gondoli siłowni, w wyniku topnienia i zamarzania śniegu, lód może osiągać znaczne wymiary i jego przypadkowe zsunięcie jest zawsze bardzo niebezpieczne dla obsługi. Zsunięcie lodu może ponadto nastąpić także w czasie jej postoju, przy silnym wietrze. Poniżej kolejna zależność pokazuje zasięg takiego odłamka.

gdzie:

v- prędkość wiatru w m/s

D - średnica rotora [m]

H - wysokość piasty [m]

 

Rys.2 zasięg odłamków lodu przy różnych prędkościach wiatru i ciężarze  przy unieruchomionej siłowni wiatrowej

 

W tym wypadku pole rzutu tworzy się na szczęście za siłownią, po stronie zawietrznej, dzięki czemu można je lepiej przewidzieć. Generalnie autorzy pracy proponują, aby w stosunku do każdej siłowni wiatrowej tworzyć model zagrożeń, przyjmując jako punkt wyjścia prawdopodobieństwo oblodzenia w danej lokalizacji, prędkość wiatru, ilość osób znajdujących się w bezpośrednim sąsiedztwie (w zasięgu rzutu) siłowni w ciągu roku, itp. Na tej podstawie powinien być sporządzany wykres prawdopodobieństwa zranienia kawałkami lodu (np. na 15000 osób przemieszczających się rocznie w pobliżu siłowni wiatrowej prawdopodobieństwo trafienia odłamkami lodu wynosi 1trafienie na 300 lat)  i porównywany z innymi zagrożeniami na danym terenie (np. wypadki drogowe). Przy prawidłowej lokalizacji siłowni zagrożenie z jej strony nie powinno przewyższać innych zagrożeń.

 

Jeśli przyjąć powyższe rozważania, to dla typowej w warunkach polskich siłowni wiatrowej Vestas V90/2MW o wysokości masztu 105m i średnicy wirnika 90 m zasięg rzutu wyniesie (105+90)x1,5 =292,5m. Według prof. Grzegorza Pojmańskiego obliczenia takie są nieobiektywne i nie biorą pod uwagę wszystkich aspektów. Poprawna metodologia badań wymaga tutaj określenia warunków brzegowych problemu, zastosowania równań dynamiki dla ruchu bryły sztywnej i ich całkowania. W zagadnieniu, z jakim mamy do czynienia, podstawowym problem jest nieznajomość kształtu i rozkładu gęstości bryły podlegającej rzutowi. Rachunek można jednak wykonać metodą symulacji dla skończonej liczby przypadków szczególnych i odszukać “najgorszy możliwy scenariusz”, wynikający z praw fizyki.

W przypadku rzutu elementem oderwanym od turbiny warunki brzegowe określone są przez prędkość początkową v0 i punkt oderwania elementu x0 (początkowe wektory prędkości i położenia elementu), prędkość wiatru oraz kształt i rozkład masy w elemencie. Na element działa siła grawitacji Fg oraz siła aerodynamiczna RA , której składowe – siła oporu RD i siła nośna RL zależą od orientacji elementu względem chwilowego wektora prędkości v. Określenie współczynnika oporu CD i współczynnika siły nośnej CL dla dowolnej bryły nie jest w ogólności możliwe (w praktyce wyznacza się je w tunelu aerodynamicznym) i dlatego uzyskane rozwiązania są w pewnym stopniu przybliżone. Dla wielu brył (profil skrzydła turbiny, kula śniegowa, sopel) współczynniki te są jednak dość dobrze znane.

 

Rys.3 Trajektoria lotu odłamka lodu i działające na niego siły.

 

Jako przykładowe bryły rozważymy kulę (współczynnik oporu CD=0.47) i sopel (CD=0.82-1.17).
Wiarygodne uwzględnienie siły nośnej jest większości przypadków praktycznie niemożliwe. Siła ta działając na nieregularny fragment będzie miała dość przypadkową wartość a jej kierunek i zwrot będą się zmieniać podczas rotacji bryły. Może to oczywiście doprowadzić do zmiany trajektorii lotu, ale zważywszy, że działa ona prostopadle do kierunku lotu, nie powinna zmienić zasięgu w sposób istotny. Pełne rachunki aerodynamiczne przedstawione zostały m.in. przez Slegersa, który pokazał, że nawet dla profilu ściśle aerodynamicznego (urwany fragment łopaty) wpływ siły nośnej na zasięg rzutu i zachowanie głównej płaszczyzny rotacji bryły jest nieznaczny. Z tego powodu w przedstawionej analizie   nie uwzględniono wpływu siły nośnej na trajektorię lotu. Maksymalny zasięg rzutu uzyskuje się przy początkowym nachyleniu toru lotu ok. 45 stopni do horyzontu. Rzut z wyższego położenia (w prawo, nad turbiną) ma nieco dłuższą trajektorię, ale ostatecznie odłamek spada bliżej turbiny niż podczas rzutu z położenia niższego.

Rys.4 Zasięg rzutu z położenia wyższego i niższego.

 

ozewia18.gif

Rys.5 Trajektoria lotu kul lodowych o masach 0.1 kg (niebieski), 1 kg (zielony) i 10 kg (czerwony). Kolorem żółtym zaznaczono teoretyczną trajektorię bez oporu powietrza.

 

Rys.6 Trajektorie lotu sopli lodowych lecących jak strzała, masy jw.

Rys.7 Zasięg maksymalny rzutu w zależności od masy lodu. Kolor czerwony - sople lecące jak strzała, kolor niebieski – kule lodowe, zielony – sople obracające się.

 

Na ostatnim rys. przedstawiono zasięg rzutu w zależności od masy odłamka. Prędkość końcowa silnie zależy od masy odłamka i skaluje się liniowo z jej logarytmem:
Vkonc ~ 48 + 13 log(m) [m/s].
Oznacza to, że jednokilogramowy odłamek spadnie na ziemię z prędkością ok. 170 km/h. Według prof. często przytaczana jest opinia, że większość wyrzucanych odłamków spada w pobliżu turbiny. Symulacje pokazują, że to nieprawda. Ze względu na specyfikę krzywej balistycznej znaczna część przypadkowo wystrzeliwanych odłamków ląduje w pobliżu zasięgu maksymalnego. Ukazuje to rys. , na którym przedstawiono prawdopodobieństwo upadku w zależności od odległości od turbiny.

Rys. Prawdopodobieństwo upadku odłamka o masie 1kg w funkcji odległości od turbiny. Prawa część diagramu odpowiada rzutowi ponad wiatrakiem (w prawo), lewa część – rzutowi w lewo.

 

Widać na nim, że prawdopodobieństwo upadku odłamka najpierw maleje wraz z odległością od masztu, a następnie gwałtownie rośnie w pobliżu maksymalnego zasięgu rzutu. Z diagramu wynika, że 1/4 odłamków o danej masie poleci na odległość większą niż 85% zasięgu maksymalnego.

Kawałki lodu spadające wokół turbin mają zwykle niewielkie rozmiary. Wielokrotnie jednak znajdowano fragmenty o masie ponad 1 kg i rozmiarach rzędu 1m (np. 1.8 kg, 100 cm w Alpach szwajcarskich).
Zgodnie z przeprowadzonymi symulacjami oznacza to, że istnieje realne zagrożenie, że największe i najgroźniejsze odłamki mogą spadać w odległościach większych od 600-700 m.

 

Metody ochrony płatów przed oblodzeniem 

 

Na świecie stosowane są generalnie trzy systemy

- mechaniczny

- pasywny

- aktywny

 

Mechaniczny - najbardziej kosztowny i nie zawsze możliwy do zastosowania, polega na czyszczeniu mechanicznym płatów z lodu przy użyciu dźwigu. Metoda pracochłonna

 

Pasywny - polega na zastosowaniu  rozwiązań w konstrukcji płatów, które ochronią je przed oblodzeniem bez konieczności dostarczenia dodatkowej energii. Wyróżnić tutaj można:

- malowanie płatów na kolor czarny, metoda skuteczna ale w bardziej surowym klimacie, w klimacie umiarkowanym czarny kolor w lecie może być niebezpieczny dla laminatu z uwagi na nagrzewanie się do zbyt wysokiej temperatury.

   Fot. System ochrony pasywny tzw. Black point, płaty malowane na kolor czarny przyspieszający rozmrażanie

 

zalety

- łatwe i tanie do zastosowania

- badania w Yukonie (Kanada) wykazały wyraźną poprawę wydajności

- korzystne w miejscach gdzie oblodzenie jest niewielkie i występuje stosunkowo rzadko

wady

- skuteczność tylko przy słonecznym dniu

 

- specjalne płaszcze ochronne na płatach, rozwiązanie polega na zastosowaniu na płatach warstw super-hydrofobowych które utrudniają lub wręcz uniemożliwiają przywieranie wody i lodu,

Zaletą - niskie koszty wykonania i czysta gładka powierzchnia dodatkowo zabezpieczająca przed gromadzeniem się brudu. Wady - nie znaleziono do tej pory odpowiedniego materiału, który spełniałby wszystkie wymagania stawiane płatom. Testowane materiały ulegały stopniowej biodegradacji (pojawiała się chropowatość), hydrofobowość nie powodowała też całkowitego braku oblodzenia.

Metody chemiczne - polegają na aplikowaniu na powierzchnię płatów płynów (głównie na bazie glikolu propylenowego)  zapobiegających zamarzaniu. Technologia znana jest w lotnictwie. Wadą rozwiązania jest ograniczone w czasie działanie i konieczność ciśnieniowego nakładania z wykorzystaniem skomplikowanych urządzeń.

 

Systemy aktywne

Opierają się na zastosowaniu dwóch elementów

- czujnika oblodzenia

- elementu ochronnego włączanego w momencie pojawienia się zagrożenia

System aktywny wymaga zawsze dodatkowej energii, zwykle elektrycznej jest więc prądożerny i obniża przez to sprawność ogólną siłowni. Jego największą zaletą jest jednak to, że siłownia w momencie oblodzenia zachowuje się tak, jak w przypadku zbyt silnego wiatru, czyli wyhamowuje. Ponowne uruchomienie następuje dopiero po usunięciu zagrożenia. Zapobiega to wypadkom i niekontrolowanym przemieszczaniem się oderwanych od płatów kawałów lodu. Na świecie jest obecnie wiele rozwiązań stosowanych przez producentów turbin lub osobne konsorcja. Najpopularniejsze z nich to:

- Kelly Aerospace

- VTT (KAT)

- Enercon

- EcoTEMP

- IceCODE/Goodrich

- Simens

- Microwave

- LM Glasfiber

 

Większość z nich nie jest jednak jeszcze dobrze opisanych i pozostaje bardziej w stadium badań i ciekawostek technicznych niż praktycznych rozwiązań. Generalnie wyróżnić tutaj można dwa odrębne  rozwiązania:

Elektrycznie ogrzewane płaty - polega na zastosowaniu na płatach (głównie samych krawędziach natarcia) specjalnych folii grzewczych podłączonych do systemu elektrycznego siłowni i uruchamianych przy spadku temperatury poniżej  4-5C. Rozwiązanie jest znane z przemysłu lotniczego i stosowane w wielu konstrukcjach lotniczych. Jego wadą jest dość duży pobór mocy, przykładowo dla jednego płata siłowni o mocy znamionowej 600kW jest to 15 kW. 

Fot. Ogrzewane elektrycznie płaty.

 

  Folia grzewcza nie podnosi masy płata, nie zmienia jego geometrii i nie wpływa na sprawność aerodynamiczną. Może być instalowana w fabryce lub bezpośrednio na placu budowy. Rozwiązanie stosowane min. przez Kelly Aerospace.

 

Ogrzewanie płatów przy użyciu termowentylatora - to patent firmy Enercon. Płat w swojej wewnętrznej budowie podzielony jest na kanały umożliwiające cyrkulację powietrza. Gorące powietrze nawiewane jest od razu na krawędź natarcia płatu, gdzie najszybciej podnosi się jego temperatura. Poniżej jest to zilustrowane na zdjęciach z kamery termowizyjnej.

Rys.8 Enercon - płaty ogrzewane termowentylatorem.

ozewia105.jpg

ozewia106.jpg

Fot. Zdjęcia termiczne systemu wykonane na turbinie zainstalowanej w Alpach na wysokości 1600m.

 

Maksymalna temperatura nawiewanego powietrza nie przekracza tutaj 72ºC. System współpracuje z czujnikiem pogodowym i przy newralgicznym położeniu siłowni (w pobliżu dróg o dużym natężeniu ruchu) unieruchamia siłownię wymagając ręcznego jej restartu. W mniej wrażliwych lokalizacjach restart możliwy jest automatycznie.

 

(adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});