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.
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
Ochrona przed lodem może mieć charakter aktywny lub pasywny. Możemy też mówić o systemach przeciwoblodzeniowych, których zadaniem jest przeciwdziałanie powstawaniu lodu na płatach, jak i o systemach odladzania płatów, z lodu już powstałego. Poniżej zostaną scharakteryzowane zarówno metody stosowane w praktyce, jak i te będące w fazie testów. Materiał powstał głównie na bazie książki Lorenzo Battisti „Wind Turbines in Cold Climates Icing Impacts and Mitigation Systems” oraz „Ice protection systems for wind turbines in cold climate: characteristics, comparisons and analysis”
Systemy pasywne – to rozwiązania chroniące przed oblodzeniem bez wykorzystywania do tego celu dodatkowej energii. Wykorzystuje się tutaj głównie metody chemiczne które mają na celu:
– wydłużyć proces tworzenia się lodu
– utrudnić przyleganie lodu do powierzchni
Do metod tych zalicza się też malowanie płatów ciemnymi lakierami, które podnoszą temperaturę powierzchni z wykorzystaniem naturalnej energii słońca
Istnieje kilka sposobów na osłabienie siły przylegania lodu do powierzchni płatów. Najczęściej jest to wykonanie powłoki lodofobowej o niskiej energii powierzchniowej. Najpopularniejsze materiały to politetrafluoroetylen (PTFE) zwany też popularnie teflonem, polidimetylosiloksan (PDMS) lub Wearlon. Zamiast powłok lodofobowych można stosować zwykłe powłoki hydrofobowe, ograniczające przywieranie wody do płatów. Udowodniono jednak, że hydrofobowość nie zawsze jest wystarczająca, aby zapobiec tworzeniu się lodu. Doświadczenia pokazują, że w temperaturze -15 ° C kropelki wody na polerowanym aluminium potrafią zamarzać w ciągu 5 sekund, a ich zamrażanie było opóźnione do 12–13 minut na super hydrofobowych nanokompozytowych powierzchniach domieszkowanych proszkiem ceru lub tytanu.
Fot. Obrazy z mikroskopu elektronowego powierzchni płatu. Pierwotna powierzchnia ostrza (po lewej); Obrazowanie powierzchni płatu pokrytego PTFE, chropowatość wynosiła 40 nm (po prawej).
– 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
Operacyjne zatrzymanie
Zaliczane do metod pasywnych, polega na zatrzymywaniu turbiny wiatrowej, gdy tylko zacznie się oblodzenie. Gdy turbina wiatrowa nie działa, lód wolniej się osadza na łopatach i turbina może być później szybciej uruchomiona. Metoda ta jest niestety mało opłacalna ekonomicznie.
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:
– metody mechaniczne
– metody termiczne
Metody mechaniczne
W metodach mechanicznych IPS wykorzystywane są
– wstrząsy mechaniczne w celu kruszenia lodowych narośli, wykorzystują min. .
wibracje, impulsy elektromagnetyczne, ultradźwięki,
– odkształcanie powierzchni, np. metodami magnetycznymi, ciśnieniem powietrza; do tej kategorii można też zaliczyć elastyczność płatów,
– powłoki ruchome, na krawędziach płatów stosowane są nakładki wykonane z gumy na bazie lateksu lub silikonu które można w odpowiednim momencie mechanicznie naciągnąć, w wyniku czego lód pęknie i odpadnie.
Nie wszystkie z powyższych rozwiązań mają zastosowanie w elektrowniach wiatrowych. Część spotyka się tylko w lotnictwie.
Metody termiczne
W metodach termicznych IPS, dodatkowe źródło ciepła ma za zadanie albo podniesienie temperatury kropelek wody, zanim uderzą one w ciało, albo przez podgrzanie części powierzchni obejmującej obszar uderzenia wody (plus dodatkowy obszar bezpieczeństwa). Pierwsza metoda zaliczana jest do technologii przyszłości i jest na razie na etapie badań. W przypadku drugiej metody ciepło potrzebne do zapobiegania oblodzeniu można dostarczyć za pomocą dwóch strategii ogrzewania, tj.
– przez rozproszone wytwarzanie ciepła (powłoki elektryczne i efekt Joule’a)
– przez skoncentrowane wytwarzanie ciepła (gorące powietrze wtłaczane przez wentylator).
Energia potrzebna do wytworzenia ciepła pochodzi zwykle z samej elektrowni wiatrowej i może prowadzić do obniżenia jej sprawności.
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.
Elektryczne folie grzewcze mają swoje wady. Użycie do ich produkcji materiałów takich jak włókna węglowe czy metal powodują przyciąganie piorunów. Elementy takie mają też wpływ na wytrzymałość mechaniczną samego płatu, stanowiąc obcy materiał w stosunku do GRP z którego jest zbudowany. Jeszcze większym problemem jest zamarzanie spływającej wody. System grzewczy w tym wypadku utrzymuje w czystości tylko krawędź natarcia płatu, za nią woda potrafi ponownie zamarzać tworząc ostre struktury obniżające aerodynamikę.
Płaty ogrzewane powietrzem
Zastosowanie gorącego powietrza w turbinach wiatrowych wynika z dużej prostoty i niezawodności systemu. Istnieją zasadniczo dwie możliwe konfiguracje systemu przeciwzamrożeniowego powietrza w kanałach, tj. Układ otwarty i obieg zamknięty, obie uzyskane przez umieszczenie odpowiednich ścian działowych wewnątrz łopatki. W systemie z obiegiem otwartym gorące powietrze wpływa u nasady łopatki i przepływa w kierunku końcówki w kanale zbudowanym w obszarze krawędzi natarcia, gdzie zapotrzebowanie na ciepło przeciw oblodzeniu jest największe. Ściana działowa może ewentualnie pokrywać się z dźwigarem łopaty.
Rys. Schematy płatów z przepływem powietrza otwartym (po lewej) i zamkniętym (po prawej).
W systemach otwartych powietrze do płatu wpływa na zasadzie podciśnienia wytwarzanego przez ruch obrotowy wirnika. Przepływ masowy powietrza zależy tutaj od jego temperatury wlotowej, oporów przepływu (kształtu kanału, jego długości), prędkości obrotowej płatu, ciśnienia powietrza wlotowego. Doprowadzone powietrze jest usuwane na końcu płatu. Zaletą rozwiązania jest jego prostota i brak dodatkowego poboru energii do napędu wentylatora. Wadą ogrzewanie tylko krawędzi natarcia płatu.
W systemach obiegowych zamkniętych, zastosowano cyrkulację powietrza. Wewnątrz płatu znajdują dwa lub nawet więcej kanałów w których przepływ powietrza wymuszony jest przez wentylator. Schłodzone powietrze po przejściu przez przednią część płatu powraca płynąc przez część środkową i po ogrzaniu jest cyklicznie wtłaczane do płatu. Zaletą systemu jest ochrona przed oblodzeniem także środkowych i częściowo tylnych części płata, gdzie dochodzi do wtórnego zamarzania roztopionego śniegu i lodu. Mimo większej złożoności system zamknięty jest bardziej ekonomiczny, pozwala też na skuteczne odlodzenie przy niższych temperaturach powietrza. Pokazują to poniższe wykresy.
Rys. Ryzyko tworzenia się lodu dla systemu otwartego przepływu powietrza (po lewej) i zamkniętego z cyrkulacją (po prawej), w zależności od prędkości wiatru, temperatury zewnętrznej i temperatury nawiewanego powietrza.
Generalnie zalety systemów odladzania przy użyciu gorącego powietrza w stosunku do folii grzewczych to:
– brak wpływu systemu na geometrię łopaty
– brak zagrożenia ze strony przewodnictwa elektrycznego i uderzenia pioruna
Wady:
– duża izolacyjność materiału łopat GRP wymagająca wysokich temperatur powietrza
Praktyczne zastosowanie powyższego systemu wprowadziła firma ENERCON. Enercon zapewnia dwie różne zasady działania systemu zapobiegania oblodzeniu łopatek wirnika, jedną dla pracy turbiny (zapobieganie oblodzeniu), a drugą dla postoju (odladzanie). Każda łopata wirnika ma indywidualny system odladzania. Na każdej stopie łopatki zainstalowano termowentylator, zasilający elektryczny wymiennik ciepła, który podgrzewa powietrze do maksymalnie 72 ◦C. Zużycie energii na łopatkę waha się od 12,2 kW dla około 20 m długości łopatek modelu E44 900 kW do 23,8 kW dla około 40 m długości łopatek turbiny E82 2000–3 000 kW.
Rys.8 Enercon – płaty ogrzewane termowentylatorem.
Fot. Zdjęcia termiczne systemu wykonane na turbinie zainstalowanej w Alpach na wysokości 1600m.
System odladzania płatów może być obsługiwany automatycznie lub ręcznie.
W trybie automatycznym po wykryciu lodu wirnik turbiny wyłącza się, a system jest aktywowany. Turbina uruchamia się ponownie automatycznie po zdefiniowanym okresie ogrzewania. Odladzanie przy zatrzymanej turbinie zmniejsza ryzyko wyrzucania lodu. Kiedy odladzanie jest stosowane podczas pracy turbiny, system ma wykrywać lód i topić go na bardzo wczesnym etapie rozwoju. W przypadku wykrycia bardzo trudnych warunków, gdy mimo aktywacji systemu odladzania lód nadal rośnie, turbina zostanie zatrzymana i zastosowane zostanie odladzanie podczas postoju. Określony empirycznie zakres tolerancji na lód jest stosowany do konkretnej turbiny. Jest to oparte na symulacjach i testach opracowanych przez firmę w kilka lat. System ogrzewania łopat wirnika nie zapobiega gromadzeniu się lodu, ale znacznie skraca czas potrzebny do jego stopienia. Turbiny wyposażone w odladzanie łopat wirnika ponownie uruchamiają się po okresie nagrzewania, który zwykle trwa kilka godzin. Jeśli wymagane jest, aby turbina pozostała wyłączona po wykryciu lodu, można odpowiednio ustawić parametry układu sterowania. W takim przypadku turbinę można uruchomić ponownie tylko ręcznie.