Winterwind fokuseraar på utmaningarna med att generera vindkraft i kallt klimat. En av talarna under konferensen var Massimo Galbiati från företaget EnginSoft, som kom för att diskutera hur produktionsförluster i kalla klimat kan förutspås med hjälp av datorstödd fluiddynamik.
Massimo Galbiati har arbetat med industriella tillämpningar av datorstödd fluiddynamik i 18 år och ansvarar som projektledare på EnginSoft för en forskningsgrupp som specialiserar sig på att simulera isbildning och system för avisning och anti-isbildning, inom framförallt luftfarts- och vindkraftsektorn.
I takt med att fler vindkraftverk installeras i kalla klimat menar Massimo Galbiati att årliga energiförluster, isdetektering, avisning och anti-isbildning för vindkraftverk blir allt mer relevanta ämnen för såväl de som driver vindkraftparker som de som tillverkar vindkraftverk.
Massimo Galbiati utgick i sin presentation under Winterwind 2016 från en forskningsrapport där han tillsammans med sina kollegor undersökt hur simuleringsverktyg kan utnyttjas för att förutspå energiförluster på grund av is, både för enskilda vindkraftverk och för kompletta vindkraftparker. Han förklarade dessutom hur samma simuleringsverktyg även kan användas för att designa och optimera avisnings- och anti-isbildningssystem.
Två sorters is
Isbildning på vindkraftverk sker enligt Massimo Galbiati då underkylda vattendroppar träffar rotorbladens yta. Beroende på de förhållanden som råder i atmosfären kan emellertid två olika former av is uppstå. Då vattendropparna fryser omedelbart vid kontakt med rotorbladen, vilket vanligtvis sker när temperaturen befinner sig långt under fryspunkten, bildas rimfrostis. Vid varmare förhållanden, då dropparna bara delvis fryser när de kommer i kontakt med rotorbladen och det resterande vattnet sedan fryser gradvis under tiden som det rör sig längs bladens yta, bildas däremot så kallad glattis.
– Eftersom ytegenskaperna och formen hos den is som bildas är väldigt olika i de två fallen kan glattis och rimfrostis ha väldigt olika inverkan på prestandan hos ett drabbat vindkraftverk, förklarar Massimo Galbiati.
Fyra scenarier
I sin forskning har Massimo Galbiati och hans forskningsgrupp använt sig av simuleringsverktyget FENSAP-ICE. Verktyget utvecklades ursprungligen för luftfartsindustrin, men dess förmåga att förutspå isbildning gör att det även är mycket användbart för vindkraftindustrin och dess noggrannhet har bekräftats med hjälp av experimentell data från vindkraftverk.
Under forskningsprojektet simulerades fyra olika scenarier där man studerade uppkomsten av både glattis och rimfrostis vid måttlig vindstyrka, samt uppkomsten av glattis vid hög vindstyrka och med stora underkylda droppar.
Forskarna kom bland annat fram till att rimfrostis främst bildas längs rotorbladets framkant, medan glattis täcker en större del av bladets yta. De fann även att en högre vindhastighet resulterar i att en ännu större yta täcks av is och att stora droppar ger både större täckning och ökad ismassa.
Efter att isens form beräknats i de olika fallen kunde sedan prestandan hos de nedisade rotorbladen jämföras med prestandan hos ett rent rotorblad och produktionsförlusterna kunde på så vis uppskattas.
Optimerat isskydd
Att förutspå isbildning är enligt Massimo Galbiati och hans kollegor också det första steget i designen av system för att skydda vindkraftverk mot is, eftersom effektbehovet hos anti-isbildningssystem framförallt är beroende av hur stor del av rotorbladet som värms upp och den effekt som tillförs per kvadratmeter.
I simuleringsverktyget FENSAP-ICE kan värmeöverföring från elektrotermiska processer eller varmluft inkluderas, vilket gör det möjligt att beräkna hur mycket ett rotorblad behöver värmas upp för att ytans temperatur inte ska sjunka under fryspunkten och för att den vattenfilm som bildas på bladet ska avdunsta. Massimo Galbiati menar därför att verktyget kan användas för att optimera hur stor del av rotorbladet som värms upp och den effekt som tillförs per kvadratmeter så att den totala energiförbrukningen blir så låg som möjligt.
Då väderförhållandena är så extrema att det är nödvändigt att stänga ner vindkraftverk måste de avisas innan de kan startas på nytt. Simuleringar kan i det här fallet enligt Massimo Galbiati hjälpa till vid designen av avisningssystem som använder sig av varmluft genom att optimera fördelningen av varmluft, tryckfallen, värmeflödena och temperaturenhetligheten över rotorbladet. Dessutom kan den tid som krävs för att höja ytans temperatur över fryspunkten och avisa rotorbladet utvärderas.
– Användningen av virtuella prototyper är mycket värdefull eftersom de gör det möjligt att jämföra prestandan och kostnaden för olika anti-isbildnings- och avisningssystem under verkliga fältförhållanden, hävdar Massimo Galbiati.
Simuleringar gör det dessutom möjligt att bedöma hur system för att skydda vindkraftverk mot is påverkas av olika väderförhållanden, som temperatur och vindhastighet, och andra faktorer, som höjd över havet.
