Ny teknik för avisning av vindkraftsvingar

• This is a pilot study to investigate icing on wings of wind power turbines. In this report we present and discuss various ways and means to either heat water droplets or melt ice when formed on the wings of wind turbines. The situation is different from icing on wings of airplanes in that (1) the wings of wind turbines spend all of their time in the atmosphere where the risk of icing is highest and (2) the speed of wing to air varies over the wing where it is constant for an airplane. The form of the wind turbine wings also varies from tip to centre, to compensate for the varying relative air speed.We have concentrated on icing conditions at temperatures -10°C – 0°C and droplet sizes of 1-10 μm. Icing occurs also at much lower temperatures, but this will probably be because of direct freezing of water vapour to ice. This is presently outside the scope of our pilot project report.We conclude thatThe form of the wing, especially on the contact area may be crucial to the icing problem.Also the nano-metric structure of the wing surface can probably be designed so that the water droplets have a minimized contact area to the wing.Our pilot investigation also suggests the following:Microwaves are much too inefficient to heat water or melt ice. Direct microwave devices should therefore not be developed. Indirect heating with microwaves is possible.Millimeter waves are sufficiently efficient, but the generation is most probably too inefficient to be of any practical use.Infrared waves are very efficient to heat water and melt ice and should be investigated.Heat conduction is also efficient and should be pursued. Using microwaves to heat the wing surface which then conduct heat to the water/ice is a very efficient and robust method.Our pre-study suggests that the solution to avoid icing or de-ice wings of wind turbines most probably is not one single technology. The form and surface structure of the wings play important role for icing conditions. Both variables have to be modified depending on the latitude and atmospheric climate. The surface structure also has to be designed to vary over the wing, both along and across to be optimized for the mean conditions at the site. In addition, heating of the impact area, or at least the possibility to heat this, may be important to avoid loss of energy output due to ice.Further research is required. We strongly suggest investigating the water droplet flow over the wing as function of the cross section form, and the contact with the wing surface as function of the surface structure (e.g. Lotus effect).The present report is the result of a pre-study project. We will now continue with a deeper project which will concentrate on the form and surface structure suggestions which results from our analysis and flow simulations.

• Denna rapport presenterar resultatet av en förstudie om tekniker för avisning av vindkraftverk. Rapporten presenterar och diskuterar möjliga metoder och tekniker för att antingen värma vattendroppar till över fryspunkten, eller smälta is som har bildats på vingen. Problematiken för vingar på vindkraftverk skiljer sig markant från nedisning av flygplansvingar i att: (1) vingar på vindkraftverk tillbringar all sin tid i den delen av atmosfären där risken för nedisning är som störst; och (2) hastigheten för vingen mot luft varierar med avstånd från rotationscentrum medan den är konstant över vingen på ett flygplan. Formen på vingen på ett vindkraftverk varierar också från toppen in till centrum för att kompensera för variationen av relativ hastighet mot luften.Rapporten koncentreras på isbildning inom temperaturintervallet -10°C – 0°C och droppstorlekar av 1- 10 μm. Nedisning sker även vid mycket lägre temperaturer, men då sker troligen isbildningen direkt från vattenånga.Vi drar följande slutsatser från vår studie:Formen på vingen, speciellt vid kontaktytan mot gasflödet, kan ha betydelse för nedisning.Nano-strukturen av ytan på vingen kan troligen konstrueras så att vattendropparna får enminimal kontaktyta mot vingen.Vår förstudie visar dessutom:Mikrovågor är alltför ineffektiva för att värma rent vatten eller smälta is. Tekniker för direktstrålning av mikrovågor mot vatten eller is på vingar bör således inte vidare utvecklas.Millimetervågor är tillräckligt effektiva, men generationen av vågor på så höga frekvenser ärtroligen alltför ineffektiv för att detta ska vara en möjlig väg framåt.Infrarött ljus är mycket effektivt för att värma vattendroppar eller smälta is och bör undersökasvidare.Värmeledning är också effektivt och bör utvecklas. En robust och effektiv metod kan vara attvärma vingytan med mikrovågor så att kontakten mot den varma ytan smälter isen.Vår förstudie visar att problematiken med undvikande av isbildning på, eller avisning av, vindkraftsverk inte har sitt svar i en enda teknik. Formen på vingen och strukturen på dess yta kan spela en viktig roll i förhållandena för isbildning. Båda dessa variabler kan behöva varieras beroende på latitud och atmosfäriskt klimat. Ytstrukturen måste troligen också variera över vingytan, både längs med vingen och tvärs, för att optimera för de lokala förhållandena. Dessutom kan smältning av is medelst värmning av vingytan vara en viktig extra möjlighet för att undvika effektförluster.Mer forskning är nödvändig, men vi sammanfattar att det största intresset just nu är att studera flödet av droppar över vingen som funktion av tvärsnittsytans form och kontakten mellan vingytan som funktion av ytstrukturen (t.ex. Lotus effekten).Denna rapport är resultatet av ett förstudieprojekt. Vi ämnar nu fortsätta med ett djupare forskningsprojekt som koncentreras på formen och ytstrukturen enligt vad som framkommit av vår analys och våra datorsimuleringar.

Nyckelord

De-icing

Wind turbines

TECHNOLOGY

TEKNIKVETENSKAP

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

rap (ämneskategori)