Accretion and removal of wind turbine icing in polar conditions

No Thumbnail Available

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Master's thesis
Checking the digitized thesis and permission for publishing
Instructions for the author

Authors

Date

2010

Department

Sovelletun mekaniikan laitos

Major/Subject

Lentotekniikka

Mcode

Kul-34

Degree programme

Language

en

Pages

78

Series

Abstract

Due to inversion layers, prevailing winds around the summits of fells in Finnish Lapland enjoy winter wind speeds close to the prevailing geostrophic wind. However, harnessing the fells' potential for wind power generation requires modification of existing wind turbines to prevent ice build-up, which occurs on higher fells for up to seven months of the year. The pioneering field experiments described here showed that without active ice removal wind turbine operations are commercially unattractive on fells. The thesis reviews the reasons for high winter winds on fells as well as the parameters affecting ice accretion rates. Icing field trials with an experimental wind turbine on Pyhätunturi fell are described followed by a review of ice detectors and ice removal techniques currently on the market for wind turbines. Also presented are some aerodynamic consequences of rotor blade icing, as well as the static and dynamic effects of ice loads on wind turbines. At the present time, the icing problem for wind turbines on fells is almost solved. Ten years' experience with blade heaters developed in Finland has shown that for use on fells the heated area backward of the rotor blades' leading edge needs to be expanded somewhat from the current designs. Without this, secondary icing of melt water may occur at the trailing edge during the most severe icing weather. Heating the rotor blades takes some 5 - 6 per cent of rated power, and around three per cent of annual energy production, which is acceptable and still leaves the production potential of fells at greater than or equal to the best coastal and offshore sites in Finland. Power losses to blade heating could be lessened if current ice detectors can be made more sensitive to identifying incipient icing events, and to retain their sensitivity even after long periods of persistent icing.

Toistuvat ilmastolliset inversiot aiheuttavat Suomen Lapissa ilmiön, jossa inversiokerrosten yläpuolella tuntureiden laeilla tuuli on lähellä geostrofista tuulennopeutta. Näiden tuulien valjastaminen tuulisähkön tuotantoon edellyttää jäätymisen estolaitteiden asentamista tuulivoimaloihin, sillä tuntureilla esiintyy jäätymistä noin seitsemän kuukautta vuodesta. Tässä työssä esitetyt kenttäkokeet osoittavat, ettei Lapin tuulivoiman kaupallinen hyödyntäminen ole mielekästä ilman tuulivoimaloiden lapojen aktiivista jäänpoistoa. Diplomityössä esitellään Lapin tuntureiden tuulisuusilmiöön sekä jäätymisen voimakkuuteen vaikuttavat seikat. Seuraavaksi kuvataan jäätymiskokeet, jotka suoritettiin Pyhätunturin laelle pystytetyllä koetuulivoimalalla. Tämän jälkeen esitellään jäätymisen aerodynaamisia ja rakenteellisia vaikutuksia tuulivoimalaan ja sen sähkötuotantoon sekä viimeisenä alkavan jäätymisen varhaiseen tunnistamiseen sekä jäänpoistoon käytettävissä olevia keinoja. Tuulivoimaloidenjäätymisongelmat tuntureilla on lähes ratkaistu. Kymmenen vuoden käyttökokemus Suomessa kehitetyistä lapalämmitysjärjestelmistä on osoittanut, että lapojen etureunan lämmitettävän alan pitää ulottua alun perin suunniteltua pidemmälle jättöreunan suuntaan. Muuten ankarissa jäätymisolosuhteissa etureunan sulamisvedet saattavat muodostaa uutta jäätä jättöreunalle. Tuulivoimalan lapojen lämmittäminen vie tehosta noin 5 - 6 prosenttia sekä noin kolme prosenttia energian vuosituotannosta. Tämä on hyötyyn nähden kannattavaa, sillä Lapin tunturit ovat yhtä tuulisia kuin Suomen parhaat avomerikohteet. Voimalan lapojen lämmitykseen kuluvan energian määrää voitaisiin entisestään alentaa, jos jäätymisen alkaminen kyettäisiin havaitsemaan paremmin ja havaitsemislaitteet säilyttäisivät herkkyytensä myös pitkien jäätymisjaksojen jälkeen.

Description

Supervisor

Soinne, Erkki

Thesis advisor

Holttinen, Esa

Keywords

Other note

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-2020122357741

Collections

[dipl] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG