Do tej pory na całym świecie zainstalowano prawie 800 GW energii wiatrowej, a przed nami znacznie więcej. 

Jednak w lutym w Teksasie doszło  oblodzenia turbin, co pokazało, jak są one wrażliwe na ten typ zjawiska atmosferycznego. Hui Hu z Iowa State University podsumowuje badania swojego zespołu dotyczące rozwiązania tego problemu, który może obniżyć wydajność o 20 proc. lub nawet całkowicie wyłączyć turbiny z pracy. Wyjaśnia, dlaczego istniejące rozwiązania do odladzania skrzydeł samolotów są tylko częściowe. Metalowe skrzydła samolotu można łatwo podgrzać, a kompozytowe łopaty wiatrowe na bazie polimeru już nie. Co gorsza, może być więcej wody w powietrzu na poziomie gruntu, a znacznie więcej na morzu. 

Efektywność turbin wiatrowych

Łącząc staranne eksperymenty w tunelu aerodynamicznym z kamerami dronów obserwującymi turbiny na żywo, rozwiązaniem wydaje się być odpowiednia kombinacja ogrzewania (dla łopaty głównej) oraz powłok wodoodpornych. Największa efektywność turbin wiatrowych jest zimą ze względu na duże prędkości wiatru oraz gęstość powietrza, która maksymalizuje proces wytwarzania energii. W regionach gdzie występują mroźne zimy - a w przypadku Teksasu - uważano, że tak nie jest - ochrona turbin  przed oblodzeniem jest niezbędna.

Zima ma być najlepszą porą roku dla energetyki wiatrowej - wiatry są silniejsze, gęstość powietrza rośnie wraz ze spadkiem temperatury, a w rezultacie daje to nacisk większej siły na łopaty.  Ale zima to także problem: mroźna pogoda.

Nawet lekkie oblodzenie może wytworzyć wystarczającą szorstkość powierzchni łopatek turbiny wiatrowej, zwiększając współczynnik tarcia i tym samym zmniejszyć ich wydajność aerodynamiczną, co w konsekwencji zmniejsza ilość wytwarzanej przez nie mocy.

Często występujące, silne oblodzenie może obniżyć roczną produkcję energii farmy wiatrowej o ponad 20 proc., co kosztuje branżę setki milionów dolarów.

Utrata mocy to nie jedyny problem spowodowany oblodzeniem. Nierówny sposób formowania się lodu na łopatach może powodować zaburzenia równowagi, powodując szybsze zużywanie się części turbiny. Może również wywoływać wibracje, które powodują wyłączenie turbin. W przypadku silnego oblodzenia ponowne uruchomienie turbin może trwać wiele godzin, a nawet dni.

Odladzanie skrzydeł samolotu niewiele nas uczy

Rozwiązanie jest oczywiste: przede wszystkim odladzaj ostrza lub znajdź sposób, aby zapobiec tworzeniu się lodu. Jak dotąd jednak większość strategii zapobiegania oblodzeniu łopat turbin wiatrowych pochodzi z lotnictwa. Skrzydła samolotu i turbiny wiatrowe są zbudowane inaczej i działają w bardzo różnych warunkach.

Nie każdy lód jest taki sam

Lód nie jest wszędzie taki sam. Może pochodzić z opadów atmosferycznych, chmur lub mrozu. Zamarza również na różne sposoby w różnych klimatach. Na przykład oblodzenie szadźowe, powstające, gdy małe, przechłodzone kropelki wody uderzają w powierzchnię, zwykle występuje w regionach o względnie suchym powietrzu i niższych temperaturach, poniżej –6,7°C. 

Oblodzenie o charakterze glazury wiąże się z dużo bardziej wilgotnym powietrzem i wyższymi temperaturami. To najgorszy rodzaj lodu dla łopat turbin wiatrowych. Tworzy skomplikowane kształty lodu ze względu na swój mokry charakter, co powoduje większą utratę mocy. Jest też prawdopodobne, co powstało w Teksasie w lutym 2021 roku.

Badanie lodu: tunele aerodynamiczne i drony

Budowanie elektrowni wiatrowej, która może sprawnie  pracować w warunkach, gdzie dochodzi do oblodzenia, wymaga dogłębnego zrozumienia leżącego u podstaw fizyki, zarówno tego, jak tworzy się lód, jak i degradacji wydajności, która jest wynikiem gromadzenia się lodu na łopatach turbiny.

Aby zbadać te siły, zespół Hui Hu użył w swoich badaniach specjalnego tunelu aerodynamicznego oraz dronów, aby pokazać, jak tworzy się lód na łopatach turbin.

Korzystając z tunelu Icing Research Tunnel na Iowa State University, zespół odtwarzał złożone kształty 3D lodu powstającego na modelach łopatek turbin w różnych środowiskach, aby zbadać, jak wpływają one na turbiny. Lód może powodować masywną separację przepływu powietrza. W konsekwencji zmniejsza ich prędkość obrotową i ilość wytwarzanej przez nie mocy.

Zespół bada również turbiny wiatrowe działające w całym kraju, w najtrudniejszych warunkach atmosferycznych. Naukowcy użyli dronów wyposażonych w kamery cyfrowe o wysokiej rozdzielczości, aby  zawisnąć przed wysokimi na 80 metrów turbinami wiatrowymi i fotografować lód zaraz po tym, jak utworzy się on na łopatach. Połączenie tego z danymi dotyczącymi produkcji energii przez turbiny pokazuje, jak lód wpływa na produkcję energii.

Podczas gdy lód może tworzyć się na całej rozpiętości ostrza, znacznie więcej lodu znajduje się w pobliżu końcówek. Po jednym 30-godzinnym oblodzeniu znaleźliśmy lód o grubości 30 cm. Pomimo silnego wiatru obciążone lodem turbiny obracały się znacznie wolniej, a nawet wyłączały się. Wytwarzały w tym okresie tylko 20 proc. swojej normalnej mocy.

Utrzymywanie lodu z dala od ostrzy

Istnieje kilka powodów, dla których strategie, które skutecznie chronią skrzydła samolotu przed oblodzeniem, nie są tak skuteczne w przypadku łopat turbin wiatrowych.

Jednym z nich są materiały, z których są wykonane. Podczas gdy skrzydła samolotu są zwykle wykonane z metali, takich jak stop aluminium, turbiny wiatrowe są wykonane z kompozytów na bazie polimerów.

Metal efektywniej przewodzi ciepło, więc systemy termiczne, które rozprowadzają ciepło, są bardziej efektywne w skrzydłach samolotu.

Polimerowe łopaty turbiny są również bardziej narażone na zderzenia z pyłami i owadami, które mogą negatywnie wpływać na gładkość powierzchni łopat, i tym samym spowolnić spływ wody, tworząc warunki sprzyjające powstawaniu lodu. Turbiny wiatrowe są bardziej podatne na kontakt z marznącym deszczem i innymi czynnikami, takimi jak aerozole oceaniczne, w przypadku instalacji na morzu.

Większość obecnych metod zapobiegania oblodzeniu i odladzaniu turbin wiatrowych usuwa ten problem poprzez ogrzewanie elektryczne lub wdmuchiwanie do środka gorącego powietrza. Ogrzewanie tych ogromnych obszarów, które są wielokrotnie większe niż skrzydła samolotu, zwiększa koszt eksploatacji turbiny, jest nieefektywne i energochłonne. Łopaty turbiny na bazie kompozytów można również łatwo uszkodzić w wyniku przegrzania. Jest jeszcze jeden problem: woda z topniejącego lodu może po prostu cofać się i zamarzać w innym miejscu.

Inną strategią w regionach o zimnej pogodzie jest stosowanie powłok powierzchniowych, które odpychają wodę (jak w przypadku zjawisk kohezji) lub zapobiegają przywieraniu lodu. Jednak żadna z powłok nie była w stanie całkowicie wyeliminować oblodzenia, szczególnie w krytycznych obszarach w pobliżu przednich krawędzi łopat.

Lepsze rozwiązanie

Zespół aktualnie opracowuje nowatorską metodę wykorzystującą elementy obu technologii. Ogrzewając tylko krytyczne obszary - w szczególności przednie krawędzie łopat oraz stosując powłoki odpychające wodę i lód, można zmniejszyć ilość potrzebnego ciepła i zminimalizować ryzyko cofania się wody, która może ponownie zamarznąć na powierzchni łopat. Rezultat skutecznie zapobiega tworzeniu się lodu na całych powierzchniach łopatek turbiny.

W porównaniu z konwencjonalnymi metodami ogrzewania powierzchniowego zastosowana hybrydowa strategia zużywała znacznie mniej energii, co daje do 80 procent oszczędności. Bez lodu, który spowalnia działanie, turbiny mogą wytwarzać więcej mocy w okresie zimowym.

Ponieważ rynek energetyki wiatrowej szybko się rozwija i wypiera konwencjonalne źródła energii, bardziej zanieczyszczające środowisko, strategie odladzania i zabezpieczania przed oblodzeniem stają się niezbędne.