علم پشت توربین های بادی یخ زده - و چگونه می توان آنها را در طول زمستان چرخاند

Hui Hu بودجه ای از بنیاد ملی علوم (NSF) و مرکز انرژی آیووا (IEC) برای مطالعه فیزیک بستر توربین بادی و ضد/یخ زدگی دریافت می کند.

شرکای

دانشگاه ایالتی آیووا به عنوان عضو مکالمه ایالات متحده بودجه تأمین می کند.

قرار است زمستان بهترین فصل برای نیروی باد باشد - وزش باد شدیدتر است و از آنجا که با کاهش دما ، تراکم هوا افزایش می یابد ، نیروی بیشتری روی پره ها فشار می یابد. اما زمستان نیز با مشکل روبرو می شود: هوای انجماد.

حتی یخ زدن سبک می تواند زبری سطح کافی را روی تیغه های توربین بادی ایجاد کند تا راندمان آیرودینامیکی آنها را کاهش دهد ، که باعث کاهش میزان قدرت تولید شده آنها می شود ، همانطور که تگزاس در ماه فوریه تجربه کرد.

یخچال های مکرر شدید می تواند تولید سالانه انرژی مزرعه بادی را بیش از 20 ٪ کاهش دهد و این صنعت صدها میلیون دلار هزینه دارد. از دست دادن برق تنها مشکل یخ زدن نیست. شکل های ناهموار یخ روی تیغه ها می توانند عدم تعادل ایجاد کنند و باعث می شود قطعات توربین سریعتر از بین برود. همچنین می تواند ارتعاشاتی را که باعث خاموش شدن توربین ها می شود ، القا کند. در مورد بستنی شدید ، شروع مجدد توربین ها ممکن است ساعت ها و روزهای بالقوه امکان پذیر نباشد.

راه حل واضح است: تیغه ها را از بین ببرید ، یا راهی برای جلوگیری از شکل گیری یخ در وهله اول پیدا کنید. با این حال ، تاکنون بیشتر راهکارهای برای نگه داشتن یخ توربین های بادی از هواپیمایی از حمل و نقل هوایی ناشی می شود. و بال هواپیما و توربین های بادی متفاوت ساخته شده و تحت شرایط بسیار متفاوتی کار می کنند.

من یک مهندس هوافضا و مکانیک هستم ، و همکارانم و من در طی 10 سال گذشته در حال مطالعه فیزیک یخچال های توربین بادی بوده ام و راه حل های بهتری برای محافظت از بستر توربین را بررسی می کنیم.

همه یخ ها یکسان نیستند

یخ در همه جا یکسان نیست. این ممکن است از بارش ، ابرها یا یخبندان ناشی شود. همچنین در آب و هوای مختلف به روش های مختلف منجمد می شود.

به عنوان مثال ، یخ زدگی RIME ، هنگامی که قطرات آب کوچک و فوق العاده ای به سطح برخورد می کند ، تشکیل می شود ، معمولاً در مناطقی با هوای خشک نسبی و دمای سردتر ، زیر 20 F رخ می دهد. این همان چیزی است که ما به طور معمول در آیووا و سایر ایالت های میانه غربی در زمستان می بینیم.

مقایسه یخ های یخ و یخ های لعاب نشان می دهد که چگونه هر یک از بافت تیغه را تغییر می دهد. گائو ، لیو و هو ، 2021 ، CC توسط ND

یخ زدن لعاب با هوای بسیار مرطوب تر و دمای گرمتر همراه است و معمولاً در ساحل شمال شرقی مشاهده می شود. این بدترین نوع یخ برای تیغه های توربین بادی است. این شکل به دلیل ماهیت مرطوب ، شکل یخ پیچیده را تشکیل می دهد که منجر به از بین رفتن قدرت بیشتر می شود. همچنین به احتمال زیاد آنچه در فوریه 2021 در تگزاس شکل گرفت ، هنگامی که هوای سرد از شمال با هوای مرطوب از ساحل خلیج فارس برخورد کرد. در حالی که اکثر نیروهای خاموش در اثر طوفان ناشی از گاز طبیعی ، زغال سنگ یا هسته ای بود ، توربین های بادی نیز تلاش می کردند.

در یک تونل بادی وسوسه می شود

ایجاد یک عملیات بادگیر که می تواند در شرایط یخی رشد کند ، نیاز به درک کاملی از فیزیک اساسی دارد ، هم چگونگی شکل یخ و هم تخریب عملکرد که ناشی از ایجاد یخ بر روی تیغه های توربین است.

برای کشف این نیروها ، ما از یک تونل بادی ویژه استفاده می کنیم که می تواند نشان دهد که چگونه یخ روی نمونه های تیغه های توربین و هواپیماهای بدون سرنشین مجهز به دوربین پرواز می کند.

با استفاده از تونل تحقیقاتی ICING در دانشگاه ایالتی آیووا ، تیم من در حال تکرار شکل های پیچیده سه بعدی شکل یخ بر روی مدل های تیغه توربین در محیط های مختلف است تا چگونگی تأثیرگذاری بر باد و تیغه ها را بررسی کند. یخ می تواند جدایی گسترده جریان هوا را ایجاد کند. در هواپیماها ، این یک وضعیت خطرناک است که می تواند باعث ایستادن آنها شود. در توربین های بادی ، سرعت چرخش آنها و میزان قدرت تولید آنها را کاهش می دهد.

ساخت یخ جریان هوا را در اطراف تیغه توربین تغییر می دهد ، که می تواند آن را کند کند. عکس های برتر نشان می دهد که یخ بعد از 10 دقیقه در دمای مختلف در تونل تحقیقات باد شکل می گیرد. اندازه گیری های پایین تر با تجمع یخ ، جداسازی جریان هوا را نشان می دهد. تونل تحقیقاتی در دانشگاه ایالتی آیووا ، CC BY-ND

ما همچنین توربین های بادی را در سراسر کشور به کار می گیریم زیرا آنها با برخی از سخت ترین شرایط خود روبرو هستند.

با استفاده از هواپیماهای بدون سرنشین مجهز به دوربین های دیجیتال با وضوح بالا ، می توانیم جلوی توربین های بادی 80 متر به ارتفاع معلق باشیم و درست بعد از شکل گیری روی تیغه ها از یخ عکس بگیریم. جفت شدن با داده های تولید توربین به ما نشان می دهد که چگونه یخ بر تولید برق تأثیر می گذارد.

در حالی که یخ می تواند در کل دهانه تیغه شکل بگیرد ، یخ بسیار بیشتری در نزدیکی نکات یافت می شود. بعد از یک رویداد یخبندان 30 ساعته ، یخ را به اندازه یک پا ضخامت پیدا کردیم. با وجود باد زیاد ، توربین های یخ سنگین بسیار کندتر چرخیدند و حتی خاموش شدند. توربین ها در طی آن دوره تنها 20 ٪ از قدرت عادی خود را تولید می کردند.

نگه داشتن یخ از تیغه ها

چند دلیل وجود دارد که استراتژی هایی که به طور موثری یخ های هواپیما را از بین می برد ، برای تیغه های توربین بادی مؤثر نیست.

یکی موادی است که از آنها ساخته شده است. در حالی که بال هواپیما به طور معمول از فلزاتی مانند آلیاژ آلومینیوم ساخته شده است ، توربین های بادی در مقیاس ابزار از کامپوزیت های مبتنی بر پلیمر ساخته شده اند. فلز گرما را به طور مؤثرتری انجام می دهد ، بنابراین سیستم های مبتنی بر حرارتی که گرما را گردش می کنند در بال های هواپیما مؤثرتر هستند. تیغه های توربین مبتنی بر پلیمر نیز به احتمال زیاد تحت پوشش گرد و غبار و تصادفات حشرات قرار می گیرند که می تواند باعث تغییر صاف بودن سطح تیغه و آهسته شدن آب در حال خاموش شدن تیغه و ترویج تشکیل یخ شود.

توربین های بادی همچنین مستعد ابتلا به برخوردها با باران انجماد و سایر محیط های کم ارتفاع و با آب و هوای بالا مانند اسپری اقیانوس برای توربین های بادی دریایی هستند.

بیشتر روشهای ضد یخ زدگی و یخ زدن توربین بادی فعلی ، ساخت یخ را از طریق گرمایش برقی یا دمیدن هوای گرم در داخل آن از بین می برد. گرم کردن این مناطق عظیم ، که بارها از بال های هواپیما بزرگتر است ، به هزینه توربین می افزاید و ناکارآمد و انرژی زا است. تیغه های توربین مبتنی بر کامپوزیت نیز می توانند به راحتی با گرمای بیش از حد آسیب ببینند. و یک مشکل دیگر وجود دارد: آب از ذوب کردن یخ ممکن است به سادگی به عقب برگردد و در جای دیگر دوباره پر کند.

استراتژی دیگر در مناطق هوای سرد استفاده از پوشش های سطحی است که آب را دفع می کند یا از چسبیدن یخ جلوگیری می کند. با این حال ، هیچ یک از پوشش ها نتوانسته اند یخ را به طور کامل از بین ببرند ، به خصوص در مناطق بحرانی در نزدیکی لبه های پیشرو تیغه ها.

یک راه حل بهتر

تیم من در حال توسعه روشی جدید است که از عناصر هر دو فناوری استفاده می کند. با گرم کردن فقط مناطق بحرانی- به ویژه لبه های پیشرو تیغه ها- و با استفاده از روکش های ضد آب و یخ ، ما توانستیم میزان گرمای مورد نیاز و خطر دویدن آب را برای استفاده مجدد از سطح تیغه کاهش دهیم. نتیجه به طور موثری مانع از تشکیل یخ در کل سطوح تیغه های توربین می شود.

در مقایسه با روشهای مرسوم گرم شدن سطح حرکات بی رحمانه ، استراتژی هیبریدی ما نیز از قدرت بسیار کمتری استفاده می کند و در نتیجه 80 ٪ صرفه جویی در مصرف انرژی می شود. بدون یخ برای کند کردن آن ، توربین ها می توانند در زمستان قدرت بیشتری تولید کنند.

در سراسر جهان ، نزدیک به 800 گیگاوات باد تاکنون نصب شده است ، از جمله بیش از 110 گیگاوات در ایالات متحده. با رشد سریع بازار و تأمین انرژی باد از منابع انرژی با آلودگی بالاتر ، استراتژی های ضد آب و ضد یخ ضروری می شوند.