Detektering av ising på konstruksjoner

• Sensor for Ising på vindturbiner
• Modellering av ising
• Vindtunnel for modellering av atmosfærisk ising ved Høgskolen i Narvik
• Områder med et spesielt behov for økt kompetanse innenfor ising i Nord-Norge
• Utvikling av isingsdetektorer
• Ising på skip og marine konstruksjoner
• Atmosfærisk ising på landbaserte konstruksjoner
• Ising på vindturbiner
• Prosjekt beskrivelse: Stipendiat innen utvikling av sensor for registrering av ising på konstruksjoner
• Ismekanikk => http://www.tek.norut.no

Ising på konstruksjoner generelt skaper problemer på grunn av: ekstra vekt som legger seg på konstruksjoner som skaper ustabilitet eller overbelastning, økt dimensjoner med påfølgende økning av luftmotstand, fare for fallende is fra konstruksjonen og generelt kan isning utgjøre en sikkerhetsrisiko.

Sensor for Ising på vindturbiner
Det forberedende arbeid for utvikling av en isingssensor for vindturbiner er begynt. Dette fordi det ikke har blitt funnet en isingssensor for vindturbiner som fungerer tilfredsstillende. Det har blitt utført en diplomoppgave om isingssensor for vindturbiner med simuleringer som viser god respons for en kapasitans basert sensor. Et bilde fra simuleringsverktøyet vises her.

Modellering av ising
Planlegging og design med hensyn til ising blir i dag utført på en rekke områder. Modelleringsteknikker blir benyttet til å forutsi effekter man ikke kan fastslå gjennom vurderinger, men ønsker å vite omfang eller størrelse på. Dagens modeller for ising er for det meste erfaringsbaserte og utviklet med hensyn til relativt grove designparametere. Disse modellene har i stor grad begrensede anvendelsesområder. Det generelle feltet hvor datamaskiner benyttes for numerisk modellering av fluid strømninger, kalles Computational Fluid Dynamics (CFD). Bruken av CFD innen klimarelaterte problemstillinger har ekspandert kraftig de siste 20 årene og CFD har etter hvert blitt et stort og anerkjent område. I dag fins det ingen generelle datamodeller for simulering av 3-dimensjonal atmosfærisk ising og sjøsprøyt isdannelse på fartøy og konstruksjoner, under påvirkning av et vindfelt. Det er derfor - på HiN - under planlegging et prosjekt for utvikling av en 3D numerisk modell for simulering av ising på fartøy og konstruksjoner.

Viktige konstruksjoner og anlegg hvor ising ofte er et grunnleggende designkriterium:

• Plattformer og fartøy
• Kaianlegg
• Oppdrettsanlegg
• Vindturbiner
• Kraftlinjer
• Antenner, radaranlegg og radiolinjestasjoner
• Helikopter/fly
• Veg og jernbane
• Ising inne i konstruksjoner, anlegg og maskiner

Vindtunnel for modellering av atmosfærisk ising ved Høgskolen i Narvik
I forbindelse med forskning rundt isingssensor og utvikling av et numerisk verktøy for simulering av ising på konstruksjoner, skal det bygges en vindtunnel ved høgskolen for modellering av atmosfærisk ising. Vindtunnelen skal bygges som en sløyfe gjennom tre eksisterende, temperatur- og fuktstyrte rom. Det vil her være mulighet til å gjøre isingsforsøk i redusert skala, samt utprøving og utvikling av isingssensorer.

Sentrale features:
• Styring av temperatur ned til -27 oC
• Fuktstyring
• Store vindhastigheter i lukket sløyfe

Det er nå satt i drift en åpenkrets vindtunnel for prøvedrift og testing. Denne står bare i klimarom 2, og gir gir oppbygging av en isflate for førstefase testing.

Områder med et spesielt behov for økt kompetanse innenfor ising i Nord-Norge
I Nord-Norge vil det framover være en stor økning i aktiviteten innenfor offshorevirksomhet og utbygging av vindkraft. Dette medfører betydelige aktiviteter i et subarktisk klimaområde og det foreligger tildels lite erfaringer med slike aktiviteter så langt nord. Været langs norskekysten, og særlig i nord, kan karakteriseres som svært skiftende, med kalde og lange vintre. 90% av de norske territorialfarvann ligger nord for Brønnøysund. Offshorevirksomhet i nordområdene medfører aktiviteter under større klimatiske belastninger enn i Nordsjøen. Det ligger store utfordringer i å tilpasse seg til kulde, ising og ekstremt vær. I sørlige Barentshavet er det nesten femti prosent sannsynlighet for at temperaturen er under null om vinteren (DNMI). Resten av året er det også større sannsynlighet for temperaturer under frysepunktet, i forhold til resten av norsk sokkel. Vind og bølgeforholdene er også stort sett hardere i sørlige del av Barentshavet, enn i Nordsjøen, men litt roligere enn i Norskehavet og helt nord i Nordsjøen. Arbeidet på en plattform blir langt mer krevende når det utføres under påvirkning av streng kulde, vind og nedbør. Ising på riggen vil være en ekstra påkjenning for arbeidsmiljøet og kan i noen tilfeller utgjøre en sikkerhetsrisiko. Vinterisering av alle arbeidsoperasjoner er svært vanskelig, selv på innebygde rigger.

Potensialet for vindkraftutbygging i Nord-Norge er stort og ising vil kunne bli et betydelig problem i utsatte områder. Ved vindkraftutbygging i marine omgivelser vil det på grunn av lavere temperaturer kunne oppstå mer ising enn lengre sør. Isdannelse på vindmøller er et forholdsvis nytt problemområde og i dette inngår mange av de samme prosesser som var tenkt omhandlet i det opprinnelige prosjektforslaget. Eventuell ising på turbinbladene reduserer driftstiden og det har vist seg vanskelig å finne fram til økonomiske og effektive avisingstiltak.

Det er også et behov for økt isingskompetanse i forhold til sjøforsvaret og fiskeflåten.

Utvikling av isingsdetektorer
De fleste isdetektorer baserer seg på en registrering av tilstedeværelse av is. En god isdetektor må også kunne måle utbredelse, tykkelse og sammensetning av isen. Det tenkes her på avansert måleutstyr som for eksempel skal kunne benyttes på vindturbiner. Det vil være hensiktsmessig å ta utgangspunkt i teknikker som er benyttet innen luftfart og undersøke potensialet for en videreutvikling til andre formål, f. eks. til vindturbiner. En slik detektor vil kunne bli videreutviklet og tilpasset for å gi informasjon om friksjonsegenskaper, og vil da kunne bli til stor nytte for flyplasser og vegmyndigheter.

Isdetektor:
• Elektronikk
• Avansert digital signalbehandling
• Sammenkobling med modeller
• Presentasjon av resultat fra detektor

Ising på skip og marine konstruksjoner
Vi skiller gjerne mellom to hovedformer for ising på skip og marine konstruksjoner, sjøsprøyt ising og atmosfærisk ising. Ising forårsaket av sjøsprøyt er her vanligvis den hyppigste formen for ising og den som gir de største ismengdene på skip. Med sjøsprøyt menes alt fra “skvetting” til større innkommende bølger over dekk. Atmosfærisk ising er forårsaket av nedbør eller tåke. I mange tilfeller vil en kombinasjoner av ulike typer sjøsprøyt- og atmosfærisk ising gi ekstreme islaster.

Vanlige former for ising på skip:
• Ising fra sjøsprøyt
• Ising fra tåke
• Ising fra sjøsprøyt og tåke
• Ising fra nedbør
• Ising fra sjøsprøyt og nedbør

Såkalt superstructure icing på fartøy oppstår gjerne ved lufttemperaturer lavere enn frysepunktet til sjøvann, vindhastigheter fra 10 m/s og havtemperaturer mindre enn 8 oC. I uvær til havs kan det oppstå en relativt høy sone over bølgetoppene med dråpepartikler som er drevet opp fra bølgene, og som kan opptre som atmosfærisk ising relativt høyt på skip og plattformer. Ising på skip og marine konstruksjoner forårsaker hovedsaklig operative problemer, men kan også føre til ulykker og forlis. Ising er derfor en viktig parameter i forhold til sikkerhetsanalyser.

Analyser av ising på skip og marine konstruksjoner er svært aktuelt for plattformer, fartøy og kaianlegg.


Atmosfærisk ising på landbaserte konstruksjoner
Landbaserte konstruksjoner i subarktisk til arktisk klima eller i utsatte områder med en hvis høyde over havet, vil kunne ofte bli utsatt for atmosfærisk ising. Dette kan opptre som følge av fukt og nedbørs prosesser i atmosfæren og forholdet mellom disse og overflatebetingelsene på konstruksjoner ved terrengnivå.

Atmosfærisk ising blir vanligvis klassifisert i to hovedtyper:
• Nedbøris (sludd/våtsnø eller underkjølt regn)
• Skyis (underkjølte skydråper)

Atmosfærisk ising kan blant annet føre til:
• Brudd i antenner, kommunikasjonsmaster, kraftledninger o.l.
• Adkomstproblemer
• Redusert sikkerhet pga nedfall av is
• Redusert drift (vindmøller og kommunikasjonsutstyr)
• Økte dimensjoneringskrav for konstruksjoner

Ising på vindturbiner
Ising oppstår på vindturbiner fordi de beste lokasjonene for vindturbiner utfra effektmessige betraktninger ofte er høyt i terrenget der turbinen er utsatt for lavere temperaturer enn områdene rundt. Ising av bladene på vindturbiner kan forårsake flere problemer, blant annet; komplett tap av produksjon, redusert ytelse pga endret aerodynamikk, økte tretthet av komponentene pga ubalanse i islast, og skade pga ukontrollert kasting av store isflak. Metoder for avising av bladene har vist seg å fungere, men styresystemene har ikke hatt en issensor som på en pålitelig måte kunne indikere begynnelsen av isingsperioden. [1]

Tap av produksjon fra ising skjer også i Norden i den årstid der det er størst behov for vindkraft, og når både pris på energi er høyest og det er mest vind. Disse faktorer gjør at ising i enkelte tilfeller er svært problematisk. Ising kan også oppstå lengre sør, og et eksempel på dette er fra Sverige der vindturbinen i Äppelbo (på samme breddegrad som Bergen og Kongsvinger) sto stille på grunn av ising i over sju uker i vinteren 2002-2003. [2]

Ved ising på vindturbinens vinger kan produksjonen bli redusert til 30-50% av normal ytelse før dagens styringssystemer automatisk stopper vindturbinen. Vibrasjoner i vindturbinen oppstår som følge av ikke-symmetrisk isdannelse på vingene. Det har vært forsøkt med oppvarming av vingene for å fjerne isdannelse, men disse teknikker har vært plaget av problemer med styring på grunn av isings sensorer som ikke fungerer tilfredsstillende. I tillegg er oppvarming krevende pga store vingespenn og store rotasjonshastigheter med hurtig avkjøling. I tillegg er det stor risiko for skader på gir, pitch regulering ol., ved oppstart etter driftsstans som følge av ising. Skader på vindturbiner kan være svært kritiske fordi det oftest tar lang tid før disse er utbedret.

I ekstreme tilfeller kan ising føre til sammenbrudd for den totale turbinkonstruksjonen.

Et effektivt styresystem for vindturbiner må kunne styre og overvåke vindturbinens produksjon i forhold til vindhastigheten. Ved fallende produksjon/vindhastighet kan årsaken være ising. Det eksisterer i dag ingen tilstrekkelige, pålitelige detektorer for registrering av densitet, tykkelse og utbredelse av is på vindturbinvinger. Dette gjelder også for de fleste andre isingsområder.

Prosjekt beskrivelse:
Stipendiat innen utvikling av sensor for registrering av ising på konstruksjoner

Nedising av vindkraftverk (vindturbiner) er et problem med hensyn på utbygging av vindkraft i mange områder, for eksempel i fjellområder (jfr. ising av antennemaster) og til sjøs (jfr. ising av skip). De beste lokasjonene for vindturbiner ut fra effektmessige betraktninger, er for eksempel ofte høyt i terrenget. Turbinene står således mer utsatt enn områdene rundt med hyppigere ising som resultat. Ising av bladene på vindturbiner kan forårsake flere alvorlige problemer; komplett tap av produksjon, redusert ytelse pga endret aerodynamikk, akselerert materialtretthet av komponentene pga. ubalanse i islast, og skade på blant annet omgivelser pga. ukontrollert kasting av store isflak. Metoder for avising av bladene har vist seg å fungere, men styresystemene har hittil ikke hatt tilgang på isingsensorer som på en pålitelig måte kan indikere begynnelsen av isingsperioden, og dermed optimalisere avisingsprosessen. For eksempel er det viktig å redusere energitap ved bruk av varmelementer mest mulig ved å slå dem av og på til rett tid. Det krever også høyere effekt for å avise når isen forårsaker turbulent strømning fordi turbulensen øker varmetapet. Isingsensorer som kan detektere is på turbinblader, og ikke bare på navet av turbinen, er nødvendig både fra et økonomisk og et sikkerhetsmessig perspektiv. Dette blir forsterket etter hvert som turbinene og bladene blir større, og avstanden fra navet øker, i tillegg til at man ønsker å plassere turbiner i mer isingsutsatte strøk.
Isingsensorer

I løpet av arbeidet med masteroppgaven ”Icing sensors for wind turbines”, ble det gjort et forarbeid for å finne ut hvilke typer isingsensorer som finnes pr. i dag. Det ble ikke funnet noen utprøvde sensor som oppfyller alle kravene som stilles til slike systemer ved bruk på vindturbiner. Det finnes flere isingssensor i dag som kan monteres på vindturbinens nav, og som kan detektere ising med varierende grad av suksess. Ingen av de som kan monteres på navet kan garantere at det ikke finnes is på bladene, selv om navet er isfritt. Dette pga den høyere hastighet ved vingetuppene, samt at vingene strekker seg opptil 60m høyere enn navet i deler av rotasjonsbevegelsen. Det finnes et kommersielt system i dag som retter seg mot vindturbiner, og som detekterer is på bladene nær tuppene. Dette systemet heter Infralytic, og kan være en bra løsning for deteksjon av ising, men er relativt nytt og ennå ikke skikkelig utprøvd. Det har også den ulempen at det tester for is på bare noen få veldig små punkter, og ikke over hele bladet. Derfor ansees det som nødvendig å forsette med forskning på dette området.

Fokus for doktorgradsarbeidet
I oppgaven ligger hele aspektet fra matematisk modellering av ising på ulike profiler til deteksjon av ising ved hjelp av ulike måleprinsipper. Det har blitt satt i gang et planleggingsarbeid for å omarbeide deler av det eksisterende klimalaboratoriet ved HiN til en temperaturkontrollert vindtunnel, slik at forsøk med ising under idealiserte forhold (nedkjøling, sirkulasjon, injeksjon av vanndråper) kan utføres.

En sensor basert på måling av kapasitans har vært simulert her ved HiN, og resultatene viser en veldig god respons på istykkelser inntil 1 mm. Denne metoden kan videreutvikles ved å simulere også målinger av induktans og resistans samtidig. Det er forventet at man ved å måle flere variabler samtidig, vil kunne korrigere for feileffekter, samt øke følsomheten av sensoren. Det har blitt opprettet kontakt med to bedrifter som har jobbet med isingsensorer for fly, og det er ønskelig å utvide samarbeidet med disse innenfor de områder der de har god kompetanse. En modell av sensoren kan da bygges og testes i vindtunnel for å verifisere simuleringen. Det vil også være ønskelig å låne et sensorsystem fra Infralytic for å sammenligne følsomheten med det systemet som utvikles.

Det kan være et mål å utvikle to forskjellige sensorsystemer, der det ene kan detektere når isingen initieres, og det andre kan detektere hvor mye is som til enhver tid har bygget seg opp (istykkelse). Dette vil være viktig i situasjoner der vindturbiner ikke har noe avisingsutstyr, og vil kunne kjøres med litt is på bladene, men må stoppes når risikoen for iskast og mekaniske belastninger blir for høy.
Det planlegges et utenlandsopphold under arbeidet, sannsynligvis i Finland, som har gjort mye forskning på ising av vindturbiner. Dette arbeidet er interessant også fra et internasjonalt perspektiv, og det forventes at arbeidet og resultatene blir presentert underveis, både i tidskrifter og på konferanser.

For mer informasjon kontakt:
Matthew Homola
Stipendiat ved Høgskolen i Narvik
76966265 matthew.homola@hin.no

Referanser
1. Homola, M.C., P.J. Nicklasson, P.A. Sundsbø (2006), "Ice sensors for wind turbines", Cold Regions Science and Technology 46, 125-131. doi:10.1016/j.coldregions.2006.06.005

2. Ronsten, G. (2004), ”Svenska erfarenheter av vindkraft i kallt klimat – nedisning, iskast och avisning”, Elforsk rapport 04:13, May