Soorten ijsvorming op windturbine bladen

 

Bij windmolens hebben we te maken met atmosferische ijsvorming, dat betekend dat er aangroei van ijs of sneeuw zal ontstaan op de windturbine onderdelen die zijn blootgesteld aan de atmosfeer. Wanneer we het hebben over ijsvorming op windturbines moeten we onderscheid maken uit twee verschillende atmosferische omstandigheden: in-cloud ijsvorming(rijpijs, vriesdauw) en neerslag ijsvorming (vriezende regen, natte sneeuw of ijzel).

 

• Rijpijs(in-cloud ijsvorming): Door de wind worden super gekoelde, vloeibare waterdruppels uit wolken of mist meegevoerd. Zodra de druppels in aanraking komen met een oppervlak bevriezen ze direct. Bij grote waterdruppels wordt er hard rijpijs gevormd, en bij de kleinere druppels word er zacht rijpijs gevormd. Het rijpijs laat een naaldachtige structuur achter aan de loefzijde van het getroffen object. De vorm van de kristalstructuur lijkt erg op de structuur van ijzel, met een onregelmatig oppervlak. Het meest schadelijke rijpijs ontstaat bij uitstekende randen waar vochtige lucht van richting wordt veranderd en de windsnelheid word opgevoerd.

• Hard rijpijs laat een dichte witte ijsstructuur achter wat zich stevig hecht aan het object waardoor het moeilijk verwijderbaar is. Dit harde rijpijs heeft gemiddeld een dichtheid tussen de 600 en 900 kg/m³.

• Zacht rijpijs heeft meer een fragiel sneeuwachtige structuur wat voornamelijk bestaat uit vlokken ijs en dunne ijsnaalden. Het aangroeien start gebruikelijk in op een klein punt en groeit driehoekig in de windrichting. De dichtheid van dit zachte rijpijs is gemiddeld tussen de 200 en 600kg/m³. Doordat het een fragiele sneeuwachtige structuur heeft is ook gemakkelijk te verwijderen.

 

• Neerslag ijsvorming(ijzel): ontstaat door vriezende regen, natte sneeuw of door natte (‘ijs’)wolken. Het vormt een glad, transparant en gelijkmatig oppervlak met een grote kleefkracht op het object. Normaliter ontstaat dit bij temperaturen tussen de 0 en -6°C. Deze vorm van ijsvorming resulteert in de hoogste mogelijke ijsdichtheid van 900 kg/m3.

 

• Vriezende regen ontstaat wanneer warme lucht(hoog in het atmosfeer) sneeuw kristallen doet smelten waardoor er regendruppels ontstaan die vervolgens door een vriezende lucht naar de aarde vallen. Deze omstandigheden kunnen zich bijvoorbeeld voordoen wanneer koude zeelucht met warme landlucht botst.

  IJsvorming in ‘natte’ wolken ontstaan wanneer het objectoppervlak temperatuur dicht bij de 0° C is. De natte druppels in de wolk komen dan in aanraking met het koude oppervlak maar bevriezen niet helemaal, er ontstaat een laag van water over het bevroren druppel. Door zwaartekracht en middelpuntvliedende krachten gaan deze lagen van water zich over het object bewegen waarna ze ook weer aanvriezen aan de lijzijde.

 

• Natte sneeuw: Deels gesmolten sneeuw kristallen met een hoog ‘vloeibaar’ water gehalte word plakkerig en kunnen makkelijk hechten aan een oppervlak van een object. Natte sneeuw ijsvorming ontstaat tussen de temperaturen van 0 en +3° C. Gemiddelde dichtheid is tussen de 300 en 600 kg/m3. De natte sneeuw bevriest wanneer het in aanraking komt met het oppervlak en zal verder in temperatuur afnemen.

 

 

 

Weersomstandigheden bij ijsvormig

 

Onder bepaalde atmospherische omstandigheden kan er op windturbines ijsvorming plaatsvinden. Dit gebeurdt bij temperaturen onder het vriespunt, maar ook bij temperaturen vlak boven het vriespunt in combinatie met een hoge luchtvochtigheid, bevroren regen of sneeuw.

 

Er zijn twee manieren van ijsvorming op objecten in de buitenlucht.

Wit, sneeuw-achtig ijs wordt gevormd wanneer objecten (zoals windturbines) worden blootgesteld aan koude temperaturen in combinatie met mist, wolken of super gekoelde waterdruppels. Dit heet ''in-cloud icing'' en komt vooral voor op heuvels en bergen. Op deze manier kunnen grote en zware hoeveelheden ijs zich ophopen op windturbines.

Wanneer een warm front boven een koud front terecht komt, wordt vallende regen afgekoeld (maar niet bevroren). Als het dan terecht komt op een object met een temperatuur lager dan het vriespunt, veranderen de druppels een een solide ijslaag. Dit weersfenomeen staat ook wel bekend als ijsregen.

 

IJsvorming op windturbines is een lokaal probleem. In kustgebieden van een relatief koud land kan er minder (of vrijwel geen) ijsvorming voorkomen op windturbines door het verwarmende effect van de oceaan. Ook in hooggelegen gebieden bij de kust komt minder ijsvorming voor dan in hooggelegen gebieden landinwaards.

 

Het winterklimaat in Nederland wordt grotendeels bepaald door twee factoren. Ten eerste de koude en droge hogedrukgebieden die vanuit het oosten het land binnen komen, wat een koude oostenwind creëert. Ten tweede de lagedrukgebieden die vanaf de Atlanitsche Oceaan het land in drijven en die (zelfs in de winter) relatief hoge temperaturen met zich meebrengen. De combinatie van deze twee factoren creëert dynamische weersomstandigheden.

 

De gevaren van ijsvormig

 

De kans dat iemand word geraakt door een stuk ijs afkomstig van een operationele windturbine

hangt af van de volgende factoren:

 

• De waarschijnlijkheid van ijsvorming op de bladen van de windturbine.

• De waarschijnlijkheid dat er stukken ijs loskomen van een blad, wat ongewijfeld een functie is van de radiale positie van het blad en de hoek van het blad. Het hangt ook af van de snelheid van de rotatie van de bladen, vorm van de bladen en buigzaamheid.

• De plaats waar het stuk ijs land, wat ook afhangt van de radiale positie van het blad, de hoek op het punt dat de ijs loskomt en de rotorsnelheid en windsnelheid. De snelheid van het stuk ijs op het einde van z’n baan is ook niet ongelangrijk, dit hangt af van dezelfde factoren.

• De waarschijnlijk dat een persoon zich in een riskant gebied bevind en of er voorzorgsmaatregelen zijn genomen op het gebied van veiligheid.

 

Methode voor het voorspellen van ijs-traject:

Hoewer er weinig bekend is over de waarschijnlijkheid dat ijsfragmenten loskomen van verschillende gedeeltes van het blad, is het relatief makkelijk de afstand te berekenen en de uiteindelijke snelheid van het fragment ijs wanneer het losraakt, ervanuit gaande dat het niet in meer stukken breekt tijdens de vlucht. Een methode om dit te doen is ontwikkeld als deel van WECO en is eerder beschreven door de auteurs. Dit model is verder ontwikkeld en bevat nu modellen van het effect op het traject, van:

• Hoek van het blad op het moment dat het ijsfragment loskomt

• Radiale locatie van het fragment op het blad op het moment van loskomen

• Een radiale terugval van de snelheid ontwikkeld door het fragment voor loslating van het blad (het ‘katapult’ effect)

• Dimensies van de turbine en rotorsnelheid

• Zwaartekracht

• Grootte van het fragment

• Aerodynamische luchtweerstand

• Aerodynamische opwaartse kracht

• Benedenstroomse wind

 

Openbare veiligheid en ijsvorming op turbines

Onder bepaalde meteorologische omstandigheden is het mogelijk voor ijsvorming om plaats te vinden op de rotors van de turbine. Het vormingsproces is niet anders dan dat ondervonden bij veel blootgestelde constructies alhoewel er hevigere ijsvorming is geconstateerd op windturbine rotors.

Fragmenten ijs zullen van een rotor geworpen worden of vallen wanneer het ijs smelt of wanneer het van de rotor wordt geschud. In theorie, deze fragmenten kunnen een risico voortbrengen voor het openbaar of operationeel personeel. Het risico kan geschat en verminderd worden met behulp van de stappen hieronder.

Op een afstand van meer dan een paar meter van de turbine, het risico dat ijs op een specifieke locatie land neemt nogal snel af met de afstand van de locatie van de turbine. Ijs valt ook overwegend met de wind mee van de rotor.
 

Framenten ijs hebben voornamelijk een massa van minder dan 1 kg.

 

Operationele medewerkers werken regelmatiger en meer in de buurt van turbines, waardoor ze meer bloot staan aan risico’s dan mensen in het openbaar.

 

Het word voorgesteld om de risico-schatting in drie groepen te verdelen:

 

• Voorkomen van ijzige omstandigheden

 

Er zou een schatting moeten worden gemaakt van de tijd (aantal dagen per jaar) waarin ijzige omstandigheden zich plaatsvinden rond de plaats van de turbine.

“zware ijsvorming” – meer dan 5 dagen, minder dan 25 dagen ijsvorming per jaar
“gemiddelde ijsvorming” – meer dan 1 dag, minder dan 5 dagen ijsvorming per jaar
“lichte ijsvorming” – minder dan 1 dag ijsvorming per jaar
“geen ijsvorming” – geen ijzige omstandigheden komen voor

De methode voor deze schatting is het onderwerp van een ander aspect van het WECO project. Het is zo dat wanneer de locatie van de turbine zich bevind in de “geen ijsvorming” categorie, er geen risico is en dat er geen verdere schatting nodig is.

 

• Toegestane risico van ijsinslag op de grond

De acceptable mate van risico moet vastgesteld worden. Dit is plaatsspecifiek en hangt af van bijvoorbeeld de toegankelijkheid van de turbine. Een geschikte mate van risico zou 6-10 ijsinslagen/m2/jaar wat een typische waarschijnlijk is van blikseminslagen in het Verenigd Koninkrijk.

 

Verminderen van het risico

In een situatie waar een significant risico bestaat voor het openbaar of operationeel personeel worden de volgende maatregelen geadviseerd:

• Verkorten van werking van turbines tijdens perioden van ijsvorming

• Toepassen van speciale turbineeigenschappen die ijsvorming of werking van de turbine voorkomen tijdens perioden van ijsvorming

• Herplaatsen van de turbines om ze weg te halen van plaatsen met risico

• Waarschuwingsborden plaatsen die mensen erop wijzen dat ze zich in een risicovol gebied bevinden

• Operationeel personeel moet zich bewust zijn van de omstandigheden die ijsvorming kunnen veroorzaken op de turbine, van het risico van ijs wat van de rotor valt in gebieden met risico

 

Bovendien heeft ijsvorming nog een ander effect. Wanneer ijs gevormd wordt op de wieken, wordt de aerodynamica van de wieken verstoord. Hierdoor daalt de efficiëntie van de windturbine. Een logisch gevolg zou zijn dat windturbines niet meer geplaatst worden in koude landen. Koude lucht heeft echter een hogere densiteit en daardoor ook een hogere efficiëntie. Het is zoeken naar een compromis tussen de twee. Er wordt veel tijd en werk gestoken in het detecteren van ijsvorming en de mogelijke oplossingen. Dit staat echter nog niet op punt.