Schlüsselwörter
(Deutsch)
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TP0068;F-Wind
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Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Wind energy is currently one of the world's fastest expanding sources of electrical power. In 2007 a total of 2 GWh of power was produced in Switzerland from wind turbines, from 30 wind farms with a total capacity of 14 GWh (www.wind-data.ch). It is hoped that production of power from wind turbines can be increased to 50 - 100 GWh by 2010, a 250 % increase in capacity in the next 2 1/2 years, and if this is to be achieved, the wind energy available from sites in the Swiss Alps must be efficiently captured.
BR>Usage of wind turbines in cold climates such as the Swiss Alps is currently restricted due to ice buildup on the blades and instrumentation in the harsh, cold environments, which can result in losses of efficiency, overproduction, damage, significant periods of downtime, safety problems due to ice shedding and even failure. Using the specific capabilities and expertise of the Laboratory for Energy Conversion (LEC) at the Swiss Federal Institute of Technology in Zurich (ETHZ), an experimental and computational analysis of the aerodynamic performance of wind turbines in cold climates, where icing occurs, will be conducted. Through the development of a computational model, which would be scientifically validated with scaled as well as field data, new approaches to limit and control the operation of wind turbines under icing conditions will be developed.
BR>The successful completion of this project will lead to the design of efficient turbines specifically for use in cold climates. The success will facilitate the further development of wind energy and the reduction of CO2 emissions in Switzerland, as well as other cold climate regions.
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Publikationen / Ergebnisse
(Deutsch)
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Potentielle Standorte von Windkraftwerken liegen häufig in kalten Gebieten, wo die Wahrscheinlichkeit von Eisbildung erhöht ist, was keine einfachen Bedingungen für Windturbinen darstellt. Das Ziel dieses Projektes ist, die Effekte von Rotorblatteisbildung auf die Leistung einer Windkraftanlage experimentell und numerisch zu untersuchen und abhelfende Massnahmen für die Hindernisse vorzuschlagen. Das Projekt wird basierend auf der Kombination dreier interdisziplinärer Vorgehensstrategien durchgeführt: der Felddatenanalyse (1), kontrollierten Messungen an einem Modell einer Windenergieanlage in einem Wasserschlepptank (2), und 3D Computational Fluid Dynamics (3). Im Rahmen von (1) wurden die Windgeschwindigkeits-, Anlageleistungs- und Vereisungsdaten über ein Jahr der Versuchswindkraftanlage am Alpine Test Site Gütsch analysiert. Jahresenergieertragverluste (AEP) bis 2% wurden von Rotorblatteisbildung verursacht. Für Verluste bis 23% ist komplexes Gelände verantwörtlich, was anhand kontrollierter Versuche weiterer Erforschung bedarf. Fünf verschiedene für die Schaufelvereisung relevante Formen wurde für die atmosphärischen Bedingungen am Gütsch (2,331 m ü.M.) anhand Fotoananalyse und numerischer Simulationen bestimmt. Eine weitere “extreme” Eisform wurde identifiziert, die die Eisbildung an Windkraftanlagen an tiefer gelegenen Standorten wie im Berner Jura (800 – 1500 m ü.M.) repräsentiert. In (2) wurden experimentelle Versuche im ETHZ sub-scale model wind turbine test facility durchgeführt. Eine neue Methode für die Quantifizierung der Leistung wurde entwickelt. Die oben beschriebenen Eisformen wurden an den Rotorblättern befestigt und bezüglich resultierender Leistung der Turbine untereinander verglichen. Auch in dieser Versuchseinrichtung wurde ein Jahresenergieertragsverlust von 2% ermittelt, der auf die fünf Eisformen zurückzuführen ist. Die “extreme” Form führt jedoch zu Jahresenergieertragverlusten bis 17%. Besonders kritisch für die Verluste in der Energieerzeugung ist die Vereisung der äusseren 5% der Blattlänge. Der Einsatz von Eisentfernungs- und Eisverhütungsgeräten wäre viel effizienter, wenn er nur auf diesen Teil zugeschnitten wäre. Anschliessend wurde ein neues angepasstes Fast Response Aerodynamic Probe Messsystem an der Versuchseinrichtung installiert. Die ersten Messungen bestätigen die Eignung des Systems, die wichtigsten Strömunsgrundzüge hinter dem Rotor aufzulösen. Der letzte Teil (3) beinhaltet die Computational Fluid Dynamics Analyse der Eisformen auf den Rotorblättern. Die simulierten Leistungsänderungen bestätigen die experimentellen Messwerte. Es wurde somit bewiesen, dass die Ablösung an der ganzen Blattlänge die Ursache für die grössen Leistungsverluste der “extremen” Eisform ist. Ein Tool für die Bestimmung der “extremen” Eisbildung an potentiellen Windkraftanlagestandorten wäre höchst nützlich für Entwicklungsunternehmer in der Schweiz.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Laboratory for Energy Conversion, ETH Zürich
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Abhari,Reza
Barber,Sarah
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Publikationen / Ergebnisse
(Englisch)
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Many favourable sites for wind farms, particularly in the Swiss Alps, are located in cold, wet regions where the build-up of ice is a risk and therefore limits the installation of wind turbines. The aim of this work is to quantify and understand in detail the effects of blade icing on wind turbine performance and to propose mitigation strategies. The project is unique in that it is carried out using a multi-disciplinary approach that combines (1) analysis of field data, (2) controlled experiments on a sub-scale wind turbine model and (3) 3D Computational Fluid Dynamics. In part (1) the wind data and full-scale wind turbine power and icing measurements from the Alpine Test Site Gütsch over one year are analysed. Icing on the blades is estimated to cause approximately a 2% loss in Annual Energy Production (AEP). Other losses due to the particular location of the turbine in complex terrain are found to reduce the expected AEP by up to 23%. These major losses must be further investigated in controlled experiments. The analysis of photographs of ice on the blades, alongside numerical simulations, enables five ice geometries to be defined for Gütsch atmospheric conditions (2331 m altitude). One further “extreme” ice shape is also defined, which is representive of ice formed on wind turbines installed at lower altitude sites such as the Bern Jura (800 – 1500 m). In part (2), experiments are undertaken in the new sub-scale wind turbine test facility at ETH Zürich using a novel method to quantify performance. The defined ice shapes are attached to the blades and the performance compared. The five shapes representative of the ice formed at Gütsch are found to reduce the Annual Energy Production by up to 2%. However, the “extreme” ice shape could result in a loss in Annual Energy Production of up to 17%. Furthermore, the presence of ice on the most outboard 5% of the blade is found to be key to performance. Ice removal or prevention systems could be substantially more efficient if their effectiveness was tailored for the outboard 5% of the blade. Additionally, a new dedicated Fast Response Aerodynamic Probe measuring system has been installed at the facility. Initial measurements prove its ability to resolve key flow features behind the wind turbine rotor. Part (3) of the project involves the Computational Fluid Dynamics analysis of the defined ice geometries on the rotor blades. The changes in performance match well with the experimental measurements. It is found that separation over the entire blade span is the cause for the major losses in power measured for the “extreme” ice shape. A predictive tool that developers of wind energy projects located in regions that are highly susceptible to icing can use for project development, which identifies the locations where “extreme” ice formation is a risk, would be highly beneficial to wind farm developers in Switzerland.
Auftragnehmer/Contractant/Contraente/Contractor:
Laboratory for Energy Conversion, ETH Zürich
Autorschaft/Auteurs/Autori/Authors:
Abhari,Reza
Barber,Sarah
Zugehörige Dokumente
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