Tuulivoimalan jääriskien hallinta
Toppari, Niko (2018)
2018
Sähkötekniikka
Tieto- ja sähkötekniikan tiedekunta - Faculty of Computing and Electrical Engineering
This publication is copyrighted. You may download, display and print it for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Hyväksymispäivämäärä
2018-01-10
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201711242259
https://urn.fi/URN:NBN:fi:tty-201711242259
Tiivistelmä
Jäätämisellä tarkoitetaan kaikkia prosesseja, joissa jää kerääntyy jäätämiselle avoimen systeemin pintaan kylmän ilmaston alueella. Kylmällä ilmastolla viitataan alueisiin, joissa lämpötila on alempi kuin tuulivoimalan standardi toimintalämpötila tai olosuhteisiin, jotka ovat suotuisat jäätämiselle.
Työn tarkoitus oli tarjota suomenkielinen selvitys jäätämisen olemuksesta sekä siihen liittyvän riskisyyden pienentämisestä tuulivoimalan toiminnassa. Työssä luotiin jääriskin hallitsemiseksi kolme ulottuvuutta: jäätämisen ilmastotekijät, jääturvallisuus sekä jääntunnistamisen ja hallinnan menetelmät. Lopuksi hahmoteltiin vielä tuulivoimatuotannon ennustamisen merkitystä energiajärjestelmässä tasehallinnan näkökulmasta.
Pilvijäätämisen todettiin olevan yleisin jäätämisen muoto ja huurrejään yleisin jääkertymän tyyppi. Jäätämisen keskeisimmiksi ilmastoparametreiksi osoittautuivat ilman lämpötila T, tuulen nopeus v, pisarakokojakauma (MWD) sekä pilven/ilman kokonaisnestemäärä (LWC). Meteorologisen jäätämisjakson todettiin poikkeavan huomattavasti lapajäätämisen aikajaksosta. Jääkappaleen lentomatkaan havaittiin vaikuttavan merkittävimmin, niin sivuttais- kuin tuulensuuntaisestikin mitattuna, jääkappaleen massa m ja vastuskerroin CD, roottorin lapojen pyörimisnopeus ω sekä jääkappaleen irtoamiskohta r lavan siipiprofiilista. Myös roottorin lavan ja horisontaalisen tason välisellä kulmalla θ ja atsimuuttikulmalla ϕ oli selkeä vaikutus putoamis- ja lentämisetäisyyksiin. Tuulen nopeudella Uh sekä nostovoimalla F_L todettiin olevan merkittävä vaikutus ainoastaan kappaleen tuulensuuntaiseen lentomatkaan. Liikuttaessa voimalan läheisyydessä turvallisimmaksi alueeksi osoittautui turbiinin tuulenpuoleinen alue. Merkittävimmäksi turvallisuustoimeksi osoittautui perusteettoman liikehdinnän minimoiminen. Keskeinen keino onnettomuusriskin pienentämiseksi oli suorien ja epäsuorien mittausten perusteella tehty voimalan pysäyttäminen. Jäävaara-alueen kannalta huomionarvoista oli lavan kärjen havainnointi. Kuitenkin huurrejään ominaisuuksista johtuen lavan alkupään seuranta oli merkittävää. Tuotantohäviöiden ollessa yli 3 % vuosikeskiarvosta suositeltiin aktiivisen jäänestojärjestelmän käyttämistä. Tasevirheiden pienentämiseksi keskeistä oli passiivisten ja aktiivisten jäänesto- ja -poistomenetelmien sekä säätiedotuksiin perustuvien ennustemenetelmien kehittyminen.
Työn tarkoitus oli tarjota suomenkielinen selvitys jäätämisen olemuksesta sekä siihen liittyvän riskisyyden pienentämisestä tuulivoimalan toiminnassa. Työssä luotiin jääriskin hallitsemiseksi kolme ulottuvuutta: jäätämisen ilmastotekijät, jääturvallisuus sekä jääntunnistamisen ja hallinnan menetelmät. Lopuksi hahmoteltiin vielä tuulivoimatuotannon ennustamisen merkitystä energiajärjestelmässä tasehallinnan näkökulmasta.
Pilvijäätämisen todettiin olevan yleisin jäätämisen muoto ja huurrejään yleisin jääkertymän tyyppi. Jäätämisen keskeisimmiksi ilmastoparametreiksi osoittautuivat ilman lämpötila T, tuulen nopeus v, pisarakokojakauma (MWD) sekä pilven/ilman kokonaisnestemäärä (LWC). Meteorologisen jäätämisjakson todettiin poikkeavan huomattavasti lapajäätämisen aikajaksosta. Jääkappaleen lentomatkaan havaittiin vaikuttavan merkittävimmin, niin sivuttais- kuin tuulensuuntaisestikin mitattuna, jääkappaleen massa m ja vastuskerroin CD, roottorin lapojen pyörimisnopeus ω sekä jääkappaleen irtoamiskohta r lavan siipiprofiilista. Myös roottorin lavan ja horisontaalisen tason välisellä kulmalla θ ja atsimuuttikulmalla ϕ oli selkeä vaikutus putoamis- ja lentämisetäisyyksiin. Tuulen nopeudella Uh sekä nostovoimalla F_L todettiin olevan merkittävä vaikutus ainoastaan kappaleen tuulensuuntaiseen lentomatkaan. Liikuttaessa voimalan läheisyydessä turvallisimmaksi alueeksi osoittautui turbiinin tuulenpuoleinen alue. Merkittävimmäksi turvallisuustoimeksi osoittautui perusteettoman liikehdinnän minimoiminen. Keskeinen keino onnettomuusriskin pienentämiseksi oli suorien ja epäsuorien mittausten perusteella tehty voimalan pysäyttäminen. Jäävaara-alueen kannalta huomionarvoista oli lavan kärjen havainnointi. Kuitenkin huurrejään ominaisuuksista johtuen lavan alkupään seuranta oli merkittävää. Tuotantohäviöiden ollessa yli 3 % vuosikeskiarvosta suositeltiin aktiivisen jäänestojärjestelmän käyttämistä. Tasevirheiden pienentämiseksi keskeistä oli passiivisten ja aktiivisten jäänesto- ja -poistomenetelmien sekä säätiedotuksiin perustuvien ennustemenetelmien kehittyminen.