Jäätymisen vaikutuksia tuulivoimalan aerodynamiikkaan ja kuormituksiin

Raportissa tarkasteltiin mittausten ja simulointien avulla jään vaikutusta tuulivoimalan aerodynamiikkaan ja kuormituksiin. Jään kertyessä tuulivoimalan lapoihin voimalan tuotanto pienenee, koska noste- ja vastusvoimat muuttuvat. Jäätymisen edetessä noste pienenee ja vastus kasvaa. Lapa sakkaa pienemmällä tuulennopeudella kuin puhtaalla lavalla, mutta ei yhtä jyrkästi.Pyhätunturin koevoimalan kuormitusmittauksissa käsiteltiin kahta tuulioloiltaan samanlaista jaksoa, joista toisessa voimala oli jäinen ja toisessa jäätön. Lavan kuormituksia tarkasteltiin kahteen suuntaan, jänteen suuntaan ja flap-suuntaan. Flap-suuntaisen momentin keskihajonta pieneni jään vaikutuksesta 50 % ja 1P-taajuuspiikki (kerran kierroksessa tapahtuva ilmiö) pieneni kertoimella 6. Jänteen suuntaisen momentin tehospektri osoitti 1P-piikin kasvaneen jäämassan vaikutuksesta. Lavan ominaistaajuudella piikin kasvu oli viisinkertainen. Tämä viittaa siihen, että jään kertyminen lavan pinnalle pienentää vaimennusta. Tornin värähtelyt kasvoivat jäätyneessä tilanteessa sekä ominaistaajuudella että 1P-taajuudella erittäin voimakkaiksi. 1P-muutos aiheutunee roottorin massaepätasapainosta, mutta värähtelyiden kasvua ominaistaajuudella ei pystytä toistaiseksi selittämään. Sen vuorokauden aikana, jolloin jäätyneen tapauksen kuormituksia mitattiin, oli voimalan teho pienentynyt merkittävästi jään vaikutuksesta. Kun oletetaan tuulen olevan Weibull-jakautunut, pienenee energian tuotanto puoleen havaitun kaltaisella jäätymisellä. Tuotettu teho oli pienentynyt, mutta tehon keskihajonta pysyi ennallaan eikä pienentynyt kuten oli odotettu muiden mittausten perusteella.Tuulivoimalan dynamiikan mallinnus- ja analyysiohjelmistoa ADAMS/WT:a kehitettiin VTT:ssä muutamalla lisäpiirteellä, joita ovat pääakselin kallistuskulma (tilt), kärkijarru ja simuloinnin transienttisen käynnistyksen vaimennin. Myös aerodynamiikan laskevaan ohjelmaan tehtiin lisäyksiä. Simuloinneissa saatiin samansuuntaisia tuloksia kuin mittauksissa. Simulointitulosten tarkentaminen edellyttää lisätuntemusta jäätymisen aiheuttamista muutoksista voimalan toiminnassa. Jatkossa aiotaankin tehdä lisää mittauksia täydennetyllä mittausjärjestelmällä.