Инженер космической промышленности Хуи Ху пишет на портале The Conversation об одной из самых серьёзных проблем, связанных с ветряками — обледенении ветряных лопастей. Нынешнее правительство Эстонии считает, что к 2030 году большую часть электроэнергии для Эстонии станут вырабатывать ветряные электростанции, расположенные на побережье залива Лийви и на других морских побережьях.
Считается, что зима — лучшее время для производства ветряной энергии, так как в это время ветра усиливаются и, благодаря понижению температуры, повышается плотность воздуха, благодаря чему ветер вращает лопасти ветряков сильнее. Но холод влечёт за собой также и проблемы.
Даже небольшое обледенение может стать причиной снижения аэродинамической эффективности лопастей ветряков, вследствие чего будет снижено и производство электроэнергии. Так случилось с ветряками в Техасе в феврале 2021 года.
Частое обледенение может уменьшить производство электроэнергии целого парка ветряков на 20 процентов в течение года, что означает сотни миллионов недополученной прибыли. Снижение производства электроэнергии не единственная проблема, связанная с обледенением лопастей. Лёд образуется на лопастях неравномерно, что приводит к дисбалансу и таким образом ускоряется износ турбин. Также лёд вызывает вибрацию, из-за которой турбины могут остановиться. Если льда накапливается большое количество, то вновь запустить турбины довольно проблематично.
Решение простое — лопасти ветряков необходимо очищать ото льда.
Существуют разные типы льда
Лёд не везде одинаков. Лёд может образоваться благодаря осадкам, из облаков или от холода.
Например, иней (rime ice) образуется когда мельчайшие капли воды соприкасаются с поверхностью, что обычно происходит в регионах с относительно сухим воздухом и холодной погодой, обычно около минус шести градусов.
Наледь (glaze ice) образуется при более тёплых и влажных погодных условиях. Наледь наиболее опасна для лопастей ветряных турбин. Из-за повышенной влажности наледь образует различные тяжёлые формы, что приводит к большим энергопотерям. По-видимому, это и привело к остановке ветряных турбин в Техасе, когда холодный воздух с севера столкнулся с тёплыми и влажными воздушными потоками Мексиканского залива.
Как избежать обледенения лопастей ветряков?
Лопасти ветряных турбин в основном сделаны из композитных материалов на основе полимеров. Помимо льда, лопасти на основе полимеров лучше притягивают пыль и останки насекомых, что, в свою очередь, делает лопасти шершавыми и замедляет отток воды, что и приводит к образованию льда.
Ветряные генераторы могут хорошо переносить холодные дожди и работать на поверхности моря.
Большая часть методов, которыми пользуются сегодня для очистки лопастей ото льда, либо для предотвращения обледенения — подогрев лопастей при помощи электричества или горячего воздуха. Чтобы согреть такие огромные площади, необходимо большое количество электроэнергии, что, в свою очередь, повышает цену на электроэнергию и является весьма непрактичным решением. К тому же перегрев может повредить лопасти из композитных материалов.
Были попытки производить лопасти с водоотталкивающими поверхностями, которые менее подвержены обледенению, однако ни одно из таких покрытий не было в состоянии полностью уберечь лопасти от обледенения, особенно в таких важных местах, как края лопастей.
Решением проблемы было предложено использование лопастей с необходимой для работы поверхностью и обогрев только критических частей лопастей ветрогенераторов.