Это нарушает аэродинамику лезвия. Это нарушает баланс всей турбины. И это может нарушить выработку энергии на 80 процентов, согласно недавно опубликованному полевому исследованию, проведенному Хуэй Ху, профессором аэрокосмической инженерии Мартина К. Йишке из Университета штата Айова и директором университетской лаборатории физики обледенения самолетов и технологий борьбы с обледенением.

Компания Hu уже около 10 лет проводит лабораторные исследования обледенения лопаток турбин, в том числе проводит эксперименты в уникальном исследовательском туннеле ISU по обледенению. Большая часть этой работы была поддержана грантами Энергетического центра Айовы и Национального научного фонда.

"Но у нас всегда возникают вопросы о том, соответствует ли то, что мы делаем в лаборатории, тому, что происходит в полевых условиях", - сказал Ху. "Что происходит на поверхностях лопастей больших ветряных турбин общего назначения?"

Мы все знаем об одной вещи, которая недавно произошла в полевых условиях. Энергия ветра и другие источники энергии замерзли и вышли из строя в Техасе во время зимнего шторма в прошлом месяце.

Поиск полевой площадки

Ху хотел количественно оценить, что происходит на ветряных электростанциях в зимнюю погоду, и поэтому несколько лет назад начал организовывать полевое исследование. Но это оказалось сложнее, чем он ожидал. Даже в Айове, где около 5100 ветряных турбин производят более 40% электроэнергии штата (по данным Ассоциации энергетической информации США), ему не дали доступа к турбинам. Энергетические компании обычно не хотят, чтобы данные о производительности их турбин стали достоянием общественности.

Итак, Ху, который установил связи с исследователями из Школы возобновляемых источников энергии Северокитайского университета электроэнергетики в Пекине в рамках международной программы "Опыт исследований для студентов", финансируемой Национальным научным фондом, спросил, будут ли китайские ветряные электростанции сотрудничать.

Операторы ветроэлектростанции мощностью 34 турбины и 50 мегаватт на вершине горного хребта в восточном Китае согласились провести полевое исследование в январе 2019 года. Ху сказал, что большинство турбин вырабатывают 1,5 мегаватта электроэнергии и очень похожи на турбины коммунального масштаба, которые работают в Соединенных Штатах.

Поскольку ветряная электростанция, которую исследовали исследователи, находится недалеко от Восточно-Китайского моря, Ху сказал, что ветряные турбины там сталкиваются с условиями обледенения, более похожими на условия в Техасе, чем в Айове. Ветряные электростанции Айовы подвергаются воздействию более холодных и сухих зимних условий; когда зимние холода опускаются до Техаса, ветряные электростанции там подвергаются большему воздействию влаги из-за близлежащего Мексиканского залива.

Измерение льда

В рамках своей полевой работы исследователи использовали беспилотные летательные аппараты для фотографирования 50-метровых лопаток турбин после 30-часового пребывания в ледяных зимних условиях, включая ледяной дождь, морось, мокрый снег и ледяной туман.

Фотографии позволили провести детальные измерения и анализ того, как и где на лопатках турбины скапливался лед. Ху сказал, что фотографии также позволили исследователям сравнить естественную глазурь с лабораторной и в значительной степени подтвердили их экспериментальные выводы, теории и прогнозы.

Фотографии показали: "В то время как лед скапливался по всей длине лопастей, было обнаружено, что больше льда скапливается на подвесных лопастях, толщина льда достигает 0,3 метра (почти 1 фут) вблизи кончиков лопастей", - пишут исследователи в статье, недавно опубликованной онлайн журналом. Возобновляемые источники энергии. (Полный состав исследовательской группы смотрите на боковой панели.)

Исследователи использовали встроенные в турбины системы управления и сбора данных, чтобы сравнить рабочее состояние и выработку энергии при наледи на лопатках с более типичными условиями без льда.

"Это говорит нам о том, в чем проблема, как это влияет на производство электроэнергии", - сказал Ху.

Исследователи обнаружили, что глазурь оказала большое влияние:

"Несмотря на сильный ветер, было обнаружено, что обледеневшие ветряные турбины вращаются намного медленнее и даже часто отключаются во время обледенения, при этом потери мощности, вызванные обледенением, составляют до 80%", - пишут исследователи.

Это означает, что Hu продолжит работать над другой областью исследований ветряных турбин - поиском эффективных способов удаления льда с лопастей, чтобы они продолжали вращаться, а электричество продолжало поступать всю зиму.