Tuulivoimaloiden jäänpoistomenetelmät ja jäätämisen estäminen Suomessa : jäänpoistojärjestelmien vaikutus tuotantoon
Oksanen, Karoliina (2024)
Diplomityö
2024
School of Energy Systems, Konetekniikka
Kaikki oikeudet pidätetään.
Julkaisun pysyvä osoite on
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20241209100330
https://urn.fi/URN:NBN:fi-fe20241209100330
Tiivistelmä
Tässä diplomityössä tarkastellaan jäätämisen vaikutuksia tuulivoimaloihin Suomessa ja esitellään erilaisten jäänpoisto- ja -estomenetelmien käyttömahdollisuuksia. Työ koostuu kirjallisuuskatsauksesta ja case-tutkimuksesta.
Kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan aktiivisia jäänpoistomenetelmiä, kuten puhaltimiin ja lämmönjohtimiin perustuvia lämmitysjärjestelmiä. Lisäksi esitellään passiivisia menetelmiä, kuten hydrofobisten ja superhydrofobisten pinnoitteiden käyttö. Lämmönjohtimiin perustuvien menetelmien todettiin kuluttavan vähemmän energiaa ja mahdollistavan voimaloiden jatkuvan käytön verrattuna puhallinjärjestelmiin. Aktiivisten ja passiivisten menetelmien yhdistäminen osoittautui tehokkaimmaksi menetelmäksi energiankulutuksen ja jääneston tehokkuuden tasapainottamiseksi.
Case-tutkimuksessa vertaillaan kahta Pohjois-Pohjanmaalla sijaitsevaa tuulivoimapuistoa, joista toisessa on käytössä lapalämmitysjärjestelmä. Tulokset osoittivat, että lapalämmitysjärjestelmä paransi voimaloiden tuotantoa jäätämisjaksojen aikana, mutta kulutti hieman enemmän energiaa olosuhteissa, joissa jäätämistä ei esiintynyt. Tämä korostaa tapauskohtaisen harkinnan tarvetta jäänpoisto- tai jäänestojärjestelmään investointia suunnitellessa.
Diplomityö osoittaa, että jäätämisen vaikutusten vähentäminen parantaa tuulivoimaloiden suorituskykyä, tuotannon ennustettavuutta ja sähköverkon vakautta kylmissä olosuhteissa. Jäänpoisto- ja -estomenetelmien kehittäminen on keskeistä tuulivoiman tehokkaan hyödyntämisen edistämiseksi arktisilla alueilla. This Master’s thesis examines the impact of icing on wind turbines in Finland and evaluates the effectiveness of various de-icing and anti-icing systems. The study identifies the key challenges posed by Finland’s long, variable winters and explores commercially available solutions, emerging technologies, and their operational and economic viability.
The literature review presents active de-icing methods, such as thermal methods, alongside passive solutions like hydrophobic coatings. Active systems utilizing conductive elements were found to consume less energy compared to hot air injection systems. Combining active and passive methods, such as heating elements with superhydrophobic coatings, emerged as the most efficient approach, balancing energy use and performance.
A case study compares two wind farms in Northern Ostrobothnia: one with a blade-heating system and one without. Results indicate significant performance benefits during icing periods for the equipped turbines but slightly higher energy consumption in non-icing conditions. These findings emphasize the importance of context-specific evaluations when investing in de-icing systems.
The study concludes that mitigating icing enhances turbine performance, energy reliability, and grid stability in cold climates. Continued advancements in de-icing and anti-icing technologies are essential for optimizing wind energy in arctic regions.
Kirjallisuuskatsauksessa tarkastellaan aktiivisia jäänpoistomenetelmiä, kuten puhaltimiin ja lämmönjohtimiin perustuvia lämmitysjärjestelmiä. Lisäksi esitellään passiivisia menetelmiä, kuten hydrofobisten ja superhydrofobisten pinnoitteiden käyttö. Lämmönjohtimiin perustuvien menetelmien todettiin kuluttavan vähemmän energiaa ja mahdollistavan voimaloiden jatkuvan käytön verrattuna puhallinjärjestelmiin. Aktiivisten ja passiivisten menetelmien yhdistäminen osoittautui tehokkaimmaksi menetelmäksi energiankulutuksen ja jääneston tehokkuuden tasapainottamiseksi.
Case-tutkimuksessa vertaillaan kahta Pohjois-Pohjanmaalla sijaitsevaa tuulivoimapuistoa, joista toisessa on käytössä lapalämmitysjärjestelmä. Tulokset osoittivat, että lapalämmitysjärjestelmä paransi voimaloiden tuotantoa jäätämisjaksojen aikana, mutta kulutti hieman enemmän energiaa olosuhteissa, joissa jäätämistä ei esiintynyt. Tämä korostaa tapauskohtaisen harkinnan tarvetta jäänpoisto- tai jäänestojärjestelmään investointia suunnitellessa.
Diplomityö osoittaa, että jäätämisen vaikutusten vähentäminen parantaa tuulivoimaloiden suorituskykyä, tuotannon ennustettavuutta ja sähköverkon vakautta kylmissä olosuhteissa. Jäänpoisto- ja -estomenetelmien kehittäminen on keskeistä tuulivoiman tehokkaan hyödyntämisen edistämiseksi arktisilla alueilla.
The literature review presents active de-icing methods, such as thermal methods, alongside passive solutions like hydrophobic coatings. Active systems utilizing conductive elements were found to consume less energy compared to hot air injection systems. Combining active and passive methods, such as heating elements with superhydrophobic coatings, emerged as the most efficient approach, balancing energy use and performance.
A case study compares two wind farms in Northern Ostrobothnia: one with a blade-heating system and one without. Results indicate significant performance benefits during icing periods for the equipped turbines but slightly higher energy consumption in non-icing conditions. These findings emphasize the importance of context-specific evaluations when investing in de-icing systems.
The study concludes that mitigating icing enhances turbine performance, energy reliability, and grid stability in cold climates. Continued advancements in de-icing and anti-icing technologies are essential for optimizing wind energy in arctic regions.