Jäätämisatlas

Suomen pohjoisen sijainnin vuoksi tuulipuistoa suunnittelevan tulee tuulisuuden lisäksi ottaa huomioon jäätäminen. Turbiinin lapoihin kertyvä jää muuttaa lapojen aerodynamiikkaa, joka puolestaan aiheuttaa tuotantotappioita. Kertynyt jää lisää myös jäänlentoriskiä ja saattaa kasvattaa tuulivoimalan kuormituksia, mikä voi puolestaan johtaa tuulivoimalan komponenttien ennenaikaiseen rikkoontumiseen. Ohutkin kerros jäätä voi haitata tehon tuotantoa, kun lavan pinnan rosoisuus muuttuu. Tuotantotappioiden miminoimiseksi tuulipuiston suunnittelussa tulisi tarpeen mukaan harkita turbiinien varustamista esimerkiksi lapalämmitys järjestelmillä. Eräiden arvioiden mukaan jäänesto järjestelmä kuluttaa alle kaksi prosenttia voimalan tuottamasta sähköstä. Jäänestojärjestelmän ansiosta voimalan vuotuinen käyttöaika voi kuitenkin pidentyä huomattavasti, kun jäätävien olosuhteiden haittavaikutukset pystytään minimoimaan.

Suomen jäätämisatlas on laskettu samoista numeeristen säämallien tuottamista aikasarjoista kuin Suomen tuuliatlas (Tammelin et al., 2011). AROME -mallin tuloksista on poimittu lähtötiedoiksi lämpötila, tuulen nopeus, pilven vesisisältö (pilvijään ja pilviveden määrät) sekä sateen eri olomuodot (sade, lumi ja lumirae). Nämä suureet on syötetty erilliselle jäätämismallille, josta tuloksena on saatu hetkellinen jään kertymänopeus sekä kumulatiivinen jään kertymä. Kertymien lisäksi on laskettu arvio jäätämisen aiheuttamista tuotantotappioista. On syytä huomioida, että todellisuudessa jään muodot tuuliturbiinin lavoilla voivat olla paljon monimutkaisempia ja tuotantotappiot siten suurempia kuin tietokonemallinnuksen antamat tulokset. Tarkempaa tietoa tuulivoimasta jäätävissä oloissa ja sen vaikutuksia voi lukea esimerkiksi: IEA Wind Task 19 raportit, Tammelin et. al. (2000), Ronsten (2009), Homola et. al. (2010) ja konferenssijulkaisut Winterwind ja Boreas konferensseista.

Tutkimuksessa on keskitytty jäätävien olosuhteiden haittavaikutusten kartoittamiseen tuulivoiman tuotannon kannalta. Tulosten laskennassa on otettu huomioon pilvistä aiheutuva jäätäminen (nestemäinen alijäähtynyt vesi). Numeeriset säämallit eivät kykene ottamaan huomioon keinotekoisia pilviä, kuten esimerkiksi suurten voimalaitosten päästämiä savukaasuja, jotka myöskin sisältävät nestemäistä vettä. Tämän lisäksi säämallit eivät huomioi meren ja järvien aaltojen murtumisesta aiheutuvia pärskeitä ja niistä johtuvaa jäätämistä.

Työn aikana on selvitetty yhteys standardisylinterin ja tuuliturbiinin lavan pinnalle muodostuvan jään välille. Standardi sylinterille laskettujen jäämäärien hyödyntäminen muissa sovelluksissa, kuten esimerkiksi voimajohtojen ja tietoliikennemastojen kunnossapidossa, on käyttäjän itse määriteltävissä.

Mitä jäätämisellä tarkoitetaan?

Tässä työssä jäätämisellä tarkoitetaan tuuliturbiinin lapojen jäätymistä, jota esiintyy olosuhteissa joissa lämpötila (sekä ilma että turbiinin lapa) on pakkasen puolella ja ilmassa on havaittavissa nestemäisiä vesipisaroita. Kylmän pinnan kohdatessaan nämä nestemäiset pisarat jäätyvät. Suomen olosuhteissa jäätävää sadetta tai niin sanottua alijäähtynyttä vesisadetta esiintyy kohtalaisen vähän, mutta talvella matalalla leijailevat pilvipisarat tarttuvat nopeasti kylmiin pintoihin.

Pilvipisaroiden pisarajakauma sekä tuulen nopeus vaikuttavat jään kertymiseen. Hyvin pienet/kevyet pisarat kiertävät esteen ilmavirtauksen mukana, mutta suuremmat partikkelit eivät ehdi muuttaa kulku suuntaansa vaan törmäävät esteeseen. Mitä voimakkaampi tuuli sitä suurempi osa partikkeleista törmää esteeseen.