Testen met ijsvorming en lage temperaturen in klimaatkamer OWI-Lab

Onderzoekers van de Nederlandse Technische Universiteit van Delft hebben voor hun R&D rond de ontwikkeling van een nieuwe ontvriestechniek testen met ijsvorming en lage temperaturen uitgevoerd in de klimaatkamer van het OWI-Lab. Deze testen zullen hen verder helpen in hun ontwikkeling van een ontvriestechniek op basis van ns-DBD-plasma-actuatoren. 

Aangezien het gebruik van windenergie in regio's met een koud klimaat groeit, verdiepen onderzoekers en ingenieurs zich in optimalisatieprojecten rond de bestendigheid tegen koude temperaturen en mogelijke problemen met ijsvorming op de rotorbladen. Door de uitstekende windcondities in de meeste koude klimaatzones, een hogere luchtdensiteit, lage bevolkingsdichtheid en nieuwe technologische oplossingen die een antwoord bieden op de uitdagingen gerelateerd aan lage temperaturen en ijsvorming op wieken, komt de windenergiemarkt in koude klimaten in een stroomversnelling. Men spreekt zelfs over éénzelfde potentieel als de huidige offshore-markt.

Een windturbinepark in een koud klimaat en een voorbeeld van ernstige ijsvorming op een rotorblad

IEA Wind: Task 19 - Wind Power in cold climates, een internationale werkgroep van experts in IEA R&D Wind die zich sinds 2002 over windenergie in koude klimaatomstandigheden buigt, rapporteerde op de WinterWind-conferentie in 2014 al over het potentieel van deze relatief nieuwe markt voor windenergie. Naast de marktstudie rond een 60 GW-geïnstalleerde basis voor windenergie in koude klimaatomstandigheden in 2012, werd ook gekeken naar een geprojecteerde 50 GW-pipeline voor de nabije toekomst tussen 2013 en 2017, projecten dus die momenteel lopende zijn. Het rapport wees ook op een grotere bewustwording van de uitdagingen van een lage temperaturen en op de stijgende vraag naar 'dedicated' koude klimaattechnologieën inzake anti-oplossingen voor rotorbladen (zie volgende publicatie). 

Testen in koud klimaat

In 2012 installeerde het OW-Lab, dat sinds vorig jaar deel uitmaakt van de IEA Task 19, een grote klimaatkamer als antwoord op de behoeften van de windindustrie, om validatie- en verificatietesten uit te voeren in extreme klimatologische omgevingen. De testinfrastructuur laat bedrijven en onderwijs- en onderzoeksinstellingen toe experimenten en validatieprojecten uit te voeren in zowel koude, hete, tropische klimaten als in een offshore-omgeving. Sinds de opening ervan heeft de faciliteit ondersteuning kunnen bieden aan tal van OEE's en leveranciers van componenten voor testen op tandwielkasten, omvormers, transformatoren, onderhoudskooien en andere technologieën die te maken hebben met windturbines. 

Lage temperatuurtesten, voornamelijk performantietesten bij koude opstart en verificatietesten op grote en zware componenten en machines voor gebruik in koude temperaturen, zijn ondertussen de specialiteit van het Lab geworden. 

Links: een tandwielkast van een 6,15 MW windturbine, getest op koude start; rechts: gecontroleerde ijsvormingstest (een 3 mm dikke ijslaag) in de grote klimaatkamer van OWI-Lab

Dankzij de grote afmetingen (10,6 m x 7 m x 8 m), het grote  koelvermogen en bijbehorende snelle koelmogelijkheden tot wel -60 °C is de klimaatkamer ook bruikbaar om ijsvormingstesten uit te voeren. Zowel prototypes van antivries- als ontvriessystemen kunnen gevalideerd worden dankzij het gebruik van ijsspuittoestellen in de klimaatkamer, om zo experimenten uit te voeren in een gecontroleerde omgeving. Op dit vlak verleende OWI-Lab TU Delft ondersteuning bij de ontwikkeling van een nieuw elektro-thermisch ontvriessysteem op basis van nanoseconde-gepulseerde DBD ('dielectric barrier discharge') plasma-actuator die potentieel biedt voor anti- en ontvriesmogelijkheden op rotorbladen van windmolens of helikopters en vleugels van vliegtuigen. Verschillende R&D-testen werden vorig jaar uitgevoerd in de klimaatkamer om de ontwikkeling van een prototype te ondersteunen. 

DBD-plasma-actuatoren

DBD-plasma-actuatoren zijn de laatste jaren al veelvuldig onder de loep genomen in aerodynamicaonderzoek, omwille van hun unieke karakteristieken en hun vloeicontrole-eigenschappen. Nanoseconde-gepulseerde DBD-plasma-actuatoren bleken in staat een ultrasnel gasverhittingsmechanisme op gang te brengen. In de literatuur werden temperatuurstijgingen van het gas gerapporteerd van honderden graden juist boven de actuator. Om een bruikbare toepassing te vinden voor dit verhittingsmechanisme werden experimenten uitgevoerd in de klimaatkamer van het OWI-Lab, om zo te testen of de mogelijkheid bestaat ijs dat zich direct op de DBD-plasma-actuatoren vormt te doen smelten.

Nano-seconde gepulseerde DBD-plasma-actuatoren in actie

Dit onderzoek kan interessant zijn voor de ontwikkeling van toekomstige ontvriestoepassingen die gebruik maken van plasma-actuatoren op aerodynamische oppervlakken, zoals de rotorbladen van windturbines. Verschillende configuraties met plasma-actuatoren werden getest in de klimaatkamer aan een temperatuur van -20 °C, terwijl  een ijsspuitsysteem werd ingezet om ijslagen te vormen op de plasma-actuatoren. De energie die gebruikt werd tijdens het ontvriesprocedé werd hierbij opgevolgd, net zoals de opwarming van het oppervlak, met behulp van een thermische camera. De experimenten toonden aan dat de actuator in staat is verschillende millimeters van de ijslaag te smelten binnen enkele honderden milliseconden. Dankzij deze snelheid in combinatie met een laag energieverbruik kan de techniek een groot voordeel bieden tegenover de vandaag bestaande ontvriestechnieken. 

De onderzoekers van TU Delft: "We voerden een testcampagne van drie dagen in het OWI-Lab, aangezien dit type van gecontroleerde testomgeving niet beschikbaar is aan de universiteit van Delft. De uitgevoerde testen geven ons inzicht in de aspecten waarop we ons moeten concentreren bij de verdere ontwikkeling van een ontvriestechniek op basis van ns-DBD-plasma-actuatoren."



TU Delft presenteert haar onderzoek van en inzichten in deze nieuw ontwikkelde ontvriestechniek op de Winterwind-conferentie in Åre (Zweden), die plaatsvindt in februari 2016.