Varför går vissa vindkraftverk sönder oftare än andra?
I SWPTC:s stora honnörsprojekt om svåra driftsförhållanden, har man nu kunnat bevisa att det faktiskt inte handlar om ”otur” utan om vindens flyktiga natur.
Text Anna Hagnell
Somliga vindkraftägare har haft otur genom åren: Verken har gått sönder och drabbats av stillestånd, långa produktionsstopp och kostsamma reparationer. I synnerhet är det växellådor som slutat fungera. I ett fall har en ägare tvingats byta så många som tre växellådor på nio år, på ett och samma verk. Ändå har förklaringen ”vissa drabbas mer av otur än andra”, varit den som ägare fått av vindkraftstillverkare säger SWPTC:s föreståndare Ola Carlson.
– Tillverkarna har förklarat för sina kunder att ett fel kan ha många orsaker; kanske otur i gjutningen i fabriken eller materialbearbetningar som varit svåra att utföra. Detta visar att det är svårt att veta varför växellådor egentligen går sönder.
DET KRÄVDES OMFATTANDE studier för att få en mer entydig förklaringsmodell. Det handlar nämligen inte om otur, den saken är klar.
FÖR ATT KOMMA FRAM TILL detta har en mängd parametrar bokstavligen kartlagts – mycket handlar om beräkningar av de lokala förutsättningarna i förhållande till områdets topografi. Var ett vindkraftverk står, helt enkelt. Kartor har varit en viktig utgångspunkt och med hjälp av dem har topografin identifierats, såväl höjdskillnader som huruvida kringliggande mark är skog bevuxen eller består av öppna fält. Dessa data har sedan lagts till befintliga vindmätningar varefter aerodynamiska beräkningar har kunnat göras.
– Vindens hastighet är aldrig densamma över rotorns hela area. När man räknar ut ett vindfält för ett vindkraftverk så handlar det oftast inte om beräkningar som följer en snäll, rak linje, konstaterar Ola med ett leende.
HAR MAN ÅTTA VINDKRAFTVERK i en park,
finns det i praktiken också åtta individuella vindfält som alla skiljer sig från varandra.
– Då gäller det att vara duktig på att räkna, för att kunna förutsäga hur förutsättningarna för de olika verken ser ut. Datorn får svettas en del, om man säger så.
CHALMERS STORDATOR har tuggat igenom de många parametrarna – och resultatet förvånade forskarna.
– Vi har kunnat se att vinden pendlar mycket mer än vad vi förväntade oss. På utsatta ställen slår vinden från sida till sida. I ena stunden snedblåser det 15–20 grader åt ena hållet, i nästa stund är det 15–20 grader från det andra.Det kan även blåsa snett uppåt.
EN STOR DEL AV FÖRKLARINGEN till fenomenet finns i topografin. Alla hinder, som bergknallar och branter, påverkar det enskilda verkets vindfält, liksom hur det står i förhållande till andra vindkraftverk. Ett verk som utsätts för dessa ständigt växlande vindar får märkbart större mekanisk last på sin växellåda, än ett verk som står i närheten i annan terräng!
– De laster vi ser på vissa av de här verken passar helt enkelt inte in i standardberäkningar.
De är extra mycket belastade. Och det i sin tur indikerar ju också att standarden för vindkraftverk är lite väl optimistisk för ett verk i komplex terräng, framhåller Ola.
Parallellt pågår nu vidareutveckling av beräkningsmodeller för hur växellåda och andra mekaniska delar i maskinhuset slits av kastvindarna.
– Det gäller ju att vi sorterar in platsen för ett vindkraftverk i rätt vindklass. I våra beräkningar ser vi att turbulensen ökar när terrängen är kraftigt kuperad. Vi har också kunnat konstatera att vid en viss lastnivå åldras verken inte särskilt mycket, men passeras den nivån bara en aning så åldras det mycket snabbare. Nu vill vi koppla ihop den där magiska gränsen till vindkraftverkets märkeffekt. Då kan vi föreslå en sänkning av effekten vid svåra vindförhållanden.
På Västgötaslätten finns förutsättningar för att hålla sig under den gränsen, eftersom det är stora öppna fält där en jämn vind drar fram, till godo för vindkraftverken. Mer svårberäkneliga vindar finns exempelvis i Dalarnas kuperade landskap där verken tar mer stryk, menar Ola.
– Därför måste tillverkarna ta höjd och dimensionera verk och delar efter var verket ska stå, på ett mer noggrant sätt än vad som görs idag.
I modeller kan man simulera resultat för varje enskilt verk i en park. Ett sätt att bemöta kastvindars påverkan på en växellåda, kan vara att sänka vindkraftverkets märkeffekt från exempelvis 2 MW till 1,8 MW, för att skydda det.
– Det är en arbetshypotes, några exakta siffror har vi inte än. Poängen är att det inte handlar om några stora produktionsförluster. Även om man sänker med så mycket som 15 procent innebär det inte totala förluster på lika mycket, eftersom verken bara går med full effekt tio till 15 procent av årets timmar.
Att fokusera på laster har visat sig vara en framkomlig väg. Tester styrker teorin. Ola påpekar att den här typen av justeringar inte bör kräva mer än att några parametrar ändras i ett dataprogram, ”gjort på någon minut för den som kan”. På så vis vrids bladen lite tidigare än vanligt, för att begränsa de mekaniska lasterna från vinden. Fler delar som man behöver bedöma utmattning av, är fundamentet som också påverkas av de mekaniska lasternas spridning.
– Därför behöver man redan i gjutningen dimensionera för de lokala förhållandena. Där har vi inga resultat än, men de kommer. Hur drivsystem med generator och frekvensomriktare påverkas av exempelvis åsknedslag på nätet, är ytterligare parametrar att ta hänsyn till, eftersom detta i sista änden också påverkar hur länge växellådan klarar sig. Beräkningarna visar dock att detta inte är ett problem så länge som kopplingen mellan generator och växellåda har viss mjukhet i sin konstruktion.
– Ett brett samverkansprojekt som detta, med representanter för aerodynamik, struktur-mekanik, konstruktionsteknik, el och reglerteknik, är viktigt för att komma framåt. Under ett antal år har vi övat på att bli duktiga var för sig.
Nu behöver vi slå våra påsar ihop. Det krävs för att vi ska bli duktiga tillsammans, utbrister Ola.
Ett samarbete även med industrin är viktig, då installation av nya givare som mäter lasterna mer frekvent än idag skulle vara fruktbart, menar Ola och hans kolleger. Med mätningar minst en gång i sekunden blir exaktheten i beräkningar av laster högre.
– De flesta talar om livslängden på vindkraftverk. Vi pratar om hur lång livslängd ett enskilt vindkraftverk har, beroende på var det står. Det är toppar som äter livslängd, inte ett medelvärde, fastslår Ola och understryker betydelsen av att kunna göra det:
– Jag skulle vilja åka runt till alla verk för att mäta och räkna på dem. Till somliga skulle jag kunna säga ’kör för fullt’. Till andra skulle jag rekommendera att de sänker märkeffekten med 20 procent. Det tror jag verkligen skulle vara ett bra sätt att köra Sveriges vindkraft-flotta på ett optimalt sätt!