Analysis of a Hydrophobic Coating as Passive Anti-ice Solution for Wind Turbines

Abstract

The future of energy production lies in renewable energy sources, and one of them is wind power. However, cold climates around the world are quite challenging when it comes to harnessing the wind for power production. The icing of turbine blades and anemometers often bring turbines to a grinding halt, which of course leads to significant production losses. Possible solutions for this problem include active and passive approaches. In this thesis, a new hydrophobic coating that could work as a passive anti-ice solution for wind turbine applications was analyzed. Actual anti-ice properties could not be investigated due to lack of requisite equipment, but a number of mechanical properties also important for assessing the functionality of the coating were studied. In addition, surface drying times at a constant temperature and different levels of humidity were determined to learn more about the curing behavior of the coating. Testing was carried out both on-site on a 1 MW turbine situated in Kotka, Finland as well as under laboratory conditions. The on-site testing involved the coating of test areas on turbine blades and subsequent inspections, and the laboratory testing followed procedures described in international standards as closely as possible. The results showed a very good performance of the coating in terms of material properties such as adhesion, film hardness and dirt repelling tested in this study. This contributes to the completion of the material database and encourages to the execution of further testing to create a version of the coating that is fully employable on wind turbines.

Uusiutuvat energianlähteet ovat energiantuotannon tulevaisuus, ja tuulivoima kuuluu samaan joukkoon. Kylmät ilmastot ympäri maailmaa kuitenkin asettavat omat haasteensa tuulivoiman hyödyntämiselle. Siipien ja anemometrien jäätyminen aiheuttaa usein merkittäviä tuotannon menetyksiä, sillä se voi johtaa tuulivoimalan pysähtymiseen. Ongelman mahdollisiin ratkaisumalleihin kuuluu sekä aktiivisia että passiivisia lähestymistapoja. Opinnäytetyössä analysoitiin uudenlaista hydrofobista pinnoitetta, joka voisi toimia passiivisena jäätymisenestoratkaisuna tuulivoimasovelluksissa. Tarvittavien laitteiden puuttumisen takia varsinaisia jäätymisenesto-ominaisuuksia ei voitu tutkia, mutta muutamia pinnoitteen toimivuuden arvioimiselle tärkeitä mekaanisia ominaisuuksia tarkastettiin. Lisäksi määritettiin pintakuivumisaikoja vakiolämpötilalla ja eri ilmankosteusprosenteilla, jotta voitaisiin saada lisätietoja pinnoitteen kuivumiskäyttäytymisestä. Testaus tapahtui sekä 1 MW:n tuulivoimalalla Kotkassa että laboratorio-olosuhteissa. Kenttäkokeessa pinnoitettiin koealueita voimalan siivistä, ja niitä käytiin myöhemmin tarkastamassa kaksi kertaa. Laboratoriokokeet seurasivat mahdollisimman tarkasti kansainvälisissä standardeissa kuvattuja menettelyjä. Tulokset osoittivat pinnoitteen toimivan erittäin hyvin materiaaliominaisuuksien, kuten adheesion, kalvokovuuden ja lianhylkivyyden, suhteen. Tämä edistää materiaalitietopankin täydentämistä ja kannustaa suorittamaan lisää testejä pinnoitteen kaupallisen version kehittämiseksi tuulivoimasovelluksiin sopivaksi.