Lynnedslag i vindmølle

De destruktive lyn

mandag 03 sep 12

Kontakt

Joachim Holbøll
Professor, Vicecenterleder
DTU Elektro
45 25 35 15

Global Lightning Protection Services

Global Lightning Protection Services A/S har eksisteret siden april 2012 og blev til efter en fusion af de tre virksomheder Highvoltage.dk ApS, Electricon A/S og Testinglab Denmark ApS. I dag beskæftiger virksomheden 15 ansatte fordelt på to lokaliteter i Lejre og Herning, hvor også virksomhedens store testfacilitet ligger.

 

Testfaciliteten er 73 meter lang, 30 meter bred og 14 meter høj, hvilket betyder, at selv de største komponenter fra vindmøller, f.eks. naceller (maskinhuse) og vinger, kan komme ind i hallen. Virksomhedens kunder kommer i dag fra hele verden, bl.a. Tyskland, Japan, Spanien, Brasilien og Kina. Og blandt kunderne finder man vindmølle-mastodonter som Envision, Mitsubishi Power Systems Europe, Siemens og Vestas Wind Systems.

 

Ud over konkrete testfaciliteter får kunderne også mulighed for at få rådgivning til specifikke løsninger og designhjælp af eksperter på området.

200.000 ampere vrider sig gennem vindmøllen og alle dens indre dele, når et lyn slår ned. Derfor skal vindmøller designes, så den destruktive strøm ledes uden om de vitale dele af møllens elektronik, og både design og materialer skal kunne modstå den omfangsrige ødelæggelse, lynet kan forårsage.

 

Brand, nedsmeltning, systemfejl og hjertestop er bare nogle af de fatale konsekvenser, det kan have, når lynet slår ned. Lynet sender nemlig enorme mængder af strøm igennem alt, hvad det rammer. Om det er en golfspiller på en græsplæne, et fly i luften eller en vindmølles vinger på havet.

I takt med at Danmark i højere grad satser på vindenergi, planlægges opførelsen af flere havmølleparker ud for de danske kyster. Og i en havmøllepark er møllerne ikke blot det højeste og mest oplagte punkt i miles omkreds for lynet at slå ned. De rager faktisk så højt op over havets overflade, at de i sig selv øger risikoen for, at lynet rammer.

Vindmølleproducenterne bygger derfor møller og vinger, der kan håndtere lynnedslag, og både design og komponenter testes og forbedres til stadighed for at leve op til det sæt af standarder, som findes inden for lynbeskyttelse af vindmøllevinger. Og her kommer Søren Madsen ind i billedet. Han er teknisk direktør i Global Lightning Protection Services A/S:

”Vores firma har specialiseret sig i lynbeskyttelse. Vi tester og optimerer på design og komponenter i vindmøller og sørger for, at de lever op til de standarder, som industrien har vedtaget. I vindmølleindustrien har man gennem de seneste år bygget højere og højere møller, og der er samtidig kommet flere og mere specifikke krav fra både købere og forsikringstagere om, at design og komponenter kan modstå de lyn, som nogle steder slår ned helt op til ti gange om dagen.”

En af årsagerne til indførelsen af standarder er, at den såkaldte nedetid, hvor møllen ikke producerer strøm, koster mange penge for mølleejerne og forsikringstagerne. Og kommer der et decideret behov for eftersyn, reparationer eller udskiftning af fejlramte dele, kan det koste fra nogle få tusinde til flere hundrede tusinde euro. Navnlig hvis møllerne står på havet, og det i tilfælde af stærk vind og høj bølgegang kan være nødvendigt at bruge en helikopter for at få folk ud til møllen.

”Så hvis vi skal vi have flere vindmøller i vores elsystem og stadig sikre en tilstrækkelig pålidelighed, skal producenterne og mølleejerne fortsat prioritere lynbeskyttelse højt,” uddyber Søren Madsen.

Lynkarriere
Søren Madsen har gjort lyn til en karriere. Med en uddannelse som stærkstrømsingeniør fra DTU fokuserede han allerede i sit speciale og senere i sit ph.d.-projekt, som han udarbejdede på DTU Elektro, på lynbeskyttelse af vindmøllevinger. I 2005 var det derfor et naturligt skridt at bruge den viden og indsigt, han havde fået på området. Det blev til det, der i dag efter en række fusioner er virksomheden Global Lightning Protection Services, som er en international succes med førende danske og udenlandske vindmølleproducenter som kunder.

”Lynbeskyttelse af vindmøllevinger var et område, som på det tidspunkt var kommet i fokus, da man i Danmark havde opsat verdens første havmøllepark. Her havde man observeret, at lyn havde ødelagt både møller og vinger. I mit ph.d.-projekt var DTU gået sammen med industrien for at blive klogere på, hvad der præcis sker, når lynet slår ned, og hvad spændingen og den voldsomme strøm gør ved materialerne,” forklarer Søren Madsen og tilføjer, at det højaktuelle emne gjorde det nemt at få testemner og materialeprøver fra bl.a. Vestas og LM Wind Power.

Det meste af den viden, man havde om lynbeskyttelse af vindmøller på det tidspunkt, var erfaringsbaseret eller stammede fra flyindustrien. Og det samme gjaldt for testlaboratorierne, som enten havde fokus på test til fly, eller som var for små til at rumme de store komponenter fra vindmøllerne. Søren Madsen så derfor et udækket behov i at hjælpe vindmølleproducenterne med specifikke beregninger, rådgivning og ikke mindst testfaciliteter målrettet vindmøller.

I begyndelsen bestod virksomheden kun af ham selv, og han lejede sig ind i højspændingslaboratoriet på DTU, som han kendte i forvejen.

”Men siden har både behovet for stadig større testfaciliteter og det, at vi har fået flere kunder, gjort det nødvendigt at flytte forretningen til nye faciliteter bygget specielt til formålet,” smiler en begejstret Søren Madsen, der både har nydt den faglige kobling til universitetet og nu også sin uafhængighed i egne og større faciliteter i Lejre og Herning.

Om lyn

  • Et lyn er en stor elektrisk udladning i jordens atmosfære.
  • Strømmen løber gennem luften, ved at luftens molekyler ioniseres af den elektriske spændingsforskel, der til sidst danner det ioniserede plasma mellem sky og jord.
  • Mens strømmen løber igennem kanalen, kan temperaturen nå 20-30.000 grader C, eller to-tre gange så varmt som solens overflade.
  • De enkelte strømpulser i et lyn varer kun nogle få millisekunder, mens den samlede varighed af et lyn kan være op til et sekund.
  • I dette tidsrum overføres kortvarigt strømme op til 200.000 ampere.
  • For at lynet kan opstå, skal der være en spændingsforskel på ca. 10-50 millioner volt mellem skyen og jorden.

Kilde: Global Lightning Protection Services

Samarbejdet med DTU er dog stadig vigtigt for Søren Madsen, der bl.a. fungerer som ekstern vejleder i ph.d.- projekter, der omhandler lynbeskyttelse.

Joakim Holbøll
Lektor Joakim Holbøll i højspændingslaboratoriet på DTU, hvor man kan simulere lynnedslag, som ligner dem, vindmøller udsættes for. 
Hvordan simulerer man et lyn?
For at forstå det er det nødvendigt at forstå lidt af fysikken bag et lyn. I naturen opbygges der en såkaldt ladningsfordeling i de sorte tordenskyer med hovedsagelig positiv ladning i toppen og negativ ladning i bunden af skyen. På et tidspunkt bliver det elektriske felt så stort, at luften ioniseres, hvilket betyder, at molekylets dele skilles ad, og et meget varmt plasma i form af delvist ioniseret luft bevæger sig ned mod jorden med en hastighed på op mod 100 km i sekundet. Når tippen af denne forgrenede plasmakanal nærmer sig jorden, stiger feltet omkring træer, vindmøller og andre høje strukturer, og der dannes en svarudladning. Denne udladning kortslutter til sidst sky- og jordudladningerne. Efter kontakt mellem de to er sket, aflades den ophobede ladning i selve kanalen ned i jorden. Temperaturen af kanalen stiger derefter til ca. 20.000 grader C, luften begynder at lyse, trykket stiger osv. Det er det, vi ser, når et lyn lyser himlen op. Kun i naturen sker processen på én gang, fortæller Joachim Holbøll, der er lektor på DTU Elektro og til daglig leder komponentgruppen, hvor Søren Madsen startede sin karriere. Og han fortsætter:

”I laboratoriet må man dele processen op i to. Først bruges en stødspændingsgenerator til at generere et stærkt elektrisk felt, som ligner det, vindmøllen udsættes for i virkeligheden. Denne test resulterer i en lang gnist på flere meter – dog uden nævneværdig strøm – der viser, hvor lynet slår ind i testemnet. F.eks. i indslagsstederne, også kaldet receptorerne, på en vingetip, som er konstrueret, så lynet rammer netop disse punkter. Herefter ledes strømmen fra lynet gennem et nedledersystem til jord, uden at det forvolder skade på møllen og dens indre dele.

Når indslagsstederne er fundet, kan man efterfølgende sende den skadevoldende lynstrøm på op til 250.000 ampere og flere tusinde coloumb gennem emnet. Til dette formål anvendes stødstrømsgeneratoren. Denne test bestemmer skadevirkningen baseret på elektrodynamiske kræfter, opvarmning, afsmeltningen osv.,” fortæller Joachim Holbøll.

Med de to metoder har man simuleret et reelt lynnedslag, og det er netop disse metoder, Søren Madsen har overført til den nye testfacilitet i Herning. Den er et af verdens største kommercielt drevne lynlaboratorier. Men ud over de store test, hvor hele vinger og andre komponenter som naceller (maskinhuse) køres ind til test, udfører firmaet også en lang række design- og konstruktionsopgaver, havarianalyse i felten, simuleringer og modelarbejde, samt mindre test på f.eks. kompositmaterialer og kulfiber for en lang række danske og udenlandske firmaer.

”Det er altid spændende, når vores studerende kaster sig ud i at rykke forskningen ud i samfundet, som Søren har gjort. Det kræver en god portion gåpåmod og vedholdenhed, så det er dejligt at se, når det lykkes,” slutter Joachim Holbøll. 

Relaterede Videoer  

Vis flere