FORSKNING PÅ VANNKRAFT

Filmer vannstrømmen med 4000 bilder i sekundet for å gjøre turbinene mer effektive

NTNU-stipendiat.

En marginal økning i en turbins effektivitet kan gjøre at kraftselskapene tjener mye mer penger på et vannfall.

Derfor har det i over hundre år vært hard konkurranse mellom turbinprodusentene om å stadig bygge mer effektive turbiner.

Denne kunnskapen har imidlertid turbinprodusentene i stor grad holdt for seg selv. Selv i et vannkraftland som Norge er det lite offentlig tilgjengelig forskning på turbiners effektivitet.

Ekstrem hastighet

Det vil stipendiat Bjørn Winther Solemslie ved NTNU bidra til å endre. Han filmer skovlene i sin selvbygde peltonturbin med høyhastighetskamera.

Kameraet kan filme opptil 775.000 bilder i sekundet, men vi ligger vanligvis rundt 3000-4000 bilder i sekundet.

Målet er å forstå bedre hvilke strømningsmekanismer som påvirker strømningen i pelton-skovler og hvordan dette påvirkes av geometrien.

Om lag en tredel av turbinene i norske vannkraftverk er peltonturbiner, og disse brukes ved store fallhøyder og relativt lav vannføring.

Disse turbinene finnes derfor stort sett i Norge, alpelandene, Nepal og noen steder i Andesfjellene, mens francis- og kaplanturbinene er langt mer utbredt på verdensbasis. Disse opererer på lavere trykk.

Til forskjell fra turbinprodusentene gir Solemslie full tilgang og innsyn i sin turbin og forskningen på denne. Dermed kan andre akademikere, men også turbinprodusenter, bygge videre på forskningen.

Les også: 12 megadammer som endret verden

Stipendiat Bjørn Solemslie ved NTNU viser fram sin forsøksturbin (pelton) ved vannkraftlaboratoriet. Kameraet tar bilder av turbinen 3000-4000 ganger i sekundet for å finne ut hvorfor vannet beveger seg som det gjør i turbinen. Øyvind Lie

Lav virkningsgrad

Solemslies turbin er ikke særlig effektiv. Den har en virkningsgrad på kun om lag 85 prosent, mens andre peltonturbiner nå typisk har en virkningsgrad på opp mot 93 prosent.

Turbinen har blant annet et såkalt gapetap, som betyr at det kommer mye vann ut av gapet i fronten av skovlene. Den dårlige virkningsgraden gjør det lettere å se hva som kunne vært gjort mer optimalt.

– Vi driver med grunnforskning og forsker på fysikken som gjør at turbinen fungerer på den måten den gjør. Det er en veldig sterk kobling til geometrien. Det er derfor jeg har produsert referanseturbinen min, for å få mulighet til å forklare mekanismene ut fra geometrien. Det hadde vi ikke hatt mulighet til hvis vi hadde lånt en turbin fra en produsent.

– Men er det ikke allerede matematiske og geometriske regler som forklarer dette?

– Det finnes noe, men det er ikke så mye. Bare det at man kan ha en stråle som sprer seg utover slik at vanntykkelsen forandres, det å predikere hvordan dette skjer, finnes det for eksempel ingen analytisk løsning på, sier Solemslie.

Les også: Kraftselskapet slet med å finne ingeniører - nå strømmer de til fra oljebransjen

Bransjen positiv

Forskeren mener åpne forskningsresultater er bra for å øke nysgjerrigheten blant studentene.

– At studentene kan få innsyn i noe og prøve det selv, er en veldig god ting, sier han.

Det er ifølge Solemslie relativt lite forskning på peltonturbiner i resten av verden. Tilbakemeldingen fra bransjen har vært positiv. Han fikk til og med prisen for beste studentoppgave på et symposium i Montreal i september.

Prisen ble delt ut av ut turbinprodusenten Voith og bidro til at Solemslie ble enda mer overbevist om at forskningen han gjør er viktig.

Det er Energi Norge og kraftbransjen som har gitt penger slik at Solemslie får gjennomføre sin doktorgrad.

Resultatene av Solemslies forskning vil blant annet bli brukt til å videreutvikle simuleringsverktøy for peltonturbiner. Disse simuleringsverktøyene er ennå ikke på høyde med de som brukes på for eksempel francisturbiner.

Les også: Aldri har det blitt produsert så mye vindkraft i Norge som i fjor

Blir ved sin lest

– Vil du ikke begynne å jobbe for noen av disse turbinprodusentene?

– Nei, jeg har lenge vært klar på at jeg har mest lyst til å bli værende på Gløshaugen (ved NTNU, red. anm.) og fortsette den akademiske veien. Jeg vil forske, ikke for å øke virkningsgrad og profitt, men for å øke den felles kunnskapen om en vannkraftturbiner. Så får selvsagt den som vil bruke kunnskapen til å øke sin egen profitt.

Samtidig understreker han at han har full forståelse for at det er nødvendig med hemmelighold fra turbinprodusentene siden de opererer i en konkurranseutsatt bransje.

Solemslie setter pris på å veilede masterstudenter på vannkraftlaboratoriet, og beskriver det sosiale miljøet som svært godt.

– Tror du du har funnet fram til noe som ikke turbinprodusentene allerede har funnet ut?

– Nei, det tror jeg ikke. Det kan være jeg kommer med innsikter som noen ikke har. De fleste har jo sin metode og tankegang og strategi, som de har utviklet over mange år, sier han.

Les også: Rattsø-utvalget: Vannkraften bør kunne selges til utlandet

Kamera i skovlen

Neste steg blir å montere et boroskop inne i skovlen, og filme som om man er om bord i skovlen og ikke bare i forbifarten.

– Dette vil gjøre det mulig å studere hele strømningsforløpet inne i skovlen og kan gi oss et bilde på hvordan vannets bevegelse forandres i steg på millisekunder, sier Solemslie.

Han vil også installere trykksensorer i skovlen.

– Til det strakk ikke tiden og pengene til i første omgang, men dette er et naturlig steg videre i forskningen, sier Solemslie.

Les også:

Her er Norges nye vindkraft-mester

Hywind kunne satt produksjonsrekord, men servicebåten kom seg ikke ut på to måneder

Staten har brukt 750 millioner på havvind - fortsatt har vi ingen havvindpark