od Klause Hirzela 12.05.2016

Větrná farma
Větrná farma

Vyšší, robustnější, spolehlivější: Zároveň s rostoucími požadavky pro větrné turbíny též přibývá požadavků pro monitorovací senzory. Jak ale mohou výrobci větrných senzorů tato přání naplnit? A jak by měly budoucí senzory vypadat? Po analýze současných podmínek a trendů na trhu větrné energie náš výkonný ředitel Klaus Hirzel sepsal seznam přání pro budoucí větroměry.

Rámcové podmínky

Více než 200 000 větrných turbín bylo v posledních několika letech instalováno v souvislosti s celosvětovou energetickou revolucí. Mezitím je největším trhem Čína, po ní následují Spojené státy Americké, Japonsko, Indie a Německo. Globální trh pro obnovitelné energetické zdroje bude v následujících letech neustále růst.

Též roste množství rizik při instalaci: Turbíny jsou vyšší a podmínky extrémnější. Tímto se myslí instalace jak ve chladných klimatech, tak i na mořích ve slaném prostředí.

WS300 VENTUS

Turbíny musí být dlouhodobě funkční. Neplánované údržby jsou totiž obzvláště komplexní a finančně náročné. Uživatelé a investoři očekávají garantovanou životnost více než deset let včetně zaručení dodávky energie. Myšlenky výrobců se tak méně točí kolem proaktivní údržby, které nemusí být ze začátku důležité, ale spíše se zabývají "prediktivní údržbou" a "údržbou zaměřenou na spolehlivost".

Environmentální podmínky nadále trpí v podobě extrémního počasí. Podobně jako na akciovém trhu roste nestálost počasí. Včasné vypnutí a úprava pozice budou pro turbínu vždy důležité. Dnešní ultrazvukové větroměry mohou měřit vítr do rychlosti až 300 km/h. Detekování ledu na koncích křídel při rychlostech přibližujících se rychlosti zvuku je stále pro meteorologii velkou výzvou. 

Environmentální podmínky

Stále více než 50% větroměrů nainstalovaných na turbínách mají mechanické pohyblivé součásti. V moderních turbínách se však využívá ultrazvukových technologií s extrémně krátkou dobou odezvy. Bohužel je toto důležité snímání vyhodnocováno redundantně pouze jen v některých případech. Nicméně závadný senzor znamená ztrátu kontroly a efektivity. Z tohoto důvodu se po výrobci vyžaduje extrémně vysoká dostupnost na 99,99%.

Výrobci, kteří v technickém návrhu plánují použít záložní konstrukce, v mnoha případech využijí stejného senzoru vícekrát. Protože se povětšinou identické senzory chovají zcela totožně za identických podmínek, chovají se stejně i při problémech s námrazou. V nejhorším případě se žádná data v takovýchto situací neodešlou.

Větrný park Francii 

V tomto ohledu mají větší smysl hybridní aplikace, ve kterých je využito dvou ultrazvukových senzorů od jiných výrobců nebo ultrazvukový senzor v kombinaci s mechanickým. S dvěma odlišnými metodami je nepravděpodobně, že oba senzory ve stejnou dobu dočasně selžou např. v případu namrznutí. Ale i při včasné úpravě pozice turbíny je vítr ,,za křídly" měřen příliš pozdě. Pochopitelné je přání zachytit vítr ve vzdálenosti do 2 km od turbíny a vždy jí tak poskytnout možnost se zavčas seřídit. 

Detektory ledu jsou zapotřebí kvůli ochraně čepelí turbíny před nerovnováhou a nestabilitou.

Namrzání často počíná od špiček čepelí, tudíž přímá detekce je nejjistější metodou. U dnešních turbínách riziko namrzání na těchto místech povětšinou není měřeno. 

Dohledoměry jsou nutné kvůli osvětlení. Zde je využito optických metod s rozptylem světla (forward ligth scattering). Nevýhodou této procedury je to, že senzory nepracují bezobslužně. 

Senzory na měření intenzity srážek a tlaku vzduchu představují další informace, které mohou být vyžadovány pro celkový záznam stavu prostředí.

Požadavky na výrobky

Větrný park Thorntonbank 
Lufft VENTUS 

Z hlediska materiálu konstrukce výrobku platí: žádný plast! Jedinou možnou volbou, která je odolná mořské vodě a korozi, je hliník. Kromě toho je nutné provést vibrační testy před termínem zkoušky v praxi. 

Různé technologie snímačů (radar, ultrazvuk, laser a další) by měly v ideálním případě vykazovat dlouhodobou stabilitu bez driftu. Výrobci snímačů předávají na požádání tyto informace uživatelům. Technické informace zpravidla neobsahují tato důležitá data, pouze ve výjimečných případech.

Přesnost by měla být potvrzena laboratorní kalibrací. Srovnání na jeden kalibrační bod nestačí, protože snímače nejsou ve většině případů lineární. Kvalifikovaný certifikát výrobce proto obsahuje různá srovnání měření (v několika bodech) v celém rozsahu měření.

Senzory je nutné snadno začlenit do různých prostředích řízení a měli by mít otevřené (standardní) protokoly. Pomocí vestavěného mikroprocesoru jsou parametrizace, diagnostika a monitoring senzorů velmi jednoduše proveditelné.

Údržba senzorů prostředí

Konvenční koncept reaktivní údržby, která se koná pouze po poruše, není dostačující pro větrnou energetiku. Náklady na servis a náhradní díly jsou v těchto případech příliš vysoké, prostoje turbín jsou nepřijatelné.

Je  proaktivní údržba alternativou? V mnoha případech se provádí preventivní výměna senzoru větru např. po 5 letech. Nicméně MTBF testy (střední doba mezi poruchami) výrobce udávají, že takovýto snímač více než 10 let neselže. Vynaložené prostředky z hlediska bezpečnosti provozu v tomto případě jsou příliš drahé a neekonomické.

Optimální v tomto případě je koncepce prognostické údržby za předpokladu, že snímač má diagnostické schopnosti. Nebo v kombinaci s dalšími senzory prostředí na turbíně. Řídicí jednotka pozná, že jeden ze snímačů se musí brzy vyměnit. Toto je ideální pro uplatnění takzvané Industrie  4.0, kde inteligentní senzory komunikují s inteligentními řídicí jednotkami o ideálním načasování náhrady.

Dalším přístupem pro inteligentní a včasnou údržbu je pojem " reliability-centered maintenance“  neboli „spolehlivost -zaměřená na údržbu".

Všechny tyto koncepce údržby předpokládají, že ztráta stability senzoru je detekována v čas.

Shrnutí

Ke dnešnímu dni na trhu neexistují žádné skupiny speciálních čidel, které by byly navrženy výlučně pro požadavky turbín. Mnoho větrných senzorů se vyvinulo např. z meteorologických nebo vojenských aplikací a zlepšují se čas od času více a více.

Proč vlastně žádný z výrobců turbín nikdy nepožadoval ideální senzorovou sadu (sestavu) pro měření prostředí? Roční prodejní kvóty již takovýto požadavek umožňují a výsledek by byl inteligentní, modulární a cenově dostupný.

 

Více informací (v angličtině):

VENTUS-UMB Ultrazvukový senzor větru

PES Větrné články k tématu