Utrzymanie dobrego stanu technicznego turbin wiatrowych przy pomocy niedrogich czujników
W ramach kompleksowego podejścia do redukcji emisji dwutlenku węgla i zatrzymania zmian klimatycznych UE poszukuje alternatyw dla paliw kopalnych jako surowca energetycznego. Energia ze źródeł odnawialnych, w szczególności energia wiatrowa, jest jednym z wielu możliwych rozwiązań o zrównoważonym charakterze. Produkcja energii wiatrowej stanowi niemal połowę światowej mocy wytwórczej z odnawialnych źródeł energii. Na plus należy zaliczyć to, że jest ona czysta i zrównoważona, jednak jedną ze słabych stron turbin wiatrowych jest ich względnie krótka żywotność oraz wysokie koszty eksploatacji i konserwacji. „W sytuacji, gdy żywotność turbin wiatrowych masowo dobiega końca, interesariusze i decydenci dostrzegają potrzebę opracowania niezawodnych metod oceny cyklu życia tych urządzeń”, mówi Eleni Chatzi, kierowniczka zakładu mechaniki strukturalnej i monitorowania na Politechnice Federalnej w Zurychu. „Z uwagi jednak na fakt, że dostępne obecnie narzędzia nie nadążają za rozwojem technologii turbin wiatrowych, za standardowe wciąż uznaje się kontrolę wzrokową i ocenę pośrednią”. Sytuację tę ma zmienić finansowany ze środków ERBN projekt WINDMIL (Smart Monitoring, Inspection and Life-Cycle Assessment of Wind Turbines), na którego czele stanęła Chatzi. Jego celem jest opracowanie bardziej wydajnej i opłacalnej metody monitorowania turbin wiatrowych. W efekcie powstał zestaw rozwiązań WINDMIL: system długoterminowego monitorowania wykorzystujący niedrogie czujniki, które dostarczają informacje zwrotne na temat stanu technicznego konstrukcji w czasie rzeczywistym oraz przez cały okres eksploatacji.
Diagnostyka turbiny
Jak mówi Chatzi, większość dzisiejszych turbin wiatrowych jest wyposażona w system kontroli nadzorczej i pozyskiwania danych (SCADA). „Podczas gdy systemy te monitorują szereg parametrów, w tym liczbę obrotów na minutę (RPM), moc wytworzoną przez turbinę oraz charakterystykę wiatru, nie potrafią przekazywać ważnych informacji na temat samej konstrukcji, takich jak uszkodzenia, zmęczenie materiału czy pogorszenie stanu technicznego”, wyjaśnia badaczka. Aby wypełnić tę lukę, projekt WINDMIL uzupełnił pętlę informacji zwrotnych dotyczących oceny konstrukcji turbiny o dane strukturalne. „Mierząc odpowiedź strukturalną oraz całościowe osiągi turbiny, możemy zdiagnozować jej stan techniczny”, dodaje Chatzi. „To ułatwia nam optymalne planowanie okresu jej eksploatacji oraz prace konserwacyjne, a w rezultacie pozwala przewidywać, jeśli nie wydłużać, jej żywotność”. Moduł diagnostyczny i predykcyjny WINDMIL został poddany walidacji z wykorzystaniem różnych zestawów danych. Zaliczyć do nich można zestawy danych wygenerowane w drodze dużych symulacji numerycznych, dane laboratoryjne pochodzące z niepełnowymiarowych makiet turbin wiatrowych, dane SCADA zebrane z farm wiatrowych w całej Europie oraz dane monitorowania strukturalnego pochodzące z czujników zainstalowanych na turbinach.
Nowe dane, nowe wyniki oraz nowe możliwości
Jednym z najnowszych nabytków laboratorium pracującego pod kierunkiem Chatzi jest niepełnowymiarowa turbina wiatrowa, która służy za laboratorium produkcyjne. „Wykorzystując pomiary bezpośrednie reakcji wyodrębnionych z komponentów strukturalnych, takich jak łopaty, wieża i fundament, możemy zademonstrować potencjał rozwiązania WINDMIL w zakresie zmniejszania kosztów eksploatacji i konserwacji oraz zapobiegania uszkodzeniom”, zauważa Chatzi. Projekt ciągle trwa i wciąż dostarcza nowe dane i wyniki, a ponadto stał się inspiracją dla kolejnych projektów i inicjatyw opartych na współpracy. Na przykład, Politechnika Federalna w Zurychu pracuje obecnie wraz z Uniwersytetem Nauk Stosowanych we Wschodniej Szwajcarii nad stworzeniem pierwszego inteligentnego układu mierzącego akustykę i nacisk powierzchniowy, wykorzystującego system mikro-elektro-mechaniczny do monitorowania łopat turbiny wiatrowej. „Projekt WINDMIL przyczynił się do rozkwitu nowego kierunku badań, stwarzając szereg okazji do przełożenia naszych wyników na działania praktyczne”, dodaje na koniec Chatzi.
Słowa kluczowe
WINDMIL, turbiny wiatrowe, energia ze źródeł odnawialnych, zmiana klimatu, energia wiatrowa
