1. Вступ
На тлі глобальної уваги до розвитку низько{0}}вуглецевої економіки та запропонованої Китаєм «подвійної{1}}вуглецевої» цілі вітрова енергія, як чисте та стійке відновлюване джерело енергії, стала центром уваги для урядів та енергетичних гігантів у всьому світі. Завдяки безперервному будівництву наземних вітроелектростанцій, дедалі вдосконаленій технології та зниженню витрат наземна вітрова енергетика швидко розвивається, лише у 2019 році глобальна потужність нових наземних вітрових електростанцій досягла 61,8 ГВт. Проте, обмежена береговими землями та ресурсами вітрової енергії, офшорна вітрова енергетика поступово стала тенденцією розвитку. Зокрема, південно-східні прибережні райони Китаю є економічно розвиненими, мають добре-налагоджену електромережу та численні офшорні вітроенергетичні ресурси, що робить їх дуже придатними для-великомасштабного розвитку та підключення до мережі офшорної вітрової енергії.
2. Поточний стан офшорної вітрової енергетики
У 2020 році глобальна потужність нових морських вітроелектростанцій перевищила 6 ГВт, приблизно стільки ж, скільки в 2019 році. Десять років тому, у 2010 році, глобальна нова встановлена потужність морських вітрових електростанцій становила менше 1 ГВт. Тим часом, частка офшорної вітроелектростанції у глобальних нових потужностях вітроелектростанцій також зросла з 2,5% у 2010 році до нинішніх 7%.
2.1 Поточний стан і тенденції морської вітрової енергетики за кордоном
З точки зору рейтингу країн за новими встановленими потужностями, у 2020 році до п’ятірки світових ринків офшорної вітрової енергії входили Китай, Нідерланди, Бельгія, Великобританія та Німеччина. Галузеві експерти прогнозують, що між 2020 і 2025 роками світовий ринок офшорної вітроенергетики матиме середньорічне зростання понад 30%. Ця оцінка ґрунтується на таких причинах:
01
Швидке зниження витрат на офшорну вітроенергетику пов’язане зі збільшенням розміру офшорних вітрових турбін (див. Малюнок 2-1), що може значно заощадити на початкових інвестиціях і подальших витратах на експлуатацію та обслуговування.
Рисунок 2-1 Глобальні тенденції розвитку офшорних вітрових турбін
Джерело даних: GWEC Market Data Platform, серпень 2020 р
02
Оскільки уряди в усьому світі підвищують свої цілі щодо розвитку офшорної вітроенергетики, очікується швидке зростання азіатських ринків Китаю, В’єтнаму, Японії та Південної Кореї. На європейському ринку, окрім західноєвропейських країн, які продовжують активно розвивати офшорну вітроенергетику, країни Східної Європи також розпочнуть будівництво офшорних вітроенергетичних установок. Крім того, перша широкомасштабна-морська вітрова електростанція в Сполучених Штатах буде підключена до мережі у 2023 році.
03
Індустріалізація плавучої вітроелектростанції (див. Малюнок 2-2) матиме ширший діапазон застосувань, оскільки плавуча фундаментна конструкція підходить для глибоководних районів із глибиною води від 50 до 200 метрів. Згідно зі звітом World Energy Report, глобальна встановлена потужність плавучої вітроелектростанції досягне 8-10 ГВт до 2030 року.
Рисунок 2-2 Принципова діаграма плавучої морської вітрової електростанції
2.2 Поточний стан офшорної вітрової енергетики Китаю
Офшорна вітрова енергетика в Китаї почалася відносно пізно, але в останні роки її розвиток був надзвичайно швидким. З 2018 року нещодавно встановлені офшорні вітроенергетичні потужності Китаю незмінно лідирували в інших країнах. Зокрема, у 2020 році потужність новопідключеної мережі Китаю вперше перевищила 3 ГВт. На основі сукупної встановленої потужності Китай випередив Німеччину та став другим-найбільшим ринком офшорної вітроенергетики до кінця 2020 року. Згідно з оцінками, заснованими на темпах зростання офшорної вітроенергетики в різних країнах, у 2021 році Китай замінив Великобританію як найбільший у світі ринок офшорної вітрової енергії.
2.2.1 Масштаб встановленої потужності та підключення до мережі продовжує зростати.
Проект офшорної вітроелектростанції Shanghai Donghai Bridge, перший великомасштабний проект офшорної вітрової електростанції в Китаї, який розпочався в 2006 році та розпочався в 2008 році, успішно встановив 34 офшорних вітрових турбіни вітчизняного виробництва потужністю 3 МВт із загальною встановленою потужністю 102 МВт, відкривши таким чином прелюдію до розвитку морської вітроенергетики в Китаї.
У 2016 році Національна енергетична адміністрація оприлюднила 13-й п’ятирічний-план розвитку вітроенергетики та запровадила низку основних сприятливих стратегій для заохочення розвитку морської вітроенергетики, що також означає, що розвиток морської вітроенергетики в Китаї перейшов від «демонстраційного проекту» до швидкого «швидкого розвитку».
У 2020 році офшорні вітроенергетичні проекти вступили в критичний період поспішного встановлення. Згідно зі статистичними даними, у першому півріччі одночасно будувалося 30 об’єктів із встановленою потужністю 12 972 800 кВт, у тому числі 11 нових об’єктів і 3 об’єкти, які були повністю підключені до мережі.
2.2.2 Потужність одиничної одиниці вітрових турбін зростає з кожним роком.
Згідно з даними на кінець 2019 року, з точки зору потужності одного блоку, установки потужністю 4 МВт мають найбільшу сукупну встановлену потужність, тоді як 5 МВт стали основною моделлю для проектів морської вітроелектростанції (див. Малюнок 2-3).
12 липня 2020 року перша в Китаї вітрова турбіна потужністю 10 МВт була успішно підключена до мережі та виробляє електроенергію на офшорній вітроелектростанції Xinghua Bay у провінції Фуцзянь, встановивши новий рекорд потужності однієї офшорної вітрової турбіни в Китаї. З точки зору планів розвитку виробників вітрових турбін, 8 МВт стали новою відправною точкою, а великомасштабні-морські вітряні турбіни потужністю 10 МВт і вище були вказані як ключові моделі розвитку.
Рисунок 2-3 Відсоток потужності офшорних вітрових турбін у Китаї на кінець 2019 року
2.2.3 Будівництво офшорних вітроелектростанцій поступово переходить від прибережних мілководних до глибоководних-морських і глибоководних-водних районів.
До кінця 2019 року загальна затверджена потужність офшорної вітроелектростанції в Китаї досягла 35 мільйонів кіловат. Серед них Цзянсу та Гуандун схвалили потужності понад 10 мільйонів кіловат, тоді як Фуцзянь та Чжецзян схвалили потужності понад 3 мільйони кіловат. Доступні-прибережні ресурси для майбутнього розвитку обмежені, у той час як Китай має величезну територію глибоководних-морських вод, які, як очікується, стануть центром розвитку офшорної вітроенергетики в майбутньому.
3. Вимоги до обладнання для промислових комутаторів Ethernet на морських вітрових електростанціях
Офшорні вітрові турбіни та морські підстанції будуються за десятки кілометрів від суші в надзвичайно суворих умовах. Це висуває дуже високі вимоги до обладнання, особливо основного комунікаційного обладнання, насамперед щодо надійності, стійкості до сольових бризок, високих і низьких температур, електромагнітних перешкод. Крім того, технічне обслуговування офшорного обладнання обмежене погодними умовами, морськими правилами та розгортанням суден, що робить як аварійне, так і регулярне технічне обслуговування надзвичайно складним і дуже непередбачуваним у часі. Це висуває надзвичайно високі вимоги до стабільної та надійної роботи комутаторів Ethernet.
3.1 Вимоги до надійності
Кілька основних показників надійності обладнання:
1) Середній час напрацювання на відмову (MTTF)
2) Середній час напрацювання на відмову (MTBF)
3) Середній час до ремонту (MTTR)
3.1.1 Індикатор MTBF
Одним із найважливіших показників продуктивності промислових комутаторів Ethernet є середній час напрацювання на відмову (MTBF). Найпоширенішими й авторитетними стандартами є MIL-HDBK-217, GJB/Z299B і Bellcore. Більшість іноземних брендів промислових комутаторів використовують американський MIL-HDBK 217F як еталонний стандарт і використовують тести HALT (High-Accelerated Life Test) і HASS (High-Accelerated Stres Screening) під час науково-дослідних і дослідно-конструкторських робіт і виробничих випробувань, щоб перевірити, чи MTBF продукту відповідає вимогам конструкції. MTBF більшості промислових комутаторів Ethernet становить понад 20 років, а деякі навіть перевищують 50 років.
HALT (Highly Accelerated Life Testing) в основному використовується на етапі дослідження та розробки продукту. Він ефективний у виявленні потенційних дефектів у продуктах і є важливим методом тестування для інженерів-конструкторів для підвищення надійності продукту.
HASS (Highly Accelerated Stres Screening) — це високо-прискорений процес перевірки на напругу, який виконується на виробничій лінії після того, як продукти пройшли тест HALT, щоб визначити їх робочі або руйнівні межі. 100% продуктів повинні брати участь у перевірці. Його мета полягає в тому, щоб переконатися, що вироблена продукція не має будь-яких прихованих дефектів, або принаймні виявити та усунути ці дефекти до того, як продукція покине завод. HASS використовує прискорений стрес, щоб знаходити дефектні продукти за короткий час, скорочувати цикл коригувальних дій і ідентифікувати продукти з однаковими проблемами.
3.1.2 Індикатор MTTR
Типовими вимогами до офшорних вітроелектростанцій є: середній час до ремонту (MTTR), наданий виробником, який, як правило, становить від 0,5 до 1 години, якщо час підтримки управління та час доставки не враховуються; а час на діагностику (або перевірку) та оновлення несправних розеток має становити менше 30 хвилин.
Якщо промисловий комутатор зазнає апаратної несправності, і якщо час підтримки управління та час доставки не враховуються, і потрібна лише проста заміна, у більшості випадків продукт промислового комутатора можна замінити протягом 1 години, відповідаючи вимогам клієнта MTTR.
3.2 Вимоги до корозійної стійкості
Ключовою характеристикою морського робочого середовища є високий рівень соляних бризок. Промислові комутатори Ethernet повинні забезпечувати дизайн захисного покриття друкованої плати для досягнення рівня захисту G3 і повністю відповідати вимогам стандартів ISA-S71.04-1985 (класифікація G3- Hash Group A) і EN60068-2-60, метод 4, щоб стабільно і надійно працювати впродовж тривалого часу в суворих морських умовах.
Ранні офшорні вітрові електростанції зазнавали великої кількості несправностей комутаторів. Після відкриття корпусів перемикачів на друкованих платах були виявлені сліди вигоряння. Однією з причин цього було те, що ці перемикачі не мали захисного покриття.
3.3 Вимоги до високих і низьких температур
Оскільки різні морські вітроелектростанції розташовані на різних широтах, їхні кліматичні умови сильно відрізняються. Наприклад, взимку найнижча температура на морській вітроелектростанції Zhuanghe у Даляні може досягати -15 градусів за Цельсієм, а влітку найвища температура на морській вітроелектростанції Xuwen у Чжаньцзяні може сягати 38 градусів за Цельсієм. Температура всередині веж вітряних турбін може бути навіть вищою за зовнішню температуру. Тому до нормальної робочої температури промислових вимикачів висуваються дуже високі вимоги.
Хоча більшість виробників промислових комутаторів на ринку вказують робочі температури своїх комутаторів як -40 градусів до +70 градусів або навіть -40 градусів до +85 градусів, ці цифри отримано в результаті короткочасних-лабораторних випробувань. Наприклад, вимоги перевірки авторитетної місцевої випробувальної установи вказують, що в середовищах із високою{12}}температурою перемикач, увімкнений, слід розміщувати в центрі камери для випробувань навколишнього середовища, а температуру слід підняти до 70 градусів і підтримувати протягом 2 годин. Пристрій має функціонувати нормально при +70 градусах, а швидкість зберігання й пересилання має досягати 100%. Якщо ця вимога виконується, перемикач вважається合格 (кваліфікованим/прийнятним).
Технічні вимоги до такого ж низько{0}}температурного середовища такі: увімкнений перемикач розміщують у центрі камери для випробування навколишнього середовища, температуру знижують до -40 градусів, а потім підтримують цю температуру протягом 2 годин. Пристрій має нормально функціонувати при -40 градусах із швидкістю зберігання й пересилання 100%; він також має мати можливість нормально запускатися при -40 градусах. Якщо ці вимоги виконуються, це вважається合格 (кваліфікованим/прийнятним). Таким чином, тест лише перевіряє, чи може він стабільно працювати протягом 2 годин за такої екстремальної температури.
У той час як промислові комутатори в морських вітрових електростанціях не повинні витримувати такі екстремальні температури, вони повинні працювати безперервно протягом тривалих періодів у суворих температурних середовищах і навіть можуть піддаватися додатковому несприятливому впливу з боку інших зовнішніх середовищ. Лише промислові перемикачі, які витримали випробування часом, можна сказати, що відповідають вимогам високих і низьких температур морських вітрових електростанцій.
(Продовження буде)