1. Wprowadzenie
W kontekście globalnego skupienia się na rozwoju gospodarki niskoemisyjnej-i proponowanego przez Chiny celu „dwu-emisyjnego”, energia wiatrowa, jako czyste i zrównoważone źródło energii odnawialnej, stała się w centrum uwagi rządów i gigantów energetycznych na całym świecie. Wraz z ciągłą budową lądowych farm wiatrowych, coraz bardziej dojrzałą technologią i spadającymi kosztami, lądowa energetyka wiatrowa rozwija się szybko, a globalna moc nowo zainstalowanych lądowych elektrowni wiatrowych osiągnęła 61,8 GW tylko w 2019 roku. Jednakże, ograniczona możliwościami eksploatacji lądowych gruntów i zasobami energii wiatrowej, morska energetyka wiatrowa stopniowo staje się trendem rozwojowym. W szczególności południowo-wschodnie obszary przybrzeżne Chin są rozwinięte gospodarczo, mają-ugruntowaną sieć energetyczną i obfite zasoby morskiej energii wiatrowej, dzięki czemu doskonale nadają się do rozwoju-na dużą skalę i przyłączania do sieci morskiej energii wiatrowej.
2. Aktualny stan branży morskiej energetyki wiatrowej
W 2020 r. globalna moc nowo przyłączonych morskich elektrowni wiatrowych przekroczyła 6 GW, czyli mniej więcej tyle samo, co w 2019 r. Dziesięć lat wcześniej, w 2010 r., światowa moc nowo zainstalowanych morskich elektrowni wiatrowych wyniosła niecałe 1 GW. Tymczasem udział morskiej energetyki wiatrowej w globalnej nowo zainstalowanej mocy elektrowni wiatrowych również wzrósł z 2,5% w 2010 r. do obecnych 7%.
2.1 Obecny stan i trendy w zagranicznej branży morskiej energetyki wiatrowej
Jeśli chodzi o ranking krajów według nowo zainstalowanej mocy, pięcioma największymi rynkami morskiej energetyki wiatrowej na świecie w 2020 r. były Chiny, Holandia, Belgia, Wielka Brytania i Niemcy. Eksperci branżowi przewidują, że światowy rynek morskiej energetyki wiatrowej odnotuje średnioroczną stopę wzrostu na poziomie ponad 30% w latach 2020–2025. Ocena ta opiera się na następujących przesłankach:
01
Gwałtowny spadek kosztów morskiej energii wiatrowej wynika z rosnącego rozmiaru morskich turbin wiatrowych (patrz Rysunek 2-1), co może znacznie zaoszczędzić na początkowych inwestycjach oraz późniejszych kosztach eksploatacji i konserwacji.
Rysunek 2-1 Globalne trendy rozwojowe morskich turbin wiatrowych
Źródło danych: Platforma danych rynkowych GWEC, sierpień 2020 r
02
Ponieważ rządy na całym świecie podnoszą swoje cele w zakresie rozwoju morskiej energetyki wiatrowej, oczekuje się, że rynki azjatyckie w Chinach, Wietnamie, Japonii i Korei Południowej odnotują szybki wzrost. Na rynku europejskim, oprócz krajów Europy Zachodniej, które nadal intensywnie rozwijają morską energetykę wiatrową, kraje Europy Wschodniej rozpoczną także budowę obiektów morskiej energetyki wiatrowej. Ponadto pierwsza duża-morska farma wiatrowa w Stanach Zjednoczonych zostanie podłączona do sieci w 2023 r.
03
Uprzemysłowienie pływającej energii wiatrowej (patrz rysunek 2-2) będzie miało szerszy zakres zastosowań, ponieważ pływająca konstrukcja fundamentowa jest odpowiednia dla obszarów głębinowych o głębokości wody od 50 do 200 metrów. Według World Energy Report do roku 2030 globalna moc zainstalowana pływających elektrowni wiatrowych osiągnie poziom od 8 do 10 GW.
Rysunek 2-2 Schemat ideowy pływającej morskiej farmy wiatrowej
2.2 Obecny stan chińskiej morskiej energetyki wiatrowej
Chińska branża morskiej energetyki wiatrowej rozpoczęła swoją działalność stosunkowo późno, jednak jej rozwój w ostatnich latach był niezwykle szybki. Od 2018 r. nowo zainstalowana moc elektrowni wiatrowych na morzu w Chinach niezmiennie wyprzedza inne kraje. W szczególności w 2020 r. moc nowo podłączonej sieci w Chinach po raz pierwszy przekroczyła 3 GW. Na podstawie łącznej mocy zainstalowanej Chiny wyprzedziły Niemcy i do końca 2020 r. stały się drugim-co do wielkości rynkiem morskiej energetyki wiatrowej na świecie. Według szacunków opartych na stopie wzrostu morskiej energetyki wiatrowej w różnych krajach, w 2021 r. Chiny zastąpiły Wielką Brytanię jako największy na świecie rynek morskiej energetyki wiatrowej.
2.2.1 Skala mocy zainstalowanej i przyłączenia do sieci stale rośnie.
W ramach projektu morskiej elektrowni wiatrowej Shanghai Donghai Bridge, pierwszego-na dużą skalę projektu morskiej energetyki wiatrowej w Chinach, którego budowa rozpoczęła się w 2006 r., a budowę w 2008 r., pomyślnie zainstalowano 34 produkowane w kraju morskie turbiny wiatrowe o mocy 3 MW i łącznej mocy zainstalowanej 102 MW, otwierając w ten sposób preludium do rozwoju morskiej energetyki wiatrowej w Chinach.
W 2016 r. Krajowa Administracja Energii opublikowała 13.-Plan pięcioletni na rzecz rozwoju energetyki wiatrowej i wprowadziła szereg głównych korzystnych polityk zachęcających do rozwoju morskiej energetyki wiatrowej, co oznacza również, że rozwój morskiej energetyki wiatrowej w Chinach przeszedł od „demonstracji projektu” do szybkiej ścieżki „szybkiego rozwoju”.
W 2020 r. projekty morskiej energetyki wiatrowej weszły w krytyczny okres pośpiechu w zakresie instalacji. Według statystyk, w pierwszym półroczu jednocześnie w budowie znajdowało się 30 projektów o mocy zainstalowanej 12 972 800 kilowatów, w tym 11 projektów nowo rozpoczętych i 3 projekty w pełni przyłączone do sieci.
2.2.2 Moc pojedynczego bloku turbin wiatrowych rośnie z roku na rok.
Według danych z końca 2019 roku, pod względem mocy pojedynczych jednostek, największą skumulowaną moc zainstalowaną mają jednostki o mocy 4MW, natomiast głównym modelem dla projektów morskiej energetyki wiatrowej stała się jednostka o mocy 5MW (patrz Rysunek 2-3).
12 lipca 2020 r. pierwsza w Chinach turbina wiatrowa o mocy 10 MW została pomyślnie podłączona do sieci i wygenerowała energię elektryczną na morskiej farmie wiatrowej Xinghua Bay w prowincji Fujian, ustanawiając nowy rekord mocy pojedynczej morskiej turbiny wiatrowej w Chinach. Z perspektywy planów rozwoju producentów turbin wiatrowych moc 8 MW stała się nowym punktem wyjścia, a wielkoskalowe-morskie turbiny wiatrowe o mocy 10 MW i większej zostały wymienione jako kluczowe modele rozwoju.
Rysunek 2-3 Procent mocy morskich turbin wiatrowych w Chinach na koniec 2019 roku
2.2.3 Budownictwo morskiej energetyki wiatrowej stopniowo przenosi się z przybrzeżnych płytkich wód na obszary-morskie i głębinowe-.
Do końca 2019 r. łączna zatwierdzona moc morskich elektrowni wiatrowych w Chinach osiągnęła 35 mln kilowatów. Wśród nich Jiangsu i Guangdong zatwierdziły moce przekraczające 10 milionów kilowatów, natomiast Fujian i Zhejiang zatwierdziły moce przekraczające 3 miliony kilowatów. Dostępne-przybrzeżne zasoby na potrzeby przyszłego rozwoju są ograniczone, podczas gdy Chiny dysponują rozległym obszarem nadających się do eksploatacji głębinowych-wodów morskich, które, jak się oczekuje, staną się w przyszłości głównym celem rozwoju morskiej energetyki wiatrowej.
3. Wymagania sprzętowe dla przemysłowych przełączników Ethernet w morskich farmach wiatrowych
Morskie turbiny wiatrowe i podstacje na morzu budowane są dziesiątki kilometrów od lądu, w niezwykle trudnych warunkach. Stawia to bardzo wysokie wymagania sprzętowi, zwłaszcza podstawowemu sprzętowi komunikacyjnemu, dotyczące przede wszystkim niezawodności, odporności na mgłę solną, wysokie i niskie temperatury oraz zakłócenia elektromagnetyczne. Co więcej, konserwacja sprzętu morskiego jest ograniczona przez pogodę, przepisy morskie i rozmieszczenie statków, co sprawia, że zarówno konserwacja awaryjna, jak i rutynowa jest wyjątkowo trudna i wymaga wysoce nieprzewidywalnego harmonogramu. Stawia to niezwykle wysokie wymagania dotyczące stabilnej i niezawodnej pracy przełączników Ethernet.
3.1 Wymagania dotyczące niezawodności
Kilka kluczowych wskaźników niezawodności sprzętu:
1) Średni czas do awarii (MTTF)
2) Średni czas między awariami (MTBF)
3) Średni czas naprawy (MTTR)
3.1.1 Wskaźnik MTBF
Jednym z najważniejszych wskaźników wydajności przemysłowych przełączników Ethernet jest średni czas między awariami (MTBF). Najszerzej akceptowane i wiarygodne standardy to MIL-HDBK-217, GJB/Z299B i Bellcore. Większość zagranicznych marek przełączników przemysłowych używa amerykańskiego standardu MIL-HDBK 217F jako standardu odniesienia i przeprowadza testy HALT (High-Accelerated Life Test) i HASS (High-Accelerated Stress Screening) podczas testów badawczo-rozwojowych i produkcyjnych, aby sprawdzić, czy MTBF produktu spełnia wymagania projektowe. MTBF większości przemysłowych przełączników Ethernet wynosi ponad 20 lat, a niektóre nawet przekraczają 50 lat.
HALT (Highly Accelerated Life Testing) jest stosowany głównie na etapie badań i projektowania produktów. Skutecznie ujawnia potencjalne wady produktów i jest ważną metodą testowania dla inżynierów projektantów w celu poprawy niezawodności produktu.
HASS (Highly Accelerated Stress Screening) to-bardzo przyspieszony proces kontroli naprężeń przeprowadzany na linii produkcyjnej po tym, jak produkty przeszły test HALT w celu określenia ich limitów operacyjnych lub niszczących.. 100% produktów musi wziąć udział w kontroli. Jego celem jest zapewnienie, że wyprodukowane produkty są wolne od wad ukrytych lub przynajmniej identyfikacja i usunięcie tych wad, zanim produkty opuszczą fabrykę. HASS wykorzystuje przyspieszony stres, aby w krótkim czasie znaleźć wadliwe produkty, skrócić cykl działań naprawczych i zidentyfikować produkty, w których występują te same problemy.
3.1.2 Wskaźnik MTTR
Typowe wymagania dla lokalizacji morskich farm wiatrowych to: średni czas naprawy (MTTR) podany przez producenta, który zazwyczaj wynosi od 0,5 do 1 godziny, jeśli nie bierze się pod uwagę czasu wsparcia kierownictwa i czasu dostawy; a czas diagnozowania (lub sprawdzania) i aktualizacji uszkodzonych świec powinien być krótszy niż 30 minut.
Jeśli w przełączniku przemysłowym wystąpi awaria sprzętowa, a czas wsparcia zarządzania i czas dostawy nie zostaną wzięty pod uwagę, a konieczna będzie jedynie prosta wymiana, w większości przypadków produkt przełącznika przemysłowego można wymienić w ciągu 1 godziny, spełniając wymagania klienta dotyczące MTTR.
3.2 Wymagania dotyczące odporności na korozję
Kluczową cechą morskiego środowiska operacyjnego jest wysoki poziom mgły solnej. Produkty przełączników Ethernetu przemysłowego muszą zapewniać powłokę ochronną płytki drukowanej, aby osiągnąć poziom ochrony G3 i w pełni spełniać wymagania norm ISA-S71.04-1985 (klasyfikacja G3- Hash Group A) i EN60068-2-60 Metoda 4, aby działać stabilnie i niezawodnie przez długi czas w trudnych warunkach morskich.
Wczesne morskie farmy wiatrowe doświadczyły dużej liczby awarii przełączników. Po otwarciu obudów przełączników na płytkach drukowanych stwierdzono widoczne ślady przepaleń. Jednym z powodów był brak powłoki ochronnej.
3.3 Wymagania dotyczące wysokich i niskich temperatur
Ponieważ różne morskie farmy wiatrowe są zlokalizowane na różnych szerokościach geograficznych, panujące w nich warunki klimatyczne są bardzo zróżnicowane. Przykładowo zimą najniższa temperatura na morskiej farmie wiatrowej Zhuanghe w Dalian może osiągnąć -15 stopni Celsjusza, natomiast latem najwyższa temperatura na morskiej farmie wiatrowej Xuwen w Zhanjiang może osiągnąć 38 stopni Celsjusza. Temperatura wewnątrz wież turbin wiatrowych może być nawet wyższa niż temperatura zewnętrzna. Dlatego też normalnej temperaturze pracy przełączników przemysłowych stawiane są bardzo wysokie wymagania.
Chociaż większość producentów przełączników przemysłowych dostępnych na rynku podaje temperatury robocze swoich przełączników jako -40 stopni do +70 stopni, a nawet -40 stopni do +85 stopni, wartości te pochodzą z-krótkoterminowych testów laboratoryjnych. Na przykład wymagania testowe renomowanej krajowej instytucji badawczej określają, że w środowiskach-o wysokiej temperaturze przełącznik, gdy jest włączony, powinien zostać umieszczony na środku komory testowej, a temperatura powinna zostać podniesiona do 70 stopni i utrzymywana przez 2 godziny. Urządzenie powinno działać normalnie w temperaturze +70, a szybkość przechowywania i przekazywania powinna osiągnąć 100%. Jeżeli ten wymóg jest spełniony, przełącznik uznaje się za 合格 (kwalifikowany/akceptowalny).
Wymagania techniczne dla tego samego środowiska o-temperaturze są następujące: po włączeniu przełącznik umieszcza się na środku komory do testów środowiskowych, temperaturę obniża się do -40 stopni, a następnie utrzymuje się w tej temperaturze przez 2 godziny. Urządzenie powinno działać normalnie w temperaturze -40 stopni, z szybkością przechowywania i przekazywania wynoszącą 100%; powinien również móc normalnie uruchomić się przy -40 stopniach. Jeśli te wymagania są spełnione, uważa się to za 合格 (kwalifikowane/akceptowalne). Dlatego test sprawdza jedynie, czy może działać stabilnie przez 2 godziny w tak ekstremalnej temperaturze.
Chociaż przełączniki przemysłowe w morskich farmach wiatrowych nie muszą wytrzymywać tak ekstremalnych temperatur, muszą one działać nieprzerwanie przez dłuższy czas w trudnych warunkach temperaturowych, a nawet mogą być narażone na dodatkowe niekorzystne skutki innych środowisk zewnętrznych. Tylko przełączniki przemysłowe, które przetrwały próbę czasu, można powiedzieć, że spełniają wymagania wysokich i niskich temperatur morskich farm wiatrowych.
(Ciąg dalszy)