Zrównoważona optymalizacja energii wiatrowej

(Quelle: Weiss Technik GmbH) / (Źródło: Weiss Technik GmbH)

(Quelle: Weiss Technik GmbH) / (Źródło: Weiss Technik GmbH)

Energia wiatrowa wnosi istotny wkład w walkę ze zmianami klimatycznymi. Awaria, konserwacja i naprawa turbin wiatrowych są jednak zazwyczaj czasochłonne i kosztowne. Często dotyczy to elektroniki mocy, która jest narażona na ekstremalne obciążenia. Dlatego Uniwersytet w Bremie w ramach projektu sieciowego HiPE-WiND, finansowanego przez BMWi, bada, jak można wydłużyć jej żywotność i zoptymalizować konserwację. weisstechnik zaplanował i zrealizował komorę klimatyczną do wielowymiarowych testów obciążeniowych.

Partnerzy badań nad energią wiatrową

Kluczową rolę w projekcie sieciowym HiPE-WiND (High Power Electronics in Wind Energy Plants) odgrywa Instytut Napędów Elektrycznych, Elektroniki Mocy i Elementów Budowlanych Uniwersytetu w Bremie we współpracy z Fraunhofer-Institut für Windenergie und Energiesystemtechnik w Bremerhaven. Aby ustalić, które komponenty elektroniki mocy zawodzą pod jakimi warunkami, przeprowadza się długoterminowe testy obciążeniowe na kompletnych systemach konwerterów turbin wiatrowych o mocy do dziesięciu megawatów. Obciążenia te symulują zmienne warunki wiatrowe i sieć energetyczną w różnych warunkach klimatycznych – od Arktyki po Saharę. Odbywa się to w specjalnie opracowanej komorze klimatycznej firmy weisstechnik. Jako serce klimatyczne „HiPE-LAB” w Bremie pomaga ona w realistycznym i przyspieszonym odtwarzaniu, jak systemy konwerterów starzeją się podczas 20-letniej eksploatacji pod wieloma obciążeniami.

Duża instalacja 300 kW z podłogą ciężarową

Doświadczony specjalista ds. technologii środowiskowej weisstechnik z powodzeniem wygrał przetarg na instalację i zaplanował projekt od początku do końca. Wielkość i moc komory do wejścia i przejazdu z możliwością obsługi obciążenia do około 190 m3 oraz mocą elektryczną prawie 300 kW stanowiły już wyzwanie. Obciążenie powierzchniowe podłogi ciężarowej w komorze przekracza 10 000 N/m2. Duże, do 5000 kg ciężkie próbki – szafy sterownicze z konwerterami – są wprowadzane na rolkach przez podwójne bramy do komory testowej. Ściany komory wykonane są ze stali nierdzewnej (szczelnie spawanej) i wyposażone w 200 mm grubą, dwuwarstwową izolację z pianki specjalnej i wełny mineralnej. Drzwi boczne służą jako dostęp dla personelu.

Przyjazny dla środowiska system chłodzenia CO2

Zakres temperatur testów wynosi od (-)40 °C do (+)120 °C. Aby osiągnąć to możliwie najbardziej efektywnie i przyjaznie dla środowiska, zastosowano kaskadę chłodzenia CO2. Dzięki temu można osiągnąć temperatury do (-)45 °C; jednocześnie ten układ zapewnia wysoką kompensację ciepła. Jest to istotne dla testów obciążeniowych, ponieważ próbki testowe generują wysokie obciążenie cieplne. Wynosi ono około 70 kW przy 100 °C i wilgotności względnej do 95%, oraz 50 kW przy 85 °C/85% r.w. Użycie CO2 jako czynnika chłodzącego wymaga dodatkowych zabezpieczeń. Konieczne było zintegrowanie chłodzenia zatrzymania z oddzielnym zasilaniem, aby zapobiec rozszerzaniu się CO2 i uniknąć zbyt wysokiego ciśnienia systemowego podczas postoju urządzenia. Dodatkowo w komorze testowej i pomieszczeniu technicznym zainstalowano system alarmowy gazowy, który uruchamia alarm optyczny i dźwiękowy oraz aktywuje natychmiastowe płukanie, gdy wyciek CO2. Kontrolowany jest również poziom tlenu za pomocą redundantnej techniki pomiarowej.

Indywidualnie dopasowana technologia

W celu zapewnienia szczególnie jednolitego rozkładu klimatu w komorze testowej zastosowano pionowy układ powietrza. Podgrzewane powietrze jest doprowadzane z dołu przez podwójną podłogę z ocynkowanej stali nierdzewnej, w której można poprowadzić przewody do próbek, i kierowane do komory przez wymiennik ciepła. Powietrze jest odprowadzane bocznie pod sufitem i wraca do pomieszczenia klimatyzacyjnego. Użyte wentylatory obiegowe są bezstopniowo regulowane, a wilgotność powietrza jest utrzymywana higienicznie przez nawilżanie parowe. Pomieszczenie techniczne obok komory testowej zawiera wszystkie niezbędne urządzenia i szafy sterownicze. Ważnym wymogiem jest, aby poziom hałasu urządzenia nie przekraczał 72 dBA. Aby to niezawodnie osiągnąć, urządzenia zostały wyposażone w specjalną izolację akustyczną.

Urządzenie jest sterowane w prosty i intuicyjny sposób za pomocą sprawdzonego i zoptymalizowanego systemu sterowania SiMPAC® – cyfrowego systemu pomiarowego i regulacyjnego do obsługi, monitorowania i dokumentacji. Obsługa może odbywać się za pomocą panelu dotykowego (z innowacyjnym interfejsem WEBSeason®) w pomieszczeniu technicznym. Dodatkowo urządzenie można obsługiwać zdalnie przez interfejs EtherCAT i sieciowy w trybie komfortowym.

Technologia symulacji środowiskowej dla klimatycznej transformacji

Wielowymiarowa komora testowa jest od połowy 2021 roku z powodzeniem wykorzystywana w projekcie badawczym HiPE WiND w Bremie. Dzięki niej możliwe są realistyczne testy klimatyczne i elektryczne, które doskonale pomagają zrozumieć, jak uczynić turbiny wiatrowe bardziej wytrzymałymi i trwałymi. Tym samym weisstechnik wnosi kolejny ważny wkład w transformację energetyczną.