Trendy w technologii turbin wiatrowych / Mladen Bošnjaković, Marko Katinić , Robert Santa and Dejan Marić

3.1.1. Łopaty Turbin Wiatrowych

Postęp technologiczny prowadzi do poprawy wydajności i niezawodności farm wiatrowych oraz niższych kosztów komponentów. Aby napędzać swój rozwój technologiczny, przemysł energii wiatrowej przyjął materiały, systemy i produkty z innych sektorów, takie jak czujniki z elektrotechniki, technologie z przemysłu lotniczego i stoczniowego do produkcji łopat wirnika oraz z przemysłu wydobywczego do technologii górniczej. Ponieważ technologia energii wiatrowej w coraz większym stopniu przekracza granice tych sektorów, rozwój nowych technologii jest niezbędny do napędzania rozwoju turbin wiatrowych.

Jeśli chodzi o aerodynamikę łopat wirnika, analiza numeryczna może dostarczyć przydatnych informacji. Na przykład Urbahs i in. [ 7 ] wykorzystali analizę numeryczną do określenia kąta natarcia, współczynnika siły nośnej oraz stosunku oporu do siły nośnej dla wybranego profilu łopaty turbiny wiatrowej „Espero”. W wyniku obliczeń i symulacji komputerowych wyznaczono optymalne wartości współczynników dla wariantów łopaty ze skręceniem geometrycznym i bez: opóźnienia przepływu, mocy idealnej, strat krawędzi i profilu łopaty oraz właściwego stosunku prędkości końcówki łopaty.

Stosując obliczeniową dynamikę płynów, Madsen i in. [ 8 ] próbowali zoptymalizować kształt końcówki ostrza. Przewidywanie wydajności projektu aerodynamicznego łopaty przy użyciu metody Deep Learning zostało przedstawione w pracy Du et al. [ 9 ]. Zaproponowano dwie metody parametryzacji oparte na relacjach geometrycznych i sieci neuronowej. Metody mogą generować gładkie i kompletne profile łopatek. Zbyt długie ostrza stanowią szczególny problem. Problemy aerodynamiki takich łopat badali Chetan i in. [ 10 ].

Duthe i in. [ 11 ] zajęli się problemem erozji powierzchni na krawędzi natarcia łopat wirnika. Może to stanowić poważny problem dla niezawodności turbin wiatrowych, ponieważ prowadzi do zmniejszenia wydajności, niezrównoważonych obciążeń aerodynamicznych, zwiększonej emisji hałasu i dodatkowych kosztów konserwacji. Nieskorygowana prowadzi do pogorszenia funkcjonalności ostrza.

Rozkład kąta skrętu (TAD) wzdłuż łopatek określa ich efektywność pod względem wytwarzania energii. Ponieważ łopaty wiatrowe są zwykle używane w dynamicznych środowiskach wietrznych, w których prędkość wiatru znacznie się zmienia, ważne jest znalezienie optymalnego TAD dla różnych prędkości wiatru. W swojej pracy Jia i in. [ 12 ] przedstawiają opartą na uczeniu się metodę znajdowania optymalnego TAD, którą nazywają RL-TAD. Przeprowadzono studium przypadku w celu walidacji proponowanej metody. Badanie to wskazuje, że metoda może osiągnąć optymalny TAD trzy do pięciu razy szybciej niż metoda oparta na algorytmie genetycznym.

Celem badań Sohaila i Farzaneha [ 13 ] było zdefiniowanie kompleksowego podejścia do modelowania matematycznego opartego na maksymalizacji współczynnika mocy (Cp) w celu uzyskania sterowania kątem pochylenia łopaty i współczynnikiem prędkości końcówki (TSR), z uwzględnieniem szczegółowe straty mocy w różnych częściach turbiny wiatrowej. Podejście to służy do określenia optymalnego współczynnika mocy układu napędowego turbiny wiatrowej dla konfiguracji z napędem bezpośrednim i skrzynią biegów.

Aktualnym tematem badań w dziedzinie projektowania skrzydeł są tzw. „inteligentne skrzydła”, które zmieniają swój kształt w zależności od warunków wietrznych. W ramach tej kategorii projektowania skrzydeł istnieje wiele podejść, w tym aerodynamiczne powierzchnie sterowe lub materiały do ​​inteligentnych siłowników. Cel badań [ 14] ma na celu ograniczenie obciążeń końcowych i naprężeń wpływających na zmęczenie materiału lub zwiększenie dynamicznego pochłaniania energii. Badania opierają się na podobnych koncepcjach w sterowaniu śmigłowcami i są prowadzone przez Instytuty Badawcze ds. Energii Wiatrowej. Te aerodynamiczne powierzchnie sterujące obejmują lotki końcówek łopat, sterowanie nachyleniem łopat, przechylenie łopaty i kontrolę warstwy granicznej. Dzięki wprowadzeniu nowych technologii i materiałów kształtujących możliwe są bardziej złożone kształty ostrzy. Jednak ekonomika produkcji w połączeniu z trudnością analizy złożonego projektu zadecyduje o ostatecznym kształcie ostrza. Wiodący producenci turbin wiatrowych optymalizują takie cechy, jak kąt skrętu, długość cięciwy i geometria łopat.

Na całym świecie dominuje konstrukcja pozioma turbin wiatrowych z trzema łopatami. System rotacji łopat stosuje się ze względu na jego wydajność, dopuszczalny poziom hałasu oraz trwałość. Zbadano wiele alternatyw dla tego projektu, ale odrzucono je ze względu na wyższe koszty i niższą wydajność. Z badań [ 14 ] wynika, że ​​większą efektywność kosztową uzyskuje się budując turbiny o większej średnicy wirnika. Jednak wkrótce może się to zmienić, ponieważ zwiększające się gabaryty zwiększają problem transportu i montażu, co nałoży ograniczenia. Systematyczne drobne ulepszenia w konstrukcji łopat wirnika i innych zespołów turbin wiatrowych staną się wówczas wyższym priorytetem.

Łopata wirnika turbiny wiatrowej przechodzi więcej cykli zmęczenia materiału w ciągu jednego roku niż skrzydło samolotu przez cały okres swojego życia, dlatego jest to największy problem producentów i operatorów turbin wiatrowych. Metal nie jest pod tym względem zadowalający, dlatego łopaty turbin wiatrowych wykonuje się z poliestru, żywicy epoksydowej wzmocnionej włóknem szklanym lub włókna szklanego. Włókno węglowe lub kevlar są również stosowane jako materiały wzmacniające w celu ochrony przed pękaniem lub pękaniem. Firma Enel Green Power opracowuje innowacyjne ostrze wykonane ze specjalnej tkaniny technicznej [ 15 ]. Tkanina ta umożliwia generowanie większej ilości energii, obniża koszty produkcji oraz ułatwia recykling po zużyciu ostrza.

Ze względu na ortotropowe właściwości mechaniczne kompozytu o właściwościach strukturalnych arkusza decyduje orientacja włókien. W swoim artykule Torregrosa i in. [ 16 ] przedstawiają zalety optymalizacji kąta każdej warstwy kompozytu. Podają oni, że pochylona konstrukcja zwiększa krytyczną prędkość wiatru dla zdefiniowanego układu sterowania i instalacji elektrycznej o 10%, co przyczynia się do wyższej sprawności turbiny wiatrowej.

Kompozyty z włóknami szklanymi i węglowymi są wykorzystywane do produkcji łopat turbin wiatrowych w celu uzyskania większej wytrzymałości, niższej wagi i lepszej odporności na korozję. Głównymi problemami związanymi z tymi materiałami są ich dostępność, biodegradowalność, zagrożenie dla zdrowia ludzi oraz wysokie koszty ich produkcji. Z tego powodu prowadzone są badania nad możliwością zastąpienia tych materiałów włóknami naturalnymi [ 17 , 18 ]. Rozwój tkanin na bazie włókien naturalnych do produkcji kompozytów to nowa technologia, która może sprostać wyzwaniu zrównoważonych właściwości mechanicznych kompozytów. W pracy Lamhoura i in. [ 19], włókna alfa i wełniane zostały użyte jako wzmocnienie do opracowania czterech tkanin oraz nienasycona żywica epoksydowa o niskiej lepkości jako matryca. Tkaniny zostały wykonane techniką tkania tafty. Do uzyskania kompozytu hybrydowego wybrano proces formowania próżniowego, ponieważ zapewnia on doskonałe korzyści. Wyniki badań statycznych tego wzmocnionego kompozytu wykazały poprawę wytrzymałości na rozciąganie i zginanie.

Andoha i in. [ 20 ] zbadali przydatność nowego kompozytu włókien bambusowych i plastiku pochodzącego z recyklingu do produkcji łopat turbin wiatrowych. Udział włókien w dziesięciu próbkach wahał się od 2,5% do 25%. Wyniki pokazały, że wraz ze wzrostem procentowej zawartości włókien bambusa w próbce wzrastała również wytrzymałość na rozciąganie i pękanie udarowe. Autorzy doszli do wniosku, że kompozyt z 25% włóknami bambusowymi nadaje się na łopaty wirników turbin wiatrowych.

Segmentacja łopat wirnika może przyspieszyć proces produkcji części łopat wirnika, obróbki mechanicznej i powlekania w celu ochrony powierzchni. Jednak segmentacja niesie ze sobą wyzwania w zakresie minimalizacji wspólnej masy, przenoszenia obciążenia między segmentami i logistyki [ 21 , 22 ].

Warto również wspomnieć o możliwości zastosowania technologii druku 3D i symulacji pracy turbiny wiatrowej w celu dodatkowej weryfikacji i usprawnienia pracy turbiny wiatrowej [ 23 ]. QBlade to program typu open source do obliczeń turbin wiatrowych. Pozwala użytkownikom projektować łopaty wirnika i obliczać osiągi oraz stosować je bezpośrednio w projekcie, a także weryfikować charakterystykę turbiny wiatrowej poprzez symulację. Inne programy wykorzystywane do projektowania turbin wiatrowych to FOCUS6, HAWC2, QBlade, Simpack i inne.

3.1.2. Wieża

Zabudowa wieży, czyli fundamentu podtrzymującego konstrukcję elektrowni wiatrowej, uległa zmianie w stosunku do pierwszych wiatraków budowanych z drewna. Obecnie wieża turbiny wiatrowej jest zwykle wykonana ze stali, aby uzyskać solidną i odporną konstrukcję. Kolejnym materiałem użytym do budowy wieży jest beton, który również spełnia niezbędne wymagania dotyczące integralności strukturalnej, wytrzymałości i trwałości. Ostatnio zastosowano techniki optymalizacji, aby zmaksymalizować nośność przy jednoczesnym zmniejszeniu zużycia materiałów i kosztów. Podczas eksploatacji farmy wiatrowej wieża jest poddawana okresowym obciążeniom ze względu na zmieniające się prędkości wiatru, co może powodować wyginanie się wieży w przód iw tył. Aby zmniejszyć ten ruch, częstotliwość wieży musi być zrównoważona z częstotliwością drgań własnych innych elementów. Dlatego, konieczna jest analiza relacji między wieżą a innymi elementami elektrowni wiatrowej, takimi jak wirnik, gondola i fundament. Ponadto, aby wybrać optymalny projekt, należy wziąć pod uwagę koszt materiałów, produkcję komponentów, montaż i wpływ na środowisko [24 ].

3.1.3. Układ napędowy

Skrzynia biegów jest częścią turbiny, która wymaga największej konserwacji. Tak więc, jeśli go usuniesz, niezawodność turbiny zostanie zwiększona. Jest to również najbardziej masywny element w gondoli turbiny, więc usunięcie go poprawi również ten aspekt turbiny. Z tego powodu od lat prowadzone są badania mające na celu optymalizację turbin o napędzie bezpośrednim [ 25], aby uczynić je bardziej konkurencyjnymi niż turbiny z przekładniami. Ten typ generatora prądu nie ma przekładni i pracuje z taką samą prędkością jak wirnik turbiny wiatrowej. Generatory te są bardzo duże, a wyjściowa energia elektryczna jest przetwarzana na stałą częstotliwość i napięcie za pomocą energoelektroniki. Z drugiej strony, napęd bezpośredni eliminuje dwie trzecie napędu konwencjonalnego: skrzynię biegów, sprzęgło i wysokoobrotowy generator. Ponadto turbiny z napędem bezpośrednim są bardziej praktyczne przy wyższych prędkościach wiatru. Jednak do niedawna rozmiar i cena generatora nie pozwalały im stać się głównym konkurentem turbin z przekładnią zębatą. Rozwój turbin z napędem bezpośrednim i spadek cen magnesów trwałych doprowadziły do ​​powstania tańszego i lżejszego modelu z napędem bezpośrednim. Należy pamiętać, że tysiące turbin z przekładniami pracują i jeszcze długo będą funkcjonowały. Z tego powodu technologia przekładni nadal jest udoskonalana w celu obniżenia kosztów i zwiększenia niezawodności.

Eksperci umieszczają te dwie technologie obok siebie, co można interpretować na dwa sposoby: albo obie technologie będą ewoluować, aż jedna z nich zwycięży, albo obie technologie znajdą wystarczającą liczbę użytkowników, aby współistnieć na rynku. Inni eksperci uważają, że technologia napędu bezpośredniego z czasem zwycięży. Potwierdzają to trzema argumentami:

• Koszt morskich konstrukcji wsporczych dla turbin wiatrowych z napędem bezpośrednim jest niższy ze względu na ich mniejszą masę.

• Podczas gdy turbina wiatrowa z przekładnią osiągnęła prawie maksymalną wydajność, napęd bezpośredni oferuje większy potencjał do dalszych ulepszeń.

• Napęd bezpośredni jest bardziej wydajny przy wyższych prędkościach wiatru, ponieważ turbiny wiatrowe z przekładnią wymagają dodatkowych stopni przekładni, co powoduje większe straty w skrzyni biegów. Istnieje również możliwość wykonania konstrukcji hybrydowej, łączącej w sobie elementy skrzyni biegów oraz napędu bezpośredniego [ 14 ].

Rozwój zaowocował systemami elektromagnetycznymi turbin wiatrowych, które zawierają mniej miedzi i są lżejsze. Wirnik zawiera komponenty, które wytwarzają pole magnetyczne, a zatem reprezentują obracające się bieguny. Istnieją dwa rodzaje komponentów, które mogą wykonać to zadanie: generatory synchroniczne i asynchroniczne. Tak zwane generatory synchroniczne mają proste magnesy trwałe podobne do zwykłych magnesów podkowiastych. W generatorze synchronicznym wirnik i pole magnetyczne obracają się z tą samą prędkością (synchronicznie). Generatory te są coraz częściej stosowane w turbinach wiatrowych ze względu na dużą gęstość mocy i małą masę. Wyzwania, przed którymi stoją te generatory, to rozmagnesowanie magnesów trwałych w przypadku generowania ekstremalnego ciepła, co powoduje, że generator nie nadaje się do użytku, oraz niemożność generowania mocy o stałej częstotliwości. Wynika to ze zmienności prędkości wiatru i rotacji przy tej samej prędkości. Dlatego generatory te wymagają prostownikowych przetwornic mocy. Alternatywą dla generatora synchronicznego jest generator asynchroniczny. Generuje pole elektryczne za pomocą dodatkowych cewek. Zgodnie z prawem Faradaya prąd elektryczny i pole magnetyczne zawsze występują razem. Tak więc pole magnetyczne może być użyte do indukowania prądu elektrycznego, ale pole magnetyczne można również wytworzyć, przesyłając prąd przez cewkę. To właśnie robią generatory asynchroniczne. Ten typ generatora wymaga specjalnego zasilania magnesów, ale w zamian za to mniejsze są uszkodzenia i wyższa niezawodność. Ponadto wahania prędkości obrotowej wirnika są znacznie łatwiej absorbowane ze względu na wyższy stopień tłumienia.26 ].

3.1.4. System sterowania turbiną wiatrową

Głównym zadaniem systemu sterowania turbiną wiatrową jest maksymalizacja uzysku energii i zmniejszenie obciążeń dynamicznych konstrukcji. System ten obejmuje różne podsystemy, takie jak:

• System optymalizacji mocy i obciążenia

• System monitorowania stanu

• System wykrywania lodu i przeciwoblodzeniowy

• System kontroli migotania cienia

• System przeciwpożarowy

• System ochrony nietoperzy

• System wykrywania wyładowań atmosferycznych

• System monitorowania zanieczyszczeń olejowych.

System obejmuje różne czujniki, siłowniki, połączenia kablowe, zdecentralizowane sterowanie oraz specjalne komputery i oprogramowanie. Dlatego projektowe wykonanie systemu sterowania jest podzielone na kilka jednostek funkcjonalnych. Zwykle składa się z centralnego komputera umieszczonego u podstawy wieży, jednostki sterującej i przełączającej w gondoli oraz kilku zdecentralizowanych elementów sterujących. Tutaj generowane są wartości domyślne dla zespołu funkcjonalnego i podłączany jest system zdalnego monitorowania. W jednostce sterującej gondoli przetwarzane są sygnały ze zdecentralizowanych układów sterowania, a wyniki przesyłane są systemem magistrali danych do komputera centralnego. Na przykład system kontroli nachylenia łopat jest skoncentrowany w głowicy wirnika. Prawie cała kontrola skoku łopaty, od pozyskiwania danych o wietrze do kontroli parametrów odbywa się w dużej mierze autonomicznie za pośrednictwem tak zwanych „skrzynek nachylenia”. Systemy sterowania stają się coraz bardziej zaawansowane i wydajne, analizowany jest również wpływ czynników środowiskowych na działanie systemu [27 ]. Algorytmy sterowania można dostosować do konkretnych wymagań, a monitorowanie może odbywać się w czasie rzeczywistym.

Poprawa wydajności farmy wiatrowej to duże wyzwanie, zwłaszcza gdy pracuje ona w niestabilnych warunkach pogodowych. Dlatego konieczne jest zainstalowanie urządzenia śledzącego maksymalną oczekiwaną moc wyjściową z turbiny wiatrowej (MPPT). Podejścia oparte na (pokonywaniu wzniesień) zostały zastosowane do symulacji urządzeń śledzących maksymalną moc, ale mają one ograniczenia pod względem szybkości i wydajności śledzenia. Fathy i in. [ 28 ] proponują najnowsze wydajne podejście algorytmu optymalizacji Archimedesa (AOA) do symulacji MPPT. Zaproponowany algorytm dostosowuje cykl pracy falownika w celu maksymalizacji mocy wyjściowej. Wyniki badań eksperymentalnych potwierdzają solidność proponowanego podejścia w osiąganiu najlepszych osiągów systemu energetyki wiatrowej.

Należy zauważyć, że wydajność turbiny wiatrowej pracującej w warunkach przejściowych maleje wraz z wiekiem. Byrne i in. [ 29 ] przeanalizowali 13-letnie dane operacyjne turbin wiatrowych Vestas i doszli do wniosku, że wydajność turbin wiatrowych spadła o około 5% w okresie 10 lat, a spadek wydajności nie był liniowy.

3.1.5. Ponowne zasilanie farmy wiatrowej

Moc około 38 GW lądowych farm wiatrowych w Europie zakończy swój normalny okres eksploatacji wynoszący 25 lat (tj. 20 lat) do 2025 r. [ 30]. Gdy dobiegną końca okresu użytkowania, na jaki uzyskali koncesję, są trzy możliwości: wydłużenie okresu użytkowania, na który należy uzyskać nowe koncesje, wycofanie z eksploatacji lub przywrócenie przepustowości (repowering). Repowering farmy wiatrowej polega na wymianie starych turbin wiatrowych na mocniejsze i wydajniejsze nowe modele. Regeneracja średnio podwaja moc farmy wiatrowej i potraja produkcję energii elektrycznej. Repowering jest szczególnie skuteczny i ważny, ponieważ najstarsze (i najmniej wydajne) farmy wiatrowe w Europie znajdują się w miejscach o najlepszych warunkach wietrznych, ponieważ tam powstały pierwsze farmy wiatrowe. Nowoczesne turbiny w tych lokalizacjach mogą wyprodukować znacznie więcej energii elektrycznej niż istniejące farmy wiatrowe.

Według dostępnych danych, realizowane są już duże projekty repoweringowe. Jednym z takich przykładów jest projekt Windplan Groen w holenderskiej prowincji Flevoland. Na tym terenie stało kiedyś 98 turbin wiatrowych o łącznej mocy 168 MW. Obecnie są one zastępowane przez 90 nowych, wydajniejszych turbin wiatrowych. Zwiększy to moc farmy wiatrowej do około 500 MW, co wystarczy do zasilenia w energię elektryczną całego województwa. Połowa turbin wiatrowych jest budowana przez Vestas, w tym 37 turbin wiatrowych EnVentus V162–6,2 MW i osiem turbin wiatrowych V126–3,45 MW. Główne cechy turbiny V162–6,2 to: średnica wirnika 162 m, powierzchnia omiatania 20 612 m ², wysokość piasty 166 m. Włączana prędkość wiatru wynosi 3 m/s, a wyłączana prędkość wiatru 25 m/s. Ślad węglowy wynosi 6,1 g CO2e/kWh, a wskaźnik recyklingu wynosi 88%. Jednocześnie są to najpotężniejsze turbiny w Holandii [ 30 ]. Pozostałe turbiny w ramach projektu zostaną dostarczone przez firmy Nordex i General Electric (GE).

Farma wiatrowa w Malpica (Hiszpania) przeszła jeszcze większą przebudowę. Liczba turbin spadła z 69 do 7, ale produkcja energii elektrycznej podwoiła się [ 30 ]. Repowering może być zatem bardzo skutecznym środkiem. Jednak mniej niż 10% wycofanych z eksploatacji turbin wiatrowych jest obecnie odnawianych. Powolne i złożone procesy autoryzacyjne oraz zmieniające się przepisy zniechęcają operatorów. Zamiast tego większość lądowych farm wiatrowych, które osiągnęły 25 (lub 20) lat eksploatacji, otrzymuje koncesję na przedłużenie ich eksploatacji.

Inną opcją jest zaprzestanie eksploatacji farm wiatrowych, ich demontaż i recykling. Podczas gdy beton i stal można łatwo poddać recyklingowi, kompozyty, z których wykonane są łopaty wirnika, stanowią problem. Problem ten był badany przez Chen i in. [ 31 ], Beauson i in. [ 32 ] oraz Ruane i in. [ 33 ]. Należy zauważyć, że w ciągu najbliższych pięciu lat w Europie ma zostać wycofanych i wycofanych z eksploatacji 9,4 GW mocy.

Artykuł 16 Dyrektywy OZE wymaga od państw członkowskich UE wydawania pozwoleń na nowe projekty OZE w ciągu 2 lat, a na repowering w ciągu 1 roku (nie uwzględnia to terminów wykonania ocen oddziaływania na środowisko ani terminów rozstrzygania sporów prawnych). Niestety większość krajów nie przestrzega tych terminów. Procedura wydawania zezwoleń jest zbyt powolna i skomplikowana, a przyczyny tego stanu rzeczy to przede wszystkim:

• Przepisy są złożone. Coraz więcej ograniczeń w planowaniu przestrzennym (np. minimalne odległości od budynków mieszkalnych, ograniczenia wysokości budynków itp.). Ponadto przepisy różnią się nie tylko w poszczególnych państwach członkowskich, ale także w różnych regionach tego samego państwa członkowskiego.

• Niepotrzebna biurokracja. Procedury są powolne, ponieważ zaangażowanych jest zbyt wiele organów administracyjnych na szczeblu krajowym, regionalnym i lokalnym. To zwielokrotnia liczbę aplikacji, które muszą złożyć przedsiębiorstwa energetyczne, i liczbę procedur, których należy ściśle przestrzegać, zwiększając koszty dla przedsiębiorstw i czas potrzebny na rozwiązanie problemów.

• Agencje wydające pozwolenia nie dysponują wystarczającymi zasobami cyfrowymi i/lub ludzkimi, aby przetwarzać rosnącą liczbę wniosków o pozwolenia.

Według WindEurope, czas oczekiwania na pozwolenia jest najdłuższy w Chorwacji (do 120 miesięcy), Grecji, Belgii i Szwajcarii (do 110 miesięcy). Najszybciej pozwolenia wydawane są w Turcji (8 miesięcy), Anglii (26 miesięcy), Niemczech i Rumunii (30 miesięcy). Zgodnie z prawem chorwackim inwestorzy muszą korzystać z technologii określonej w pierwotnym wniosku o pozwolenie, podczas gdy większość krajów europejskich zezwala na modernizację technologii. Czas wydawania pozwoleń dłuższy niż pięć lat oznacza, że ​​projekty stają się przestarzałe przed rozpoczęciem budowy, a zmiana technologii spowodowałaby konieczność ubiegania się o nowe pozwolenie, co z kolei wydłużyłoby okres budowy. W Chorwacji sytuacja ta ma się zmienić wraz z wejściem w 2021 roku nowej ustawy o odnawialnych źródłach energii. Zgodnie z tą ustawą okres wydawania pozwoleń wyniesie maksymalnie dwa lata. Chociaż finansowanie projektów OZE jest powszechnie dostępne, duże opóźnienia w uzyskiwaniu pozwoleń zniechęcają inwestorów do realizacji projektów. Dlatego rządy stanowe muszą drastycznie uprościć procedury wydawania zezwoleń [30 ].

3.1.6. Konserwacja turbin wiatrowych

Konserwacja turbin wiatrowych jest niezwykle ważna w całym okresie ich eksploatacji, gdyż zapewnia niezawodną pracę. Farmy wiatrowe, które odniosły największy sukces, wykorzystywały niezawodne turbiny wiatrowe i przestrzegały dobrych programów eksploatacji i konserwacji.

Pewnej poprawy można spodziewać się również w tym obszarze. Na przykład w kontekście monitorowania stanu komponentów turbiny wiatrowej (CM) Wang i in. [ 34] zaproponowali nową technikę wielowymiarowej oceny stanu (MSET), aby zapewnić wczesne ostrzeganie o awarii komponentów. Aby ulepszyć MSET i uczynić go bardziej elastycznym, zaproponowano metodę tworzenia dynamicznej macierzy pamięci oraz dwie metody CM oparte na pozostałościach w czasie rzeczywistym do wczesnego ostrzegania o awarii. Gdy kilka kolejnych wartości resztkowych przekroczy wartość progową, tworzone jest ostrzeżenie o awarii. W dłuższej perspektywie metoda dzieli historyczne pozostałości na dni i analizuje je za pomocą wykresów kontrolnych. Zaproponowaną metodę zweryfikowano eksperymentalnie w dwóch rzeczywistych przypadkach uszkodzeń spowodowanych przegrzaniem łożysk przekładni i łożysk generatora. Wyniki pokazały, że metoda znacząco zmniejsza błąd estymacji MSET.

Przekładnia planetarna jest krytycznym elementem turbin wiatrowych i ma ogromne znaczenie dla ich bezpieczeństwa i niezawodności. Inteligentny system diagnostyki usterek tych przekładni osiągnął pewne sukcesy w oparciu o dostępność dużej ilości danych. Li i in. [ 35 ] zaproponowali nową metodę diagnozowania usterek, która łączy uczenie się skrzyni biegów z modelem dynamicznym w celu określenia stanu technicznego przekładni planetarnych.

Przeprowadzono wiele innych badań i analiz oraz zaproponowano ulepszenia związane z konserwacją elementów turbiny wiatrowej [ 36 , 37 , 38 , 39 ]. Część badań dotyczy ochrony przed uderzeniem pioruna i wykrywania uszkodzeń łopat, które uległy uderzeniu pioruna [ 40 , 41 , 42 ], ponieważ roczne uszkodzenia w tym obszarze są znaczne. Na podstawie wszystkich tych ustaleń przewiduje się znaczny wzrost współczynnika wydajności turbin wiatrowych ( tabela 3 ).

Tabela 3. Średni współczynnik wydajności turbin wiatrowych [ 2 ].