Pasauliniam energetikos kraštovaizdžiui pereinant prie atsinaujinančių šaltinių, vėjo jėgainės yra pagrindinė pasaulinės energijos gamybos dalis, kuri 2022 m. suteiks 8 % pasaulio energijos. Tačiau vėjo jėgaines varanti jėga, pats vėjas, gali kelti didelį pavojų. Smarkūs gūsiai ir audros gali padaryti didelę žalą vėjo turbinoms, dėl kurių gali prireikti brangių remonto darbų, veiklos sutrikimų ir katastrofiškų gedimų.
Labai svarbu sumažinti šią riziką, o dėl šiuolaikinių vėjo jėgainių parkų masto pramonė dabar kreipiasi į labiau susietus ir pažangesnius sprendimus, naudojančius daiktų internetą (IoT).
Vėjo turbinų dizainas ir raktų sistemos
Vėjo turbinos (1 pav) turi darbinį langą, pagal kurį vėjo tiekiama energija varo vidinius komponentus neviršijant jų leistinų nuokrypių. Kelios funkcijos užtikrina turbinų saugumą ir optimizuoja našumą. Tai apima:
- Posūkio valdymas, leidžiantis jiems susilyginti su vėju arba nukreipti nuo jo
- Žingsnio valdymas, skirtas reguliuoti turbinos menčių kampą
- Rotoriniai stabdžiai, padedantys sustabdyti jų sukimąsi kritiniais atvejais. Apskaičiuota, kad vėjo turbinos per savo gyvavimo laikotarpį avariniu būdu sustoja maždaug 500–1000 kartų.
Tarptautinės elektrotechnikos komisijos (IEC) IEC 61400-1 standartas, kuriame apibrėžiami vėjo turbinų projektavimo reikalavimai, nurodo, kad šiuolaikinė vėjo turbinų konstrukcija turi leisti ištverti nuolatinį 112 mylių per valandą vėją ir didžiausius trijų sekundžių gūsius iki 156 mylių per valandą. Tačiau vėjo turbinos nėra nesunaikinamos (2 pav). Katastrofiško gedimo atvejai gali įvykti, kai vėjo turbinos susiduria su didesnio greičio vėjais, susiduria su ekstremaliais gūsiais, uraganais ar net esant normalioms vėjo sąlygoms, jei jau yra pažeistos esamos žalos.
Technologijos, maitinančios daiktų internetą vėjo jėgainėse
IoT technologija padėjo vėjo turbinas ir nelaimių valdymą perkelti iš vieno atskiro ir reaguojančio proceso prie platesnio, išmanesnio ir iniciatyvesnio požiūrio. Daiktų interneto sėkmė vėjo nelaimių prevencijos srityje priklauso nuo suvokimo, komunikacijos ir analitinių technologijų, kurios atlieka labai svarbų vaidmenį užtikrinant stebėjimo ir priežiūros sistemų efektyvumą.
Tarptautinės elektrotechnikos komisijos (IEC) IEC 61400-1 standartas nurodo, kad šiuolaikinės vėjo turbinos turi atlaikyti nuolatinį 112 mylių per valandą vėją ir didžiausius trijų sekundžių trukmės gūsius 156 mylių per valandą greičiu, nurodant esminius vėjo turbinų projektavimo reikalavimus.
Dėl jutiklių technologijų pažangos, pavyzdžiui, komponentų miniatiūrizavimo ir energiją taupančių konstrukcijų kūrimo, jutiklius galima naudoti net atokiausioje ir sudėtingiausioje vėjo turbinų aplinkoje. Be to, energijos surinkimo technologijų integravimas leidžia atskiriems jutikliams ilgą laiką veikti autonomiškai, todėl sumažėja dažnos priežiūros poreikis.
Ryšių tinklai
Kai turbinos jutikliai surenka duomenis, jie turi perduoti juos į centrinę vietą analizei. Čia atsiranda pažangios komunikacijos technologijos. Kadangi vėjo turbinos dažnai yra atokiose vietose, jų IoT sistemose naudojamos technologijos dažniausiai yra korinio ryšio LTE/5G ir LoRaWAN. Dėl didesnio duomenų perdavimo greičio ir mažo delsos 5G galima stebėti realiu laiku ir greitai perduoti didelius duomenų kiekius, užtikrinant greitą jutiklio aptiktų problemų sprendimą ir sumažinant gedimo riziką.
5G pasižymi didelės spartos duomenų perdavimu, o LoRaWAN siūlo ilgalaikį ryšį, todėl jis idealiai tinka atokioms vėjo jėgainėms (pvz., dislokavimui jūroje), kur 5G infrastruktūra gali būti nepraktiška. Kai kuriuose ypač atokiuose regionuose palydovinis ryšys taip pat naudojamas patikimam ryšiui užtikrinti.
AI ir ML
Dirbtinio intelekto (DI) ir mašininio mokymosi (ML) metodų atsiradimas padėjo pasiekti vėjo turbinų IoT sistemų naudojamų duomenų intelektą. Tai leidžia įmonėms sukurti realaus laiko sprendimus, kurie gali pasitelkti esminius intervencijos metodus tiek priežiūros priemonėms, tiek sudėtingoms ūkyje vykdomoms veikloms, kurios gali padėti išvengti vėjo turbinų žalos ekstremaliomis oro sąlygomis.
Turbinos atsparumo didinimas naudojant daiktų internetą
„Nordic Semiconductor“ 2023 m. „Connect for Good“ dizaino iššūkis, kurį remia „Mouser Electronics“, paskatino inžinierius pademonstruoti mažos galios belaidžio ryšio technologijos potencialą sprendžiant pasaulines tvarumo problemas.
Iššūkio dalyvis Pratyush Mallick sukūrė mažos galios nuotolinio stebėjimo sistemą, naudodamas kompaktišką ir integruotą sistemos paketą (SiP). Sistema siūlo mažos galios LTE ryšį įvairiems vieno įrenginio mažos galios korinio IoT projektams ir integruoja daugybę jutiklių. Projekte buvo panaudota modelio vėjo turbina, skirta imituoti realias sąlygas, suteikiant vertingų įžvalgų apie vėjo energijos sistemų atsparumo ir gedimo taškus.
Modeliuodamas skirtingas vėjo sąlygas ir stebėdamas turbinų reakciją, Mallick projektas parodė, kaip daiktų internetas gali pagerinti vėjo turbinų atsparumą ekstremalioms oro sąlygoms. Šis naujoviškas požiūris ne tik padidina vėjo energijos sistemų patikimumą, bet ir prisideda prie platesnių nelaimių prevencijos pastangų, užtikrinant, kad turbinos veiktų net ir nepalankiomis sąlygomis.
Panašūs metodai taip pat naudojami daugelyje šiuolaikinių vėjo jėgainių. „Siemens Gamesa“ naudoja daiktų internetą ir dirbtinį intelektą, kad galėtų stebėti vėjo turbinos sąlygas realiuoju laiku. Be turbinų jutiklių duomenų analizės, kad būtų galima numatyti galimus gedimus, jų platforma naudoja dronus, kad per 20 minučių užfiksuotų maždaug 400 vaizdų iš trijų turbinos menčių. Naudojant „Microsoft“ Azure AI paslaugas, vaizdai yra atidžiai išnagrinėjami, kad būtų galima atskirti įtrūkimus ar paviršiaus nešvarumus, pateikiant išsamią ašmenų būklės ir reikalingų remonto darbų apžvalgą. Aktyvi strategija buvo sėkminga gerinant turbinų patikimumą ir efektyvumą, įrodant daiktų interneto veiksmingumą vėjo turbinų nelaimių prevencijos srityje.
Išvada
Tobulėjant daiktų interneto technologijai, tikimasi, kad jos vaidmuo vėjo turbinų nelaimių prevencijoje didės. Ateityje gali būti patobulinti AI algoritmai, skirti tikslioms prognozėms, ir patobulinti jutikliai, skirti nuodugniam stebėjimui.
Energijos tinklams siekiant didesnio tvarumo, daiktų internetas ir dirbtinis intelektas leis mums padidinti atsinaujinančių energijos šaltinių, pvz., saulės ir vėjo, sintezę, o tai padės užtikrinti patikimą ir tvarų tinklo tinklą net esant ekstremalioms oro sąlygoms.