Ветрогенераторы: большое значение маленьких датчиков

Современные ветрогенераторы объединяют передовые идеи из области механики и электрической техники. Несмотря на то, что рекордный диаметр лопастей ветряных турбин составляет не мене 79 м, а рекордная высота всей конструкции превышает 183 м, безопасная и эффективная работа ветрогенераторов зависит от множества крошечных датчиков, размер которых иногда не превышает сантиметра. Именно датчики играют огромную роль в обеспечении надежной работы этих гигантов при возникновении аварий, вибраций и других опасных ситуаций
2369
В избранное

Некоторые ветрогенераторы не уступают по высоте небоскребам, при этом их безопасная и эффективная работа была бы невозможна без десятков крошечных недорогих датчиков.

Современные ветрогенераторы можно считать своего рода ветряными мельницами двадцать первого века, с той лишь разницей, что они используются не для помола зерна или накачки воды, а для преобразования силы ветра в электрическую энергию. При детальном рассмотрении ветрогенераторы оказываются настоящими шедеврами инженерной мысли. Они объединяют передовые идеи из области механики и электрической техники. Несмотря на то, что рекордный диаметр лопастей ветряных турбин составляет не мене 79 м, а рекордная высота всей конструкции превышает 183 м, безопасная и эффективная работа ветрогенераторов зависит от множества крошечных датчиков, размер которых иногда не превышает сантиметра. Именно датчики играют огромную роль в обеспечении надежной работы этих гигантов при возникновении аварий, вибраций и других опасных ситуаций.

Роль датчиков в ветрогенераторах

Без датчиков ветрогенераторы были бы не такими безопасными, более дорогими в обслуживании, менее надежными из-за сложности диагностики и обнаружения сбоев, и служили гораздо меньше, чем желаемые двадцать пять лет. Ветряные электростанции нуждаются в точных и актуальных данных о каждом ветрогенераторе. Решить эту задачу возможно только при использовании сетей датчиков, связанных между собой и с центром управления.

Ветрогенераторы используют множество датчиков, объединенных в единую сеть, и являются отличной демонстрацией эффективности промышленного Интернета вещей (IoT). Правда, сеть, как правило, строится на базе Ethernet, а не на базе беспроводных интерфейсов.

Наличие IoT-сетей позволяет электростанции собирать множество рабочих параметров, таких как скорость ветра, мгновенная мощность, углы поворота, температура коробки передач и др. Полученные данные используются для анализа работы, как всей электростанции, так и ее отдельных частей. По этим же данным работники станции создают модель, которая помогает распознавать элементы, требующие технического обслуживания. Со всей информацией, а также с предупреждениями об ошибках и другими результатами диагностики можно ознакомиться удаленно с помощью смартфона, планшета или компьютера.

Чтобы понять, почему датчики так важны, рассмотрим конструкцию ветрогенератора. На рис. 1 показано расположение и функции различных датчиков. Стоит отметить, что ветрогенераторные установки очень сложны и обычно содержат более 8000 компонентов.

Конструкция ветрогенератора с указанием функций используемых сенсоров, а также мест их расположения

Рис. 1. Конструкция ветрогенератора с указанием функций используемых сенсоров, а также мест их расположения 

Для надежной установки ветряков требуется устойчивое основание, в качестве которого используется сверхмассивный фундамент, состоящий из тысяч тонн стали и арматуры. Его размеры составляют от 30 до 15 метров в длину и от 6 до 10 метров в глубину.

Для преобразования медленной скорости вращения лопастей в высокую скорость вращения ротора генератора используется коробка передач. Она размещается в специальном контейнере, который называется гондола. Размер гондолы сопоставим с габаритами автобуса, а ее вес достигает 45 тонн. Некоторые гондолы настолько большие, что на них умещается вертолетная площадка. Общий вес всего ветряка может превышать 272 тонны.

Говоря о ветрогенераторах, следует в качестве примера привести Великобританию, которая является крупнейшим в мире производителем ветряной электроэнергии. Мощности 5,3 ГВт, генерируемой в этой стране, хватает для обеспечения электричеством пяти миллионов домов.

В мае прошлого года датская компания DONG Energy ввела в строй 32 дополнительных ветровых генератора электростанции Burbo Bank Offshore Wind Farm в заливе Ливерпуль в Ирландском море (рис. 2). Данное событие является очень важным для всей отрасли возобновляемых источников энергии. Дело в том, что это был первый коммерческий пуск турбин мощностью 8 МВт, что вдвое превышает мощность турбин, использовавшихся на электростанции ранее. Новые ветряки имеют высоту около 195 м, диаметр их лопастей составляет 80 м, а одного полного оборота хватит, чтобы обеспечивать электричеством один дом в течение 29 часов.

Ветровая электростанция Burbo Bank Offshore Wind Farm

Рис. 2. Ветровая электростанция Burbo Bank Offshore Wind Farm 

Рекордной мощностью 9 МВт в настоящее время обладает турбина Vestas 164 от компании Vestas Wind Systems. Диаметр ее лопастей составляет 178 м, эффективная площадь 20 566 м² и вес 32 тонны. Высота ветрогенератора – 219 м (соответствует высоте 72-этажного здания), а его общий вес 1800 тонн.

Для ясности на рис. 3 показано, насколько большими могут быть лопасти турбин ветрогенераторов.

Эденфилд. Перевозка лопастей для турбин ветряной электростанции Scout Moor Wind Farm, которая является второй по величине береговой электростанцией в Англии

Рис. 3. Эденфилд. Перевозка лопастей для турбин ветряной электростанции Scout Moor Wind Farm, которая является второй по величине береговой электростанцией в Англии

Зачем нужны датчики?

В ветрогенераторах используется множество различных типов электрических и оптических датчиков. Они выполняют следующие функции:

  • контроль различных параметров и передача информации в центр управления;
  • контроль уровня вибрации, для обеспечения защиты от аварийных ситуаций;
  • мониторинг температуры, давления и механических напряжений.

Датчики вихревых токов

Одним из наиболее распространенных типов датчиков в ветрогенераторах являются датчики вихревых токов (токов Фуко). Эти токи возникают при перемещении проводника в магнитном поле. По величине вихревых токов можно определить силу магнитного поля, а зная магнитное поле можно рассчитать расстояние до объекта.

Датчики вихревых токов используются для измерения зазора вала в турбинах ветрогенератора, а также для проверки того, что в зазоре присутствует тонкая пленка масла. При этом масло обычно наносят под давлением. Так как датчики вихревых токов устойчивы к воздействию масел, давления и температуры, это позволяет им надежно работать в подобных враждебных условиях. Когда зазор становится слишком большим, формируется предупреждение о необходимости проведения технического обслуживания.

Датчики вихревых токов помогают обнаруживать осевые и радиальные отклонение вала турбины. Радиальное перемещение возникает, когда вал смещен относительно центральной оси. Осевое перемещение говорит о том, что вал имеет наклон относительно центральной оси. И то и другое нельзя устранить полностью. Однако при значительных отклонениях возникает повышенный износ подшипников. При обнаружении таких ситуаций турбину требуется как можно скорее остановить для технического обслуживания, еще до того как произойдет авария.

Наконец, датчики вихревых токов используются для измерения усилий или крутящих моментов, приложенных к гондоле. Эти воздействия могут быть вызваны вибрацией, ветровыми нагрузками или другими факторами, которые со временем способны привести к разрушению всей конструкции.

Датчики вихревых токов также могут применяться для измерения осевого, радиального или тангенциального отклонения дисков сцепления, обеспечивающих безопасность ротора при возникновении сильного ветра.

Датчики смещения

Для контроля структурной целостности ветрогенератора используются различные датчики смещения. Фундамент, на котором располагается ветряк, состоит из огромного количества бетона. В то же время общая высота конструкции оказывается очень большой, а гондола и лопасти имеют значительный вес, который сосредоточен преимущественно в верхней части ветряка. Поэтому контроль целостности всей конструкции является обязательным.

Для решения этой задачи могут использоваться лазерные датчики. Они способны обнаруживать очень небольшие взаимные смещения фундамента и башни, вызванные постоянным давлением ветра или волн, а также возникающими структурными дефектами. Лазерный датчик посылает оптический сигнал приемнику, расположенному на некотором расстоянии. Таким образом, перемещения конструктивных элементов друг относительно друга приводят к изменению расстояния между лазером и приемником, что фиксируется системой управления. Лазерные триангуляционные датчики также используются для аналогичных целей и располагаются в виде треугольника. Поскольку эти устройства чрезвычайно точны, то они могут не только обнаруживать очень небольшие смещения, но и определять тенденцию и скорость их изменения.

Для измерения воздушного зазора генератора (расстояния между статором и ротором в турбине) используется еще один тип датчиков перемещения – емкостные сенсоры. Как известно, металлические поверхности, расположенные в непосредственной близости друг от друга, образуют пространственный конденсатор, емкость которого меняется обратно пропорционально расстоянию между этими проводящими поверхностями. Таким образом, при возникновении смещения, емкость изменяется, что и фиксируют емкостные датчики. Эти сенсоры способны работать в широком диапазоне температур при наличии мощных электромагнитных полей.

Проволочный датчик перемещения состоит из гибкого высокопрочного кабеля (провода), намотанного на подпружиненную катушку, и датчика вращения, установленного на корпусе. Из-за большой длины кабеля датчик может располагаться далеко от подвижного объекта. Когда провод удлиняется, катушка приходит во вращение. Перемещение катушки измеряется и преобразуется в электрический сигнал. Такие сенсоры используются в ветровых турбинах. В частности, они помогают определять силу воздушного потока по отклонению воздушных створок. Внешний вид типового проволочного датчика перемещения показан на рис. 4.

Проволочный датчик от Bourns состоит из гибкого высокопрочного кабеля (провода), намотанного на подпружиненную катушку, и датчика вращения, установленного на корпусе

Рис. 4. Проволочный датчик от Bourns состоит из гибкого высокопрочного кабеля (провода), намотанного на подпружиненную катушку, и датчика вращения, установленного на корпусе. В зависимости от требований приложения могут использоваться различные типы датчиков вращения

В зависимости от требований конкретных приложений в проволочных датчиках могут быть встроены различные датчики вращения: потенциометры, датчики Холла и аналоговые или цифровые бесконтактные датчики. Например, бесконтактный аналоговый датчик AMS22B5A1BHASL334N от Bourns использует магнитную технологию, устойчив к ударам и вибрации, отличается высокой степенью защиты от пыли влаги, и может работать в температурном диапазоне от -40 до 125 °C. AMS22B5A1BHASL334N имеет 12-битное выходное разрешение и линейность ± 0,3 %.

Акселерометры

Акселерометры предназначены для измерения ускорения и частоты вращения. В ветрогенераторах они используются для обнаружения и контроля вибрации в подшипниках, а также в других вращающихся компонентах, таких как выходные валы главного генератора. Данные о вибрации необходимы для текущего мониторинга, прогнозирования и предотвращения возможных аварий.

МЭМС-акселерометры ADXL1001 и ADXL1002 от Analog Devices обеспечивают измерение вибрации с большим разрешением и низкой плотностью шума. Они отличаются высокой временной стабильностью и устойчивы к ударным ускорениям вплоть до 10 000 м/с2.

ADXL1001 и ADXL1002 также обладают встроенными функциями самодиагностики и имеют индикатор превышения диапазона. Их рабочий температурный диапазон составляет от -40 °C до + 125 °С.

Датчики ветра

Датчики ветра устанавливаются в верхней части гондолы. Они бывают либо механическими, либо ультразвуковыми. Поскольку ультразвуковые сенсоры не нуждаются в повторной калибровке, то их все чаще используют в приложениях, где техническое обслуживание затруднено.

Ультразвуковые сенсоры измеряют расстояние до объекта с помощью ультразвуковых волн. Они формируют акустическую волну, которая отражаясь от объекта, возвращается обратно к датчику. При этом расстояние до объекта может быть определено по времени пролета ультразвука.

SoC-микросхема ультразвукового процессора и драйвера PGA460/PGA460-Q1 от Texas Instruments объединяет аналоговые блоки и DSP-процессор. Отраженная волна преобразуется в электрический аналоговый сигнал, который проходит низкочастотную фильтрацию и усиление, после чего оцифровывается для дальнейшей обработки и определения расстояния до объекта. Для работы с близлежащими и удаленными объектами возможна настройка пороговых временных значений схемы.

Датчики температуры

Датчики температуры необходимы для обнаружения локальных перегревов отдельных элементов ветрогенератора.

Платиновые температурные датчики серии PTF от компании TE Connectivity имеют диапазон измерений от -200 °C до + 600 °C. В качестве чувствительного элемента в них используются тонкопленочные резисторы. Эти датчики характеризуются компактными размерами, малым весом, минимальным временным дрейфом, высоким временем отклика, что очень важно для быстрой обратной связи.

Заключение

Возникает резонный вопрос: раз уж датчики играют столь значительную роль с точки зрения эффективности и безопасности, то что станет с ветрогенератором, если какой-либо из сенсоров откажет? Дело в том, что многие датчики имеют резервирование. То есть, если в процессе работы сенсор вышел из строя, активируется дублирующий датчик. Кроме того, не стоит забывать, что датчики, используемые в ветровых электростанциях (а также в других энергетических системах), должны иметь широкий диапазон рабочих температур, высокий рейтинг защиты от влаги и пыли IP67 или IP68, а также прочное корпусное исполнение.

Как и в любой другой развивающейся технологии, у ветровой энергетики были хорошие и плохие дни. Причем, как показывает практика, возникавшие аварии в большинстве случаев были связаны с отказами отдельных электрических узлов, а не с поломкой генераторов или турбин. Использование датчиков в ветрогенераторах помогает значительно сократить число аварий, точно так же, как и в других промышленных приложениях. Датчики вихревых токов и перемещений, акселерометры, датчики ветра и температуры являются ключевыми элементами для диагностики и своевременного технического обслуживания ветрогенераторов. По этой причине количество применяемых сенсоров в ближайшем будущем будет возрастать. Ведь гораздо выгоднее потратить $10 на защиту лопасти турбины, чем потом заниматься ее дорогостоящей заменой после аварии.

Производитель: Bourns GmbH.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
AMS22B5A1BHASL334N
Bourns GmbH.
Арт.: 1624249 ИНФО
Доступно: 23 шт. от 1 шт. от 2808,03
Выбрать
условия
поставки
SINGLE TURN NON-CONTACT MAGNETIC SENSOR
AMS22B5A1BHASL334N от 1 шт. от 2808,03
23 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
AMS22B5A1BHASL336N
Bourns GmbH.
Арт.: 1624250 ИНФО
Доступно: 12 шт. от 1 шт. от 5424,48
Выбрать
условия
поставки
SINGLE TURN NON-CONTACT MAGNETIC SENSOR
AMS22B5A1BHASL336N от 1 шт. от 5424,48
12 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Texas Instruments
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
PGA460TPWQ1
PGA460TPWQ1
Texas Instruments
Арт.: 2288010 AN RD
Доступно: 304 шт. от 180 шт. от 214,95
Выбрать
условия
поставки
PGA460TPWQ1 от 180 шт. от 214,95
304 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
PGA460TPWRQ1
PGA460TPWRQ1
Texas Instruments
Арт.: 2288011 AN RD
Доступно: 359 шт. от 2000 шт. от 181,82
Выбрать
условия
поставки
PGA460TPWRQ1 от 2000 шт. от 181,82
359 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
PGA460TPWR
PGA460TPWR
Texas Instruments
Арт.: 2301669 AN RD
Доступно: 395 шт. от 2000 шт. от 165,31
Выбрать
условия
поставки
PGA460TPWR от 2000 шт. от 165,31
395 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: Analog Devices Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
ADXL1001BCPZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 2321065 RD
Доступно: 12 шт. от 1 шт. от 5162,30
Выбрать
условия
поставки
ADXL1001BCPZ от 1 шт. от 5162,30
12 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADXL1002BCPZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 2575638 RD
Доступно: 10 шт. от 1 шт. от 6042,36
Выбрать
условия
поставки
ADXL1002BCPZ от 1 шт. от 6042,36
10 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADXL1002BCPZ-RL7
Analog Devices Inc.
Арт.: 2590468 RD
Доступно: 16 шт. от 1000 шт. от 4067,14
Выбрать
условия
поставки
ADXL1002BCPZ-RL7 от 1000 шт. от 4067,14
16 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
EVAL-ADXL1002Z
Analog Devices Inc.
Арт.: 2731512 RD
Доступно: 5 шт. от 1 шт. от 11033,80
Выбрать
условия
поставки
EVAL-ADXL1002Z от 1 шт. от 11033,80
5 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки

Сравнение позиций

  • ()