پستهای شناور: چالش بعدی در مسیر ورود به مقیاس تجاری بادهای شناور در مقیاس تجاری

اگرچه برای توسعه مزارع بادی شناور در مقیاس تجاری در مقیاس تجاری ضروری است ، اما پستهای شناور همان میزان توجه یا نمونه های اولیه در مقیاس کامل را به عنوان همتایان توربین خود دریافت نکرده اند.

اشتراک گذاری:

اکنون که اولین بادی های شناور تجاری در حال ورود به مرحله توسعه هستند ، با این حال ، صنعت باید توجه ویژه ای به این عنصر مهم داشته باشد.

شکل 1: عناصر یک بادگیر شناور

باد شناور باعث افزایش سرمایه گذاری و پشتیبانی از سیاست های عمومی می شود زیرا می تواند به 80 ٪ پتانسیل نسل خارج از کشور که در اعماق آب بیش از 60 متر است دسترسی پیدا کند. این آبهای عمیق تر تمایل به خارج از کشور دارند ، جایی که باد به طور معمول سازگار تر است ، اما در جایی که ساختارهای پشتیبانی باد دریایی در پایین از نظر فنی ، لجستیکی و اقتصادی کمتر امکان پذیر هستند.

در سالهای اخیر ، توسعه فن آوری های بادی دریایی شناور سریع بوده و مفاهیم زیادی در حال ظهور است. پس از استقرار موفقیت آمیز نمونه های اولیه و پروژه های تظاهرات ، این صنعت اکنون به سرعت در حال انتقال به پروژه های تجاری است. با این حال ، در حالی که پروژه های تظاهرات مقادیر محدودی از قدرت را تولید می کنند که می توانند مستقیماً به ساحل صادر شوند ، یک پروژه مقیاس تجاری به یک پست دریایی (OSS) نیاز دارد. OSS میزبان یک ترانسفورماتور گام به گام و تجهیزات لازم برای صادرات نیرو در ولتاژ بالا (HV) خواهد بود. تنها OSS شناور در جهان در سال 2013 در فوکوشیما ، ژاپن نصب شد و به 3 توربین وصل شده است. Fukushima OSS در مجموع 16 مگاوات و قدرت صادرات را با سرعت 66 کیلو ولت کنترل می کند که با یک بادگیر مقیاس تجاری قابل مقایسه نیست.

شکل 2: مفاهیم نیمه فرعی (در سمت چپ) و بارگ (در سمت راست) مفاهیم OSS شناور.

یک بادگیر شناور به طور معمول در عمق بیش از 60 متر نصب می شود ، جایی که یک انحصار یا ژاکت ثابت پایین از نظر اقتصادی مرتبط نخواهد بود. برای OSS ، عمق بحرانی برای یک بنیاد ثابت در پایین می تواند از نظر اقتصادی به اندازه تقریباً 100 متر رقابتی باشد ، عمق آن برای سیستم عامل های ثابت نفت و گاز غیر معمول نیست. برای اولین مزارع بادی شناور ، جایی که عمق آب اجازه می دهد ، پست های ثابت پایین (با استفاده از پایه های ژاکت بلند) می توانند خطرات و هزینه های ذاتی را برای فن آوری های جدید مانند کابل های پویا ولتاژ بالا محدود کنند. با این حال ، در مکانهایی مانند کالیفرنیا ، با عمق بیشتر از 500 متر در مناطق برنامه ریزی شده بادی بادی دریایی ، پست های ثابت پایین گزینه ای نیستند.

مفاهیم مختلف

مفاهیم مختلف پیش بینی شده برای پایه های شناور OSS شبیه به طرح هایی است که برای توربین های بادی مورد استفاده قرار می گیرند: نیمه زیرمجموعه ها ، سیستم عامل های پا تنش (TLP) ، بارج یا حتی اسپارز. شناور ، نیمه زیرزمینی و شناور Spar با زنجیر ، کابل های فولادی یا طناب های فیبر متصل به لنگرها به بستر دریا متصل می شوند. یک TLP به صورت عمودی با تترها یا تاندون ها متصل شده است ، این "پاهای تنشی" است. کابل ها ، لوله ها یا میله های بسیار قوی پاهای TLP را به لنگرگاه بستر دریا پیوند می دهند. در بین انواع پایه های شناور ، بسته به نوع سیستم اتصال ، وضعیت خاک و بارهای محیطی مورد انتظار ، می توان از انواع مختلف لنگرگاه استفاده کرد.

شکل 3: مفاهیم مختلف زیرزمین های شناور

وسوسه انگیز است که همان نوع پایه شناور را برای هر دو توربین های بادی و OSS در نظر بگیرید ، از این طریق از هم افزایی در طراحی ، ساخت ، نصب و حتی O& M استفاده می کنید. با این حال ، دستیابی به این هم افزایی به دلیل محدودیت های مختلف OSS دشوار است. اول ، قسمت بالای OSS می تواند به طور قابل توجهی سنگین تر از یک توربین بادی باشد (بین 2000 تا 4500 تن برای HVAC و حتی برای HVDC ، در مقایسه با~1200MT برای یک مجموعه توربین بادی 12 مگاواتی)، و توزیع وزن نیز بسیار متفاوت است، با مرکز ثقل کمتر برای OSS. این عوامل تأثیر مستقیمی بر پایداری شناور و حفظ دریا دارند و به ابعاد شناور متفاوت یا حتی مفهوم متفاوتی نیاز دارند. دوم، یک OSS دارای تعداد زیادی کابل زیردریایی متصل است. یک ترتیب پروژه معمولی می تواند بیش از ده کابل آرایه و حداقل یک کابل صادراتی متصل به OSS داشته باشد. این پیکربندی متراکم کابل زیر دریا نسبت به جابجایی های وسیع بسیار حساس است و گشت و گذار OSS بسیار دور از موقعیت اصلی خود ممکن است به کابل کشی آسیب برساند. بنابراین، از آنجایی که OSS و کابل صادراتی نقاط شکست واحدی برای کل مزرعه بادی هستند، سیستم پهلوگیری نیاز به توجه ویژه ای دارد تا بتواند ایستگاه نگه داری کارآمد و سطح بالایی از افزونگی را در صورت خرابی خط پهلوگیری ارائه دهد.

ترکیبی از فناوری ها و نوآوری های اثبات شده

حتی اگر پیکربندی TLP می تواند به طور قابل توجهی حرکات جهش و چرخش یک ساختار OSS را کاهش دهد، همه سکوهای شناور در نهایت حرکت خواهند کرد. این رفتار دینامیکی یک تاسیسات شناور در مقایسه با OSS ثابت یک چالش طراحی است. و در حالی که اکثر اجزای یک OSS شناور فناوری های اثبات شده ای هستند که از صنایع نفت و گاز یا دریانوردی به دست می آیند، دو موضوعی که نیاز به نوآوری قابل توجهی دارند عبارتند از: کابل های ولتاژ بالا دینامیک زیر دریا و تجهیزات ولتاژ بالا.

To link the floating OSS to the shore, the HV export cable needs to be “dynamic,” as it will coect a moving structure (the OSS) to a fixed element (the seabed). Unlike standard HV subsea cables used for bottom-fixed OSS, the dynamic cables must be able to accommodate the extreme displacements of the OSS during storms and have sufficient fatigue endurance to handle a lifetime of cyclic movements (>20 سال). این نوع کابل برای ولتاژهای تا 66 کیلو ولت وجود دارد، اما هنوز برای ولتاژهای بالاتر مورد نیاز برای صادرات برق در پروژه های مقیاس تجاری در دست توسعه هستند. یکی از چالش های اصلی که تولیدکنندگان کابل با آن مواجه هستند، یافتن ماده ای جایگزین برای غلاف های سربی اطراف هر هسته کابل است. غلاف سربی از هسته کابل در برابر نفوذ رطوبت محافظت می کند، اما مقاومت خستگی ضعیفی دارد.

شکل 4: بخش کابل HV زیر دریا

عنصر دیگری که برای نصب در یک محیط پویا جدید است ، تجهیزات HV ، به ویژه ترانسفورماتور اصلی نیرو و سوئیچ عایق بنزین (HV GIS) است. اگرچه بیشتر سیستم های ابزار و تجهیزات ولتاژ متوسط قابلیت اطمینان خود را در صنایع نفت و گاز و دریایی اثبات کرده اند ، HV GIS و ترانسفورماتورهای برق که در حال حاضر در بازار هستند برای شتاب های تکراری پیش بینی شده روی OSS شناور طراحی نشده اند. این تجهیزات به طور معمول برای حرکات لرزه ای طراحی شده اند ، اما با توجه به اینکه حرکات یک ساختار شناور دارای دامنه بزرگتر و چرخه خستگی بیشتری است ، به طور مستقیم به شرایط شناور قابل انتقال نیست. به عنوان مثال ، این حرکات می تواند باعث تحریک روغن در مخزن جبران کننده ترانسفورماتور شود یا مهر و موم های گاز HV GIS را بدتر کند و باعث از بین رفتن گاز شود. نوآوری های جدید برای پرداختن به کابل پویا و تجهیزات HV باید قبل از اجرای در پروژه های در مقیاس تجاری ، در محیط های واقعی واجد شرایط و آزمایش شوند. برای جمع آوری داده های مربوطه کافی ، این مرحله آزمایش باید در مدت زمان قابل توجهی انجام شود که تأخیر بین توسعه یک محصول جدید و اجرای صنعتی آن را تحمیل می کند.

نتیجه

مانند توربین های بادی شناور ، OS های شناور به تعدادی از نوآوری ها نیاز دارند که هر کدام خطرات و هزینه های اضافی را به ویژه برای پروژه های پیشگام به همراه می آورند. روش هایی برای کاهش خطرات ذاتی در OSS شناور وجود دارد و از این طریق اعتماد به نفس کافی را برای توسعه دهندگان و سرمایه گذاران فراهم می کند. آزمایش و صدور گواهینامه مؤلفه های مهم ، هم تضمین می کند که این طرح ها بر اساس بهترین اقدامات صنعت انجام می شوند و این که اجزای آن معیارهای طراحی خود را رعایت می کنند ، بنابراین خطر عدم موفقیت را کاهش می دهد. با توجه به برنامه مورد انتظار برای توسعه اولین مزارع بادی شناور تجاری ، ساخت نمونه اولیه OSS در مقیاس کامل ممکن است در یک بازه زمانی مربوطه امکان پذیر نباشد و تأمین مالی آن دشوار است. با این حال ، هر عنصر مهم می تواند به صورت جداگانه با تکنیک های تست مناسب مانند تست های مدل در حوضه ها یا نیمکت های تست پویا آزمایش شود.

وسیله دیگر برای کاهش ریسک ، اجرای درجه بالایی از نظارت از راه دور OSS برای تضمین در دسترس بودن تجهیزات و جلوگیری از خرابی فاجعه بار است. این نظارت بر شرایط می تواند در خطوط اتصال ، کابل ها ، تجهیزات HV یا هر عناصر مهم دیگری اعمال شود. علاوه بر این ، برای جلوگیری از خرابی فاجعه بار ، این نظارت امکان نگهداری پیش بینی را فراهم می کند و از این طریق هزینه های O& M را کاهش می دهد.

DNV با ترکیبی از تخصص در انتقال باد ، نفت و گاز و برق در خارج از کشور ، نقش مهمی در توسعه فن آوری های باد شناور داشته است. دستورالعملهای اثبات شده در مورد ساختار ، پایداری ، طراحی پستی و اتصال موقعیت در حال حاضر در دسترس است ، و فن آوری های نظارت بر برش ، مانند اتصال هوشمند ، یک سیستم یادگیری ماشین که برای تشخیص خرابی خط اتصال استفاده می شود ، تهیه شده است. DNV همچنین برای تهیه راه حل های جدید ، استانداردها و شیوه های توصیه شده ، یک پروژه صنعت مشترک (JIP) را در پست های شناور آغاز می کند.< Pan> وسیله دیگر برای کاهش ریسک ، اجرای درجه بالایی از نظارت از راه دور OSS برای تضمین در دسترس بودن تجهیزات و جلوگیری از خرابی فاجعه بار است. این نظارت بر شرایط می تواند در خطوط اتصال ، کابل ها ، تجهیزات HV یا هر عناصر مهم دیگری اعمال شود. علاوه بر این ، برای جلوگیری از خرابی فاجعه بار ، این نظارت امکان نگهداری پیش بینی را فراهم می کند و از این طریق هزینه های O& M را کاهش می دهد.