1. Въведение
На фона на глобалния фокус върху развитието на ниско-въглеродна икономика и предложената от Китай цел за „двоен-въглерод“, вятърната енергия като чист и устойчив възобновяем енергиен източник се превърна във фокусна точка за правителствата и енергийните гиганти по целия свят. С непрекъснатото изграждане на вятърни паркове на сушата, все по-зрялата технология и намаляващите разходи, вятърната енергия на сушата се разви бързо, като глобалният новоинсталиран капацитет на вятърна енергия на сушата достигна 61,8 GW само през 2019 г. Въпреки това, ограничена от експлоатируема на сушата земя и ресурси от вятърна енергия, офшорната вятърна енергия постепенно се превърна в тенденция на развитие. По-конкретно, югоизточните крайбрежни райони на Китай са икономически развити, имат добре-установена електрическа мрежа и изобилие от офшорни вятърни енергийни ресурси, което ги прави много подходящи за широкомащабно-разработване и свързване към мрежата на офшорна вятърна енергия.
2. Текущо състояние на офшорната вятърна енергия
През 2020 г. глобалният новосвързан капацитет на офшорна вятърна енергия надхвърли 6 GW, приблизително същото като през 2019 г. Десет години по-рано, през 2010 г., глобалният новоинсталиран капацитет на офшорна вятърна енергия беше под 1 GW. Междувременно делът на офшорната вятърна енергия в глобалния новоинсталиран капацитет на вятърна енергия също се е повишил от 2,5% през 2010 г. до сегашните 7%.
2.1 Текущо състояние и тенденции на отвъдморската офшорна вятърна енергия
По отношение на класацията на страните по новоинсталирани мощности, петте най-големи пазара на офшорна вятърна енергия в световен мащаб през 2020 г. са Китай, Холандия, Белгия, Обединеното кралство и Германия. Експерти от индустрията прогнозират, че глобалният пазар на офшорна вятърна енергия ще претърпи среден годишен темп на растеж от над 30% между 2020 г. и 2025 г. Тази оценка се основава на следните причини:
01
Бързият спад в разходите за офшорна вятърна енергия се дължи на нарастващия размер на офшорните вятърни турбини (вижте Фигура 2-1), което може значително да спести първоначални инвестиции и последващи разходи за експлоатация и поддръжка.
Фигура 2-1 Глобални тенденции на развитие на офшорни вятърни турбини
Източник на данни: GWEC Market Data Platform, август 2020 г
02
С правителствата по света, които повишават целите си за развитие на офшорна вятърна енергия, азиатските пазари на Китай, Виетнам, Япония и Южна Корея се очаква да отбележат бърз растеж. На европейския пазар, в допълнение към страните от Западна Европа, които продължават енергично да развиват офшорна вятърна енергия, страните от Източна Европа също ще започнат изграждането на офшорни вятърни съоръжения. Освен това, първият голям-мащабен офшорен вятърен парк в Съединените щати ще бъде свързан към мрежата през 2023 г.
03
Индустриализацията на плаващата вятърна енергия (вижте Фигура 2-2) ще има по-широк спектър от приложения, тъй като плаващата фундаментна конструкция е подходяща за дълбоководни зони с дълбочина на водата от 50 до 200 метра. Според Световния енергиен доклад глобалният инсталиран капацитет на плаваща вятърна енергия ще достигне 8 до 10 GW до 2030 г.
Фигура 2-2 Схематична диаграма на плаващ офшорен вятърен парк
2.2 Текущо състояние на офшорната вятърна енергия в Китай
Офшорната вятърна енергия в Китай започна сравнително късно, но развитието й през последните години беше изключително бързо. От 2018 г. новоинсталираният офшорен капацитет на вятърна енергия в Китай неизменно води други страни. По-специално, през 2020 г. новосвързаният мрежов капацитет на Китай надхвърли 3GW за първи път. Въз основа на кумулативния инсталиран капацитет Китай надмина Германия, за да стане вторият-най-голям пазар на офшорна вятърна енергия в света до края на 2020 г. Според оценки, базирани на темповете на растеж на офшорната вятърна енергия в различни страни, Китай измести Обединеното кралство като най-големият в света пазар на офшорна вятърна енергия през 2021 г.
2.2.1 Мащабът на инсталирания капацитет и свързаността към мрежата продължава да нараства.
Проектът за офшорна вятърна енергия на Shanghai Donghai Bridge, първият широко{0}}мащабен проект за офшорна вятърна енергия в Китай, който започна през 2006 г. и започна да се строи през 2008 г., успешно инсталира 34 местно произведени 3MW офшорни вятърни турбини с общ инсталиран капацитет от 102MW, като по този начин отвори прелюдия към развитието на офшорна вятърна енергия в Китай.
През 2016 г. Националната енергийна администрация публикува 13-ия пет-годишен план за развитие на вятърната енергия и въведе поредица от основни благоприятни политики за насърчаване на развитието на офшорна вятърна енергия, което също означава, че развитието на офшорна вятърна енергия в Китай се е преместило от „демонстрация на проекти“ към бърза линия на „бързо развитие“.
През 2020 г. проектите за офшорна вятърна енергия навлязоха в критичен период на бързо инсталиране. Според статистиката 30 проекта са били в процес на изграждане едновременно през първата половина на годината с инсталирана мощност от 12 972 800 киловата, включително 11 новозапочнати проекта и 3 проекта, които са били напълно свързани към мрежата.
2.2.2 Единичният капацитет на вятърните турбини се увеличава всяка година.
Според данни от края на 2019 г., по отношение на капацитета на единична единица, 4MW единици имат най-големия кумулативен инсталиран капацитет, докато 5MW се превърна в основния модел за офшорни проекти за вятърна енергия (вижте Фигура 2-3).
На 12 юли 2020 г. първата китайска вятърна турбина с мощност 10 MW беше успешно свързана към мрежата и генерира електричество в офшорния вятърен парк Xinghua Bay в провинция Фуджиан, поставяйки нов рекорд за капацитет на единична офшорна вятърна турбина в Китай. От гледна точка на плановете за развитие на производителите на вятърни турбини, 8MW се превърнаха в нова отправна точка, а широкомащабните-офшорни вятърни турбини от 10MW и повече са посочени като ключови модели за развитие.
Фигура 2-3 Процент на капацитета на офшорните вятърни турбини в Китай в края на 2019 г.
2.2.3 Изграждането на офшорна вятърна енергия постепенно се измества от крайбрежни плитки води към дълбоко-море и дълбоко-водни зони.
До края на 2019 г. общият одобрен капацитет за офшорна вятърна енергия в Китай достигна 35 милиона киловата. Сред тях, Jiangsu и Guangdong са одобрили капацитет над 10 милиона киловата, докато Fujian и Zhejiang са одобрили капацитет над 3 милиона киловата. Наличните крайбрежни-ресурси за бъдещо развитие са ограничени, докато Китай разполага с огромна зона от експлоатируеми дълбоководни-морски води, които се очаква да станат фокус на развитието на офшорна вятърна енергия в бъдеще.
3. Хардуерни изисквания за индустриални Ethernet комутатори в офшорни вятърни паркове
Офшорните вятърни турбини и офшорните подстанции се изграждат на десетки километри от сушата, в изключително тежки условия. Това поставя много високи изисквания към оборудването, особено основното комуникационно оборудване, главно по отношение на надеждността, устойчивостта на солен спрей, високи и ниски температури и електромагнитни смущения. Освен това поддръжката на офшорно оборудване е ограничена от метеорологичните условия, морските разпоредби и разгръщането на корабите, което прави както аварийната, така и рутинната поддръжка изключително трудна, с изключително непредсказуемо време. Това поставя изключително високи изисквания към стабилната и надеждна работа на Ethernet комутаторите.
3.1 Изисквания за надеждност
Няколко ключови показателя за надеждност на оборудването:
1) Средно време до повреда (MTTF)
2) Средно време между отказите (MTBF)
3) Средно време за ремонт (MTTR)
3.1.1 Индикатор MTBF
Един от най-важните показатели за ефективност на индустриалните Ethernet комутатори е средното време между отказите (MTBF). Най-широко приетите и авторитетни стандарти са MIL-HDBK-217, GJB/Z299B и Bellcore. Повечето чуждестранни марки промишлени превключватели използват американския MIL-HDBK 217F като референтен стандарт и използват HALT (High-Accelerated Life Test) и HASS (High-Accelerated Stress Screening) тестове по време на R&D и производствени тестове, за да проверят дали MTBF на продукта отговаря на изискванията за проектиране. MTBF на повечето индустриални Ethernet комутатори е над 20 години, а някои дори надхвърлят 50 години.
HALT (Highly Accelerated Life Testing) се използва главно в етапа на изследване и разработване на продукта. Той е ефективен при разкриването на потенциални дефекти в продуктите и е важен метод за тестване за инженерите-проектанти за подобряване на надеждността на продукта.
HASS (Highly Accelerated Stress Screening) е високо-ускорен процес на стрес скрининг, извършван на производствената линия, след като продуктите преминат теста HALT, за да се определят техните експлоатационни или разрушителни граници. 100% от продуктите трябва да участват в скрининга. Неговата цел е да гарантира, че произведените продукти нямат скрити дефекти или поне да идентифицира и отстрани тези дефекти, преди продуктите да напуснат фабриката. HASS използва ускорен стрес, за да открие дефектни продукти за кратко време, да съкрати цикъла на коригиращи действия и да идентифицира продукти със същите проблеми.
3.1.2 Индикатор MTTR
Типичните изисквания за обекти на офшорни вятърни паркове са: средно време за ремонт (MTTR), предоставено от производителя, което обикновено е 0,5 до 1 час, когато времето за поддръжка на управлението и времето за доставка не се вземат предвид; и времето за диагностика (или проверка) и актуализиране на дефектни щепсели трябва да бъде по-малко от 30 минути.
Ако индустриален превключвател претърпи хардуерен отказ и ако времето за поддръжка на управлението и времето за доставка не са взети под внимание и е необходима само проста подмяна, в повечето случаи продуктът на индустриалния комутатор може да бъде заменен в рамките на 1 час, отговаряйки на изискванията на клиента за MTTR.
3.2 Изисквания за устойчивост на корозия
Ключова характеристика на морската работна среда е високото ниво на солени пръски. Продуктите за индустриални Ethernet комутатори трябва да осигурят дизайн на защитно покритие на печатната платка, за да се постигне ниво на защита G3 и да отговарят напълно на изискванията на ISA-S71.04-1985 (класификация G3- Hash Group A) и стандартите EN60068-2-60 Метод 4, за да работят стабилно и надеждно за дълго време в суровата морска среда.
Ранните офшорни вятърни паркове претърпяха голям брой повреди на превключвателите. При отваряне на корпусите на превключвателите бяха открити видими следи от изгаряне по платките. Една от причините за това беше, че тези превключватели нямаха защитно покритие.
3.3 Изисквания за висока и ниска температура
Тъй като различните офшорни вятърни паркове са разположени на различни географски ширини, техните климатични условия варират значително. Например през зимата най-ниската температура в офшорния вятърен парк Zhuanghe в Далиан може да достигне -15 градуса по Целзий, докато през лятото най-високата температура в офшорния вятърен парк Xuwen в Zhanjiang може да достигне 38 градуса по Целзий. Температурата вътре в кулите на вятърните турбини може да бъде дори по-висока от външната температура. Поради това се поставят много високи изисквания към нормалната работна температура на индустриалните превключватели.
Въпреки че повечето производители на индустриални превключватели на пазара изброяват работните температури на своите превключватели като -40 градуса до +70 градуса или дори -40 градуса до +85 градуса, тези цифри са получени от краткосрочни-лабораторни тестове. Например, изискванията за тестване на реномирана местна институция за тестване уточняват, че при висока-температурна среда превключвателят, докато е включен, трябва да бъде поставен в центъра на камера за тестване на околната среда и температурата трябва да се повиши до 70 градуса и да се поддържа в продължение на 2 часа. Устройството трябва да функционира нормално при +70 градуса и скоростта на съхраняване и препращане трябва да достига 100%. Ако това изискване е изпълнено, превключването се счита за 合格 (квалифицирано/приемливо).
Техническите изисквания за същата ниска{0}}температурна среда са както следва: Превключвателят, докато е включен, се поставя в центъра на камера за изпитване на околната среда и температурата се понижава до -40 градуса и след това се поддържа при тази температура в продължение на 2 часа. Устройството трябва да функционира нормално при -40 градуса, със скорост на съхранение и напред от 100%; също трябва да може да стартира нормално при -40 градуса. Ако тези изисквания са изпълнени, се счита за 合格 (квалифицирано/приемливо). Следователно тестът само проверява дали може да работи стабилно в продължение на 2 часа при тази екстремна температура.
Докато индустриалните превключватели в офшорни вятърни паркове не трябва да издържат на такива екстремни температури, те трябва да работят непрекъснато за продължителни периоди в среда с тежки температури и дори могат да бъдат подложени на допълнителни неблагоприятни въздействия от други външни среди. Само индустриални превключватели, които са издържали изпитанието на времето, може да се каже, че отговарят на изискванията за висока и ниска температура на офшорните вятърни паркове.
(следва продължение)