Ветровые турбины имеют проектный срок службы 20 лет. Лопасти ротора должны регулярно проверяться - не реже одного раза в четыре года, чтобы подтвердить их структурную целостность. Выполняют этот вид работ промышленные альпинисты . Но проблема с проверкой морских установок заключается в том, что доступ возможен только при благоприятных погодных условиях. Это затрудняет планирование инспекционных визитов. В исследовательском проекте Thermoflight ученые Фраунгофера совместно с промышленными и исследовательскими партнерами проводят исследования альтернативных методов контроля. Использование морских беспилотных летательных аппаратов, оборудованных тепловизионными камерами в сочетании с акустическими системами мониторинга, может потенциально повысить эффективность обслуживания и сократить время простоя.
Непрерывный структурный мониторинг работоспособности лопастей ротора вносит существенный вклад в общую экономическую эффективность ветроэнергетических турбин. Когда ротор вращается, наконечники лопастей могут достигать скорости от 300 до 350 км/ч - так же быстро, как гоночный автомобиль Формулы-1. Роторные лопасти обеспечивают наилучшие аэродинамические характеристики, когда пограничный слой ветра плавно протекает над аэродинамическим профилем. Даже малейшее повреждение поверхности может вызвать турбулентность, что приведет к снижению эффективности. Для ветровой турбины это означает снижение производительности, экономичность и сокращение срока службы.
Неблагоприятные погодные условия в море вызывают разрушение материалов намного быстрее, чем на суше. Факторы стресса включают более высокий уровень воздействия ультрафиолетового излучения, высокие скорости ветра и насыщенный солями воздух. Промышленные альпинисты, которые проводят регулярные проверки, проверяют признаки отслоения и другие формы повреждений, воздействуя на структуру и исследуя ее внешний вид. Плохая доступность ветровых электростанций и непредсказуемость морских погодных условий затрудняют планирование развертывания групп технического обслуживания и увеличивает эксплуатационные расходы. Типичным примером является случай, когда инспекционные работники неоднократно вызываются, но затем отправляются домой , потому что погодное окно слишком короткое, чтобы разрешить высотные работы.
Поэтому операторы ветряков ищут альтернативные методы мониторинга структурной целостности, которые столь же надежны, как и регулярные проверки промышленными альпинистами. «Мы нуждаемся в гибких методах, которые позволяют проверять на месте лопасти ротора ветротурбины на месте в течение минимального времени и без длительной подготовки и при этом доставлять результаты, столь же надежные и убедительные, как те, которые были получены при проведении инспекций промышленными альпинисты », - говорит д-р-инж. Холгер Хун, директор по исследованиям и разработкам WindMW Service, компании, координирующей проект.
Убедительные результаты, продемонстрированные в тестах на усталость
Эти проблемы рассматриваются в концептуальном исследовании исследователей из Института Фраунгофера по технологии ветроэнергетики и энергетических систем IWES в Бремерхафене совместно с WindMW Service GmbH, Бременским институтом метрологии, автоматизации и качества (BIMAQ) и Deutsche WindGuard Engineering GmbH.
В двух параллельных подходах их целью является сокращение времени простоя ветровой турбины и техническое обслуживание с меньшим количеством персонала. Один из подходов включает использование дронов в сочетании с технологией мобильной термографии; в другом - система контроля акустического излучения.
Система измерения акустического излучения, встроенная в лопатку ротора, служит в качестве системы раннего предупреждения, обнаруживая внутренние повреждения, например, в корне лопасти ротора. С другой стороны, тепловизионная камера обнаруживает повреждение поверхности, например, вызванное эрозией от дождя. Fraunhofer IWES оптимизирует систему неразрушающего контроля акустического излучения для осмотра лопастей ротора. Акустическая эмиссия и пьезоэлектрические датчики прикреплены к внутренней поверхности лопастей ротора в структурно значимых областях - особенно в известных слабых точках. Измерительное вычислительное устройство, которое собирает и анализирует данные датчика, встроено в концентратор ротора.
«Датчики работают так же, как и микрофоны.Если силы растяжения в определенной области лопасти ротора внезапно меняются, структура высвобождает энергию в виде тепла и поверхностных волн, которые могут быть измерены датчиками. Звуковые волны имеют разные задержки сигнала. Анализируя время прихода волны, можно определить источник ущерба », - объясняет Стефан Краузе, руководитель проекта в Fraunhofer IWES. Система измерения акустических излучений уже дала убедительные результаты во время лабораторных испытаний на испытательном стенде. Во время статического испытания лопаток и усталостных испытаний исследователи смогли идентифицировать многочисленные типы повреждений, включая переломы клея и волокна, повреждение стыков в полотнах, трещины в задней кромке лопастей ротора и неправильное склеивание в области корня лопатки , Следующий шаг - проверить систему в реальных условиях. Эти испытания будут проведены весной 2018 года в прибрежных ветровых парках Meerwind Süd и Meerwind Ost у берегов Хельголанд в северной Германии.
Мониторинг структурного здоровья крупных узлов роторного ножа
Система измерения акустических излучений является эффективным и надежным средством постоянного мониторинга очень больших структур. Как только датчики обнаруживают и локализуют потенциальный дефект, могут быть предприняты соответствующие меры. В зависимости от типа повреждения и его местоположения более тщательный внешний осмотр лопасти ротора можно, например, выполнять с помощью тепловизионной камеры.
Структурные дефекты вызывают трение, которое, в свою очередь, генерирует тепло. Тепловой поток в материале может быть обнаружен с помощью тепловидения. В этом проекте используется метод пассивной термографии, в котором измерения теплового потока основаны на теплоте исследуемого объекта или на различиях в температуре из-за естественного суточного цикла. Deutsche WindGuard Engineering GmbH и BIMAQ успешно применяют тепловую съемку для визуализации теплового потока при эксплуатации береговых ветряных электростанций в течение нескольких лет. Новая задача - адаптировать эту проверенную технику к требованиям морских установок.
При подключении тепловизионных камер к беспилотным летательным аппаратам возможно обнаружение дефектов подповерхностей в композитных материалах, включая расслоение, посторонние включения, неправильное склеивание в несущих муфтах фланцев и усадочные полости. При рабочей нагрузке такие дефекты глубоко внутри лопасти ротора, если они не обнаружены и не будут устранены своевременно, могут вызвать более серьезные структурные повреждения и в конечном итоге привести к полному разрушению. «Наша цель - объединить различные методы испытаний, чтобы такой ущерб был обнаружен раньше, что позволяет избежать необходимости аварийного отключения, а также позволяет операторам проводить целенаправленные проверки роторных лопастей», - говорит Николас Балареск, генеральный директор Deutsche WindGuard Engineering GmbH.
Deutsche WindGuard Engineering GmbH уже успешно завершила начальные лабораторные испытания термографической системы. Следующим шагом будет выбор наиболее подходящей камеры и типа беспилотного летательного аппарата. В рамках испытаний для проверки концепции использования тепловизионной обработки для мониторинга работоспособности роторных лопастей алгоритмы оценки разрабатываются на основе дополнительных измерений, проводимых в исследовательском центре Университета Бремена по ветроэнергетике. В дополнение к этой работе оператор оффшорного ветропарка WindMW Service GmbH разрабатывает сценарии для осмотров роторных лезвий с целью устойчивого сокращения и оптимизации количества регулярных проверок.
Снижение затрат на производство энергии ветра в открытом море
Помимо снижения затрат на инспекцию, новый комбинированный метод обещает увеличить энергозатраты за счет сокращения простоев. Промышленному альпинисту нужен целый день, чтобы осмотреть ротор. «Используя беспилотные летательные аппараты, та же самая работа может быть выполнена в течение одного часа», - подсчитал Краузе. «И целенаправленная инспекция, основанная на результатах измерений акустической эмиссии, потребует еще меньше времени. Эти новые технологии, особенно в сочетании с беспилотными летательными аппаратами (БПЛА), дополняют традиционные инспекционные действия, предлагая эффективные и безопасные способы проверки роторные лопасти с оптимизированным использованием ресурсов и минимальным нарушением производства энергии».
