ارتباطات اترنت صنعتی در مزارع بادی فراساحلی (قسمت 1)

1. مقدمه

در پس زمینه تمرکز جهانی بر توسعه اقتصاد کم کربن-و هدف پیشنهادی "دو کربن{{1}" چین، انرژی باد، به عنوان یک منبع انرژی تجدیدپذیر پاک و پایدار، به نقطه کانونی دولت ها و غول های انرژی در سراسر جهان تبدیل شده است. با ساخت مستمر مزارع بادی خشکی، فن‌آوری رشد فزاینده و کاهش هزینه‌ها، نیروی بادی خشکی به سرعت توسعه یافته است، به طوری که ظرفیت جهانی نیروگاه بادی خشکی تازه نصب شده تنها در سال 2019 به 61.8 گیگاوات رسیده است. با این حال، با محدودیت زمین های قابل بهره برداری خشکی و منابع انرژی بادی، نیروی بادی فراساحلی به تدریج به یک روند توسعه تبدیل شده است. به ویژه، نواحی ساحلی جنوب شرقی چین از نظر اقتصادی توسعه یافته اند، دارای یک شبکه برق تثبیت شده، و منابع انرژی باد فراساحلی فراوان هستند، که آنها را برای توسعه مقیاس بزرگ و اتصال به شبکه برق بادی فراساحلی بسیار مناسب می کند.

2. وضعیت فعلی صنعت برق بادی فراساحلی

در سال 2020، ظرفیت نیروی بادی دریایی تازه متصل جهانی از 6 گیگاوات فراتر رفت، تقریباً مشابه سال 2019. ده سال قبل، در سال 2010، ظرفیت جهانی نیروی بادی دریایی تازه نصب شده کمتر از 1 گیگاوات بود. در همین حال، نسبت نیروی بادی فراساحلی در ظرفیت نیروگاه بادی تازه نصب شده جهانی نیز از 2.5 درصد در سال 2010 به 7 درصد فعلی افزایش یافته است.

2.1 وضعیت فعلی و روند صنعت برق بادی فراساحلی در خارج از کشور

از نظر رتبه بندی کشورها بر اساس ظرفیت جدید نصب شده، پنج بازار برتر نیروی بادی فراساحلی در جهان در سال 2020 چین، هلند، بلژیک، بریتانیا و آلمان بودند. کارشناسان صنعت پیش‌بینی می‌کنند که بازار جهانی انرژی بادی فراساحلی بین سال‌های 2020 تا 2025 میانگین رشد سالانه بیش از 30 درصد را تجربه خواهد کرد. این ارزیابی بر اساس دلایل زیر است:

01

کاهش سریع هزینه های نیروی بادی دریایی به دلیل افزایش اندازه توربین های بادی دریایی است (شکل 2-1 را ببینید)، که می تواند به طور قابل توجهی در سرمایه گذاری اولیه و هزینه های عملیاتی و نگهداری بعدی صرفه جویی کند.

شکل 2-1 روند توسعه جهانی توربین های بادی فراساحلی

منبع داده: پلتفرم داده بازار GWEC، آگوست 2020

02

با توجه به افزایش اهداف خود در سراسر جهان برای توسعه نیروی بادی فراساحلی، انتظار می رود بازارهای آسیایی چین، ویتنام، ژاپن و کره جنوبی شاهد رشد سریعی باشند. در بازار اروپا، علاوه بر اینکه کشورهای اروپای غربی به شدت به توسعه نیروی بادی فراساحلی ادامه می دهند، کشورهای اروپای شرقی نیز ساخت تاسیسات بادی فراساحلی را آغاز خواهند کرد. علاوه بر این، اولین مزرعه بادی فراساحلی در مقیاس بزرگ در ایالات متحده در سال 2023 به شبکه متصل خواهد شد.

03

صنعتی شدن نیروی باد شناور (نگاه کنید به شکل 2-2) کاربرد وسیع تری خواهد داشت زیرا سازه پی شناور برای مناطق عمیق دریا با عمق آب 50 تا 200 متر مناسب است. بر اساس گزارش جهانی انرژی، ظرفیت نصب شده جهانی نیروی بادی شناور تا سال 2030 به 8 تا 10 گیگاوات خواهد رسید.

شکل 2-2 نمودار شماتیک یک مزرعه بادی دریایی شناور

2.2 وضعیت فعلی صنعت برق بادی فراساحلی چین

صنعت برق بادی فراساحلی چین نسبتا دیر شروع شد، اما توسعه آن در سال های اخیر بسیار سریع بوده است. از سال 2018، ظرفیت نیروگاه بادی فراساحلی چین که به تازگی نصب شده است، به طور مداوم پیشتاز سایر کشورها بوده است. به ویژه، در سال 2020، ظرفیت شبکه جدید متصل چین برای اولین بار از 3 گیگاوات فراتر رفت. بر اساس ظرفیت نصب شده انباشته، چین از آلمان پیشی گرفت و تا پایان سال 2020 به دومین-بزرگ‌ترین بازار نیروی بادی فراساحلی جهان تبدیل شد. طبق برآوردهای مبتنی بر نرخ رشد نیروی بادی فراساحلی در کشورهای مختلف، چین در سال 2021 به عنوان بزرگترین بازار نیروی بادی فراساحلی جهان جایگزین بریتانیا شد.

2.2.1 مقیاس ظرفیت نصب شده و اتصال به شبکه همچنان در حال رشد است.

پروژه برق بادی فراساحلی پل شانگهای دونگهای، اولین-پروژه بزرگ انرژی بادی فراساحلی چین، که در سال 2006 آغاز شد و ساخت آن در سال 2008 آغاز شد، 34 واحد توربین بادی دریایی 3 مگاواتی تولید داخل را با موفقیت نصب کرد که مجموعاً ظرفیت نصب شده 102 مگاوات در توسعه نیروی بادی در خارج از کشور چین بود.

در سال 2016، اداره ملی انرژی سیزدهمین-برنامه پنج ساله توسعه انرژی بادی را منتشر کرد و یک سری از سیاست‌های مطلوب عمده را برای تشویق توسعه نیروی بادی فراساحلی معرفی کرد، که همچنین به این معنی است که توسعه نیروی بادی فراساحلی در چین از «نمایش پروژه» به مسیر سریع «توسعه سریع» منتقل شده است.

در سال 2020، پروژه‌های نیروی بادی فراساحلی وارد دوره بحرانی نصب و راه اندازی سریع شدند. بر اساس آمار، در نیمه اول سال 30 پروژه با ظرفیت نصب شده 12 میلیون و 972 هزار و 800 کیلووات به طور همزمان در دست ساخت بوده که 11 پروژه تازه شروع شده و 3 پروژه به طور کامل به شبکه متصل شده اند.

2.2.2 ظرفیت تک واحدی توربین های بادی سال به سال در حال افزایش است.

بر اساس داده های پایان سال 2019، از نظر ظرفیت واحد واحد، واحدهای 4 مگاواتی بیشترین ظرفیت نصب شده تجمعی را دارند، در حالی که 5 مگاوات به مدل اصلی برای پروژه های نیروی بادی دریایی تبدیل شده است (شکل 2-3 را ببینید).

در 12 ژوئیه 2020، اولین توربین بادی 10 مگاواتی چین با موفقیت به شبکه متصل شد و در مزرعه بادی خلیج Xinghua خلیج در استان فوجیان با موفقیت به شبکه متصل شد و رکورد جدیدی را برای ظرفیت یک توربین بادی دریایی در چین ثبت کرد. از منظر طرح‌های توسعه سازندگان توربین‌های بادی، 8 مگاوات به نقطه شروع جدیدی تبدیل شده است، و-توربین‌های بادی دریایی در مقیاس بزرگ از 10 مگاوات و بالاتر به عنوان مدل‌های توسعه کلیدی فهرست شده‌اند.

شکل 2-3 درصد ظرفیت توربین بادی فراساحلی در چین در پایان سال 2019

2.2.3 ساخت نیروگاه بادی فراساحلی به تدریج از آبهای کم عمق نزدیک ساحل به مناطق عمیق-دریایی و-آب عمیق تغییر می کند.

تا پایان سال 2019، کل ظرفیت تایید شده انرژی بادی فراساحلی در چین به 35 میلیون کیلووات رسید. در میان آنها، جیانگ سو و گوانگدونگ ظرفیت های بیش از 10 میلیون کیلووات را تایید کرده بودند، در حالی که فوجیان و ژجیانگ ظرفیت های بیش از 3 میلیون کیلووات را تایید کردند. منابع نزدیک{6}}در ساحل برای توسعه آینده محدود است، در حالی که چین دارای منطقه وسیعی از آبهای عمیق{7}}دریایی قابل بهره برداری است که انتظار می رود در آینده به کانون توسعه نیروی بادی فراساحلی تبدیل شود.

3. الزامات سخت افزاری برای سوئیچ های اترنت صنعتی در مزارع بادی فراساحلی

توربین های بادی دریایی و پست های دریایی در ده ها کیلومتر دورتر از خشکی و در محیط های بسیار خشن ساخته می شوند. این امر تقاضاهای بسیار زیادی را برای تجهیزات، به ویژه تجهیزات ارتباطی اصلی، در درجه اول در مورد قابلیت اطمینان، مقاومت در برابر اسپری نمک، دماهای بالا و پایین و تداخل الکترومغناطیسی ایجاد می کند. علاوه بر این، تعمیر و نگهداری تجهیزات فراساحلی توسط آب و هوا، مقررات دریایی و استقرار کشتی محدود می شود، و تعمیر و نگهداری اضطراری و معمولی را با زمان بندی بسیار غیرقابل پیش بینی بسیار دشوار می کند. این امر تقاضاهای بسیار زیادی را برای عملکرد پایدار و قابل اعتماد سوئیچ های اترنت ایجاد می کند.

3.1 الزامات قابلیت اطمینان

چندین شاخص کلیدی قابلیت اطمینان تجهیزات:

1) میانگین زمان شکست (MTTF)

2) میانگین زمان بین شکست ها (MTBF)

3) میانگین زمان برای تعمیر (MTTR)

3.1.1 نشانگر MTBF

یکی از مهم ترین شاخص های عملکرد برای سوئیچ های اترنت صنعتی، میانگین زمان بین خرابی ها (MTBF) است. رایج‌ترین و معتبرترین استانداردها MIL-HDBK-217، GJB/Z299B و Bellcore هستند. اکثر مارک های خارجی سوئیچ های صنعتی از MIL-HDBK 217F آمریکایی به عنوان استاندارد مرجع استفاده می کنند و از تست HALT (High-تست عمر تسریع شده) و HASS (غربالگری استرس با شتاب بالا) در طول تحقیق و توسعه و آزمایش تولید برای بررسی اینکه آیا الزامات طراحی محصول MTBF را برآورده می کند، استفاده می کنند. MTBF اکثر سوئیچ‌های اترنت صنعتی بیش از 20 سال است و حتی برخی از آنها بیش از 50 سال است.

HALT (تست حیات با سرعت بالا) عمدتاً در مرحله طراحی تحقیق و توسعه محصول استفاده می شود. این در آشکار کردن عیوب بالقوه در محصولات موثر است و یک روش آزمایش مهم برای مهندسان طراح برای بهبود قابلیت اطمینان محصول است.

HASS (غربالگری استرس با سرعت بالا) یک فرآیند غربالگری استرس با سرعت بالا است که در خط تولید پس از گذراندن تست HALT برای تعیین محدودیت‌های عملیاتی یا مخرب آن‌ها در خط تولید انجام می‌شود{1}}% محصولات مورد نیاز برای شرکت در غربالگری. هدف آن اطمینان از عاری بودن محصولات تولیدی از هرگونه عیب پنهان یا حداقل شناسایی و رفع این عیوب قبل از خروج محصولات از کارخانه است. HASS از استرس تسریع شده برای یافتن محصولات معیوب در مدت زمان کوتاه، کوتاه کردن چرخه اقدامات اصلاحی و شناسایی محصولات با مشکلات مشابه استفاده می کند.

3.1.2 نشانگر MTTR

الزامات معمول برای سایت های مزرعه بادی دریایی عبارتند از: میانگین زمان تعمیر (MTTR) ارائه شده توسط سازنده، که معمولاً 0.5 تا 1 ساعت است که زمان پشتیبانی مدیریت و زمان تحویل در نظر گرفته نمی شود. و زمان تشخیص (یا بازرسی) و به روز رسانی دوشاخه های معیوب باید کمتر از 30 دقیقه باشد.

اگر یک سوئیچ صنعتی با خرابی سخت افزاری مواجه شود و اگر زمان پشتیبانی مدیریت و زمان تحویل در نظر گرفته نشود و تنها به یک تعویض ساده نیاز باشد، در بیشتر موارد، محصول سوئیچ صنعتی را می توان ظرف مدت 1 ساعت تعویض کرد و نیازهای MTTR مشتری را برآورده کرد.

3.2 الزامات مقاومت در برابر خوردگی

یکی از ویژگی های کلیدی محیط عملیاتی دریایی، سطح بالای پاشش نمک است. محصولات سوئیچ اترنت صنعتی باید طراحی پوشش محافظ برد مدار را برای دستیابی به سطح حفاظتی G3 ارائه دهند و به طور کامل با الزامات استانداردهای ISA-S71.04-1985 (طبقه بندی G3- Hash Group A) و EN60068-2-60 روش 4 مطابقت داشته باشند تا بتوانند در محیطی باتلاقی پایدار و قابل اطمینان برای مدت طولانی کار کنند.

مزارع بادی دور از ساحل اولیه تعداد زیادی از خرابی سوئیچ ها را تجربه کردند. با بازکردن محفظه سوئیچ، آثار سوختگی قابل مشاهده روی بردهای مدار مشاهده شد. یکی از دلایل این امر این بود که این سوئیچ ها فاقد پوشش محافظ بودند.

3.3 مورد نیاز دمای بالا و پایین

از آنجایی که مزارع بادی دریایی مختلف در عرض های جغرافیایی مختلف قرار دارند، شرایط آب و هوایی آنها بسیار متفاوت است. به عنوان مثال، در زمستان، کمترین دما در مزرعه بادی دریایی Zhuanghe در دالیان می تواند به -15 درجه سانتیگراد برسد، در حالی که در تابستان، بالاترین دما در مزرعه بادی دریایی Xuwen در Zhanjiang می تواند به 38 درجه سانتیگراد برسد. دمای داخل برج های توربین بادی ممکن است حتی بیشتر از دمای بیرون باشد. بنابراین، الزامات بسیار بالایی برای دمای کارکرد معمولی کلیدهای صنعتی قرار می گیرد.

اگرچه اکثر سازندگان سوئیچ های صنعتی در بازار دمای کار سوئیچ های خود را به صورت -40 درجه تا +70 درجه یا حتی -40 درجه تا +85 درجه ذکر می کنند، اما این ارقام از آزمایش های آزمایشگاهی کوتاه مدت به دست می آیند. برای مثال، الزامات آزمایش یک موسسه معتبر آزمایش داخلی مشخص می‌کند که در محیط‌های با دمای{12}بالا، سوئیچ، در حالی که روشن است، باید در مرکز یک محفظه آزمایش محیطی قرار گیرد، و دما باید به 70 درجه افزایش یابد و به مدت 2 ساعت حفظ شود. دستگاه باید به طور معمول در درجه +70 کار کند، و نرخ ذخیره و باز ارسال باید به 100٪ برسد. اگر این الزام برآورده شود، سوئیچ 合格 (مجاز/قابل قبول) در نظر گرفته می شود.

الزامات فنی برای همان محیط دمای پایین-به شرح زیر است: سوئیچ، در حالی که روشن است، در مرکز یک محفظه آزمایش محیطی قرار می‌گیرد و دما تا -40 درجه کاهش می‌یابد و سپس به مدت 2 ساعت در آن دما نگهداری می‌شود. دستگاه باید به طور معمول در -40 درجه، با نرخ ذخیره و باز ارسال 100% کار کند. همچنین باید بتواند به طور معمول در دمای -40 درجه شروع شود. اگر این الزامات برآورده شود، 合格 (مجاز/قابل قبول) در نظر گرفته می شود. بنابراین، آزمایش فقط تأیید می کند که آیا می تواند به مدت 2 ساعت در این دمای شدید کار کند یا خیر.

در حالی که کلیدهای صنعتی در مزارع بادی فراساحلی نیازی به مقاومت در برابر چنین دماهای شدیدی ندارند، آنها باید به طور مداوم برای دوره های طولانی در محیط های با دمای خشن کار کنند و حتی ممکن است در معرض اثرات نامطلوب اضافی از سایر محیط های خارجی قرار گیرند. تنها سوئیچ‌های صنعتی که آزمون زمان را پس داده‌اند می‌توان گفت که شرایط دمای بالا و پایین مزارع بادی فراساحلی را برآورده می‌کنند.

(ادامه دارد)