Автоматизация на ВЕИ системи

Роботите и автоматизацията като цяло имат редица приложения в различни области като индустрията, селското стопанство, отбраната и др. Получаването на енергия от възобновяеми източници също не остава подминато от тази тенденция.

Задачите, които трябва да бъдат изпълнени в компаниите за възобновяема енергия, нарастват непрекъснато и се превръщат в сложни инженерни предизвикателства, което налага роботизацията и автоматизацията на процесите, за да се спести време, да се увеличи производителността и да се оптимизират експлоатационните параметри.

Отрасълът на възобновяемите енергийни източници показва непрекъснат напредък в използваните методи и продукти за оползотворяване на енергията от естествени източници като слънцето, вятъра и водата.

Слънчевата енергия се използва все по-често за генериране на значителни количества електроенергия. Търсенето на захранвани със слънчева енергия устройства и соларни панели е нараснало дотолкова, че компаниите вече не могат да разчитат само на човешка работна ръка в производствените процеси.

Роботи във фотоволтаичната индустрия

Все по-широкото прилагане на автоматизация и роботизация при производството на соларни модули, разработването на проекти и експлоатацията и поддръжката на фотоволтаични (PV) системи спомага за гарантирането на най-високо качество при минималните възможни разходи.

Автоматизацията в сектора се изразява в използването на различни видове машини - от малки шестосни роботи за запечатване на панелните ръбове до големи роботи за инспектиране и палетизиране на сглобените модули.

Според представители на индустрията автоматизацията навлиза в сектора по различни причини. Една от тях е фактът, че цените на роботите и решенията за автоматизация се понижават, гъвкавостта им се увеличава, а програмирането им става по-лесно.

Друга причина за наблюдавания ръст на автоматизацията в соларната индустрия са намаляващите размери на колаборативните роботи и възможността им да работят в близост до и съвместно с хората.

По-широкото приложение на автоматизацията в соларната индустрия е неизбежно поради непрекъснатото развитие на сектора. Използването на решения за автоматизация и роботи за повишаване на конкурентоспособността е увеличаваща се тенденция в областта на соларната енергетика. С тяхна помощ производителите могат да изработват панели по-бързо, по-евтино и с по-високо качество, без да са необходими множество ръчни операции.

Освен на централизираната производствена площадка компаниите в соларната индустрия могат също така да използват транспортируеми автоматизирани модулни линии за производство близо до мястото за инсталация.

Цената за доставка на фотоволтаични модули в по-отдалечени райони може да бъде значителна, така че намаляването на разходите за логистика повишава рентабилността на производството.

В допълнение, редица компании разработват и системи за инсталиране на соларни централи, управление на проследяващи слънцето устройства и осигуряване на почистващи и други функции за поддръжка. Почистването на панели може би е областта, в която роботизацията намира най-голямо приложение.

Един производител вече е инсталирал 350 от своите безводни агрегати, всеки от които разполага със собствен захранващ соларен панел и батерия, която осигурява енергия на робота за 3 дни.

Роботът се прикрепя към горната и долната релса на редицата от соларни панели и се придвижва, почиствайки ежедневно панелите с мека микрофибърна материя и контролирана струя въздух.

Загубата на мощност от наслагване на пясък и прах в пустинните зони, за които е предназначена тази роботизирана система, може да достигне до една трета от нормалната мощност, така че възвръщаемостта на инвестицията може лесно да бъде прогнозирана за период от между 18 месеца и 4 години.

Иновативни начини за използване на роботите в полеви условия се появяват непрекъснато. Сред новите идеи е концепцията за мобилна станция в изграждащите се соларни паркове, която може да извършва някои инсталационни дейности, като например да поставя панелите на носещата конструкция.

Автоматизация в соларни инсталации

Когато се обмисля използването на електрическа фотоволтаична система, е важно първо да се оцени колко енергия може да произведе инсталацията в зависимост от местоположението, ориентацията и ефективността й на преобразуване. Тази оценка в крайна сметка ще зависи от вида на технологията и качеството на системните компоненти.

За да се гарантира, че индустриалната енергийна система винаги произвежда достатъчна мощност, е необходимо денонощно следене на експлоатационните параметри. Това може да стане само чрез използване на система за мониторинг на производителността в реално време.

Технологията за индустриална автоматизация - особено класът системи, известни като SCADA, осигурява идеална платформа за контрол и мониторинг на работните параметри на PV системите в реално време.

Мониторингът и анализът на ефективността на соларните централи днес са от изключително критично значение поради нарастващите разходи за експлоатация и поддръжка, както и с намаляването на производителността, дължащо се на износване на оборудването.

Това означава, че използването на система за мониторинг може да се окаже ключово за гарантирането на висока производителност, малък период на престой и откриване на неизправности в PV централите през целия им жизнен цикъл.

От техническа гледна точка е интересно да се разбере как се извършва събирането на данни, започвайки от DC нивото. Тук предназначените за PV инсталации обединителни (стрингови) кутии имат вградени датчици, които измерват стойностите на постояннотоковото напрежение и мощността, като данните се предават през сериен RS485 порт (могат да се използват различни методи, както и безжични) за комуникация със SCADA чрез ModBus.

Някои RTU (отдалечени терминални устройства) се инсталират на местоположението, свързвайки го с множеството обединителни кутии на вече споменатите RS485 цикли.

На ниво AC инверторите разполагат с открити RS485 портове, позволяващи лесно свързване.

Комуникационните драйвери събират данни от контролните кутии и RTU с времеви печат за обработка, съхранение, сигнализация, отчитане и показване в реално време. Това е с цел непрекъснато получаване на данни за параметрите на DC и AC ниво, статуса и диагностиката.

Възможностите на SCADA се използват и за мониторинг на релейни защити, електромери, метеорологични станции/сензори, контролни табла ниско и високо напрежение, DC комутатори, трансформатори и всички други устройства, които могат пряко или косвено да засегнат производителността на централата.

Освен това, за да се направи PV приложението на SCADA възможно най-ефективно, устойчиво и скалируемо, е важно да се вземат под внимание и други аспекти на тези системи.

Те включват динамична конфигурация, самостоятелни конфигурации и конфигурации клиент-сървър, защита на данните, анализ на минали и текущи тенденции в реално време, както и усъвършенствано управление на сигнализацията.

Поддържането на протоколи като IEC 61850 и DNP3 се счита за предимство, ако например трябва да се осъществи връзка с различни устройства в електрическите подстанции.

Роботи в производството на вятърни турбини

Роботите оказват огромно влияние върху основните аспекти на производството на вятърни турбини. Времето, необходимо за боядисване, песъкоструйна обработка и шлайфане на лопатките, е драстично намалено от дни на часове, което увеличава производителността на компаниите.

Роботите могат да разпределят равномерно боята върху цялата повърхност на лопатката и да постигнат еднаквост благодарение на машинната прецизност. Ръчното нанасяне на боя не може да бъде направено с толкова голяма точност, колкото тази на роботите, което би могло да доведе до проблеми с баланса на лопатките.

Производството на ветрогенераторните кули би било изключително трудно и времеемко, ако компаниите трябва да разчитат само на човешката работна ръка. Роботите са изключително ефективни при заваряването на някои конструктивни елементи за турбинните кули, характеризиращи се с уникална геометрия.

Те намират приложение за заточване на ръбовете на зъбните предавки, за отрязване и шлайфане на лопатките, както и за прецизното пробиване на отвори в основата им. Роботите са необходими и за финишната обработка на повърхността на лопатките, които се отличават с големи размери и профилирани повърхности.

Използването на роботи и автоматизация в производството на вятърни турбини е задължително за осигуряване на постоянно ниво на качество. Производителите на ветрогенератори се стремят да ограничат честотата на възникване на неизправности в системите поради трудностите, свързани с ремонтирането или подмяната на части на характерните за тези съоръжения височини.

Мониторинг на състоянието на вятърните турбини

Времето на престой на вятърните турбини е особено скъпо през зимата поради две причини. Първо, от ноември до април е периодът, през който повечето такива инсталации по света генерират около две трети от годишното си количество електроенергия.

Вятърните паркове зависят от наличието на вятър, което от своя страна се определя от сезона. Второ, логистичните разходи за поддръжка през това време на годината са високи, което налага избягването на повреди в турбините през този период.

Мониторингът на състоянието, в някои случаи интегриран с програмируем логически контрол, може да спомогне за поддържане на експлоатационната готовност за генериране на енергия през този решаващ период.

Тъй като тези системи позволяват идентифицирането на евентуални механични повреди предварително и по време на работа, системата за мониторинг на състоянието (CMS) може да се използва, например за да се избегне възникването на неочаквана неизправност на лагер върху вала на зъбната предавка.

В случая подмяната на компонента изисква използването на кран, което е свързано с големи разходи, особено ако става въпрос за офшорни инсталации. Това налага и спиране на неизправната турбина за около 3 до 4 дни, но при внезапна повреда, причинена от износване, което не е открито навреме, то периодът на престой на турбината може да бъде 10 пъти по-дълъг, тъй като са необходими доставка на компонентите и организация на техническите екипи.

Внезапните повреди често са в резултат на по-големи ветрови натоварвания и съответно висока производителност. Ако възникналата по този начин неизправност е на компонент, чиито размери позволяват отстраняването й само на място, това създава допълнителни разходи.

CMS системата предоставя на екипа за технически оперативен мениджмънт непрекъснат поток от данни, основно базирани на мониторинг на вибрациите. За тази цел на критични места по задвижващата система на вятърната турбина се поставят вибрационни датчици.

Могат да бъдат измерени и други значими физични променливи като температура или консистенция на смазочните течности.

Промените във вибрациите на наблюдаваните компоненти осигуряват възможност за откриването на потенциални механични повреди, а сравнението с референтните измервания като тези, направени непосредствено след монтажа на инсталацията, позволява да се направят изводи за действителното състояние на зъбните предавки, генераторите, ролковите лагери, роторите и други елементи.

Основното предимство на CMS е постоянното автоматично наблюдение и оценка на тенденциите при сравними работни условия. Поради това те са по-добри от измерванията на вибрациите, извършвани в специфични точки, които не са съотнесени към определени експлоатационни условия и по този начин се характеризират със значително по-голяма степен на вариация, което ги прави неподходящи за сравнение.

Друго предимство на този вид мониторинг е, че той позволява поддръжка на базата на състоянието на компонентите. Вместо частите да се заменят след фиксирани интервали от време, определени въз основа на емпирични стойности, те могат да бъдат подменени само когато е необходимо, например при регистрирани признаци на износване.

Системата за мониторинг на състоянието също така подпомага оператора на съоръжението в управлението на интервалите между дейностите по поддръжка и в систематичното определяне на приоритетите.

Отчитайки сезонните условия, графиците за поддръжка, организирането на персонала и доставките на материали могат да се планират по разходно ефективен начин.

Основното предимство на интегрирано решение е обвързването на измерените от CMS стойности с другите работни параметри на вятърната турбина.

Това увеличава надеждността на мониторинга на състоянието по отношение на диагностиката. Тенденциите за възникване на неизправност могат да се сравнят с текущата оперативна ситуация и да се интерпретират с по-голяма точност.

Селективното управление на инсталацията дори позволява да се намалят механичните натоварвания. По този начин регулираните работни условия могат да удължат живота на частично повредените компоненти до следващата планирана дата за техническо обслужване.

Допълнителните налични данни позволяват на центъра за мониторинг да извършва по-точна диагностика. Операторът получава не само верифициран сигнал за неизправност, но и оценка на оперативната й значимост и препоръки за предприемане на конкретни действия.

Всички налични резерви могат да бъдат идентифицирани във връзка с техническото оперативно управление чрез комбиниране на информацията от автоматизираната система и настоящите условия на околната среда като скорост на вятъра или околна температура с оценка на натоварването върху съответните компоненти.

Това дава възможност на оператора да продължи да използва потенциала на вятърната турбина при гарантирана безопасност и оптимална производителност.

Вятърните турбини са сложни системи, които непрекъснато са изложени на променящи се експлоатационни условия. Ето защо е целесъобразно CMS да се адаптира към специфичните характеристики на типа турбина и да се параметризира спрямо тях.

Възможен е и дистанционен мониторинг чрез използването на съвременни комуникационни среди, който позволява компетентна и бърза поддръжка при необходимост.

Съществуват например центрове за мониторинг на състоянието, които са специализирани в интернет-базирано дистанционно обслужване.

Центърът за мониторинг обединява и анализира данните, идващи от управляваните от него централи.

В случай на повреда автоматично получените характерни стойности се изследват по-внимателно и се сравняват с други характерни стойности и тенденции, докато се създаде съответният модел на възникване на неизправностите.

На този етап вече е възможно на оператора на инсталацията да се дадат индикации за причината за повредата, което позволява селективното и ефективно използване на допълнителни техники за изследване например видео ендоскопска инспекция.