» Zwiększenie sprawności istniejących turbin wiatrowych w oparciu o symulację w ANSYS

Zwiększenie sprawności istniejących turbin wiatrowych w oparciu o symulację w ANSYS

18 lutego 2021 r. weszła w życie przełomowa dla polskiego rynku odnawialnych źródeł energii (OZE) ustawa o promowaniu wytwarzania energii elektrycznej w morskich farmach wiatrowych. Już dziś pod względem energetyki wiatrowej Polska jest szóstym rynkiem w Europie. Do 2023 r. powstanie dodatkowo 3,5 GW dzięki aukcjom energii z lat 2018–2020. W dalszej perspektywie, do 2040 r., w polskiej wyłącznej strefie ekonomicznej Morza Bałtyckiego w sektorze offshore wind powstanie kolejne 11 GW.

Wyraźnie widoczna jest wzrostowa tendencja branży OZE i coraz większa rola energetyki wiatrowej w krajowym miksie energetycznym. Realny jest także jej wpływ na codzienne życie każdego z nas. Elektrownie wiatrowe mogą już bowiem pokryć zapotrzebowanie na energii ok. 6,7 mln gospodarstw domowych w Polsce. Tylko w 2020 r. do polskiej sieci przyłączono 731 MW nowych mocy z farm wiatrowych na lądzie. Znalazło to także odzwierciedlenie w opublikowanej niedawno przez Ministerstwo Klimatu i Środowiska „Polityce energetycznej Polski do 2040 r.”. Szósty Projekt Strategiczny to wdrożenie morskiej energetyki wiatrowej.

Pole do unowocześnień i innowacji jest rozległe. Sektor napędzany turbinami wiatrowymi to bowiem nie tylko świetlane perspektywy rozwoju. Sceptycy bardzo często podnoszą kwestie związane z recyklingiem łopat, oddziaływaniem na środowisko (zwłaszcza na awifaunę i chiropterofaunę), zagospodarowaniem przestrzennym, krajobrazem, emisją hałasu i efektem stroboskopowym oraz niestabilnością dostaw. Jednocześnie energia wiatrowa jest powszechnie uznawana za najbardziej niskoemisyjne źródło energii odnawialnej (w całym cyklu życia instalacji).

Wyzwania, na które mogą odpowiadać zaawansowane modelowanie inżynieryjne i IoT, nie zawsze – jak się okazuje – mają podłoże czysto techniczne. Spoglądając na polską energetykę wiatrową (na lądzie), szybko się przekonamy, że inżynierowie i operatorzy farm muszą brać pod uwagę przede wszystkim złożone kwestie regulacyjne. Zdaniem wielu specjalistów potencjał branży ogranicza (zbyt) konserwatywne założenie przyjęte w kontrowersyjnej zasadzie „10H”.

Przypomnijmy tylko, że zasada „10H” w dużym uproszczeniu nakazuje lokalizowanie turbin w odległości od zabudowań lub obszarów chronionych nie mniejszej niż 10-krotność ich całkowitej wysokości (wysokości wieży wiatrowej + długości łopaty). Przedstawiciele branży wskazują, że tzw. ustawa odległościowa w całej Polsce zatrzymała na różnych etapach projekty o mocy 4,1 GW, w tym 3,4 GW z podpisanymi umowami przyłączeniowymi. Jakkolwiek wiele się mówi o prawdopodobnej liberalizacji zasady „10H”, a zwłaszcza odstępstwach od jej stosowania w gminach, w których zostaną wprowadzone odpowiednie zapisy w miejscowych planach zagospodarowania przestrzennego, to jednak nie zmienia to innego problemu.

Mianowicie wiek większości instalacji funkcjonujących na polskim rynku oscyluje pomiędzy 5 a 10 latami. Turbiny te są często nadmiernie eksploatowane, a jednocześnie brak jest perspektyw na ich repowering (czyli np. instalowanie turbin nowocześniejszych, wydajniejszych, wyższych). Stoją za tym oczywiście wymienione ograniczenia regulacyjne, ale także utrudniony dostęp do środków kapitałowych i dotacji w porównaniu choćby z obecnie obserwowanym boomem na rozproszoną energetykę fotowoltaiczną.

Przychodzi tu w sukurs zasada: Nie możesz liczyć na nowe? Maksymalnie zoptymalizuj i wykorzystaj zasoby, które masz! Notabene zgodna z zasadą gospodarki o obiegu zamkniętym, która ma tu szczególne zastosowanie w obliczu trudności z recyklingiem łopat wirników.

Rozwiązanie łódzkiego start-upu technologicznego WindTak interesująco zagospodarowało wyzwania i możliwości rozwojowe, które obecnie towarzyszą krajowej energetyce wiatrowej na lądzie, z pomocą oprogramowania ANSYS. Zaprojektowano specjalne dodatki – elementy aerodynamiczne do bezpośredniego montażu na łopatach wirników oraz unikatowy system czujników monitorujących ich pracę.

Profil łopaty: a) z widoczną strefą oderwania oraz b) po zastosowaniu turbulizatora przepływu poprawiającego właściwości aerodynamiczne

Z jednej strony pozwalają one poprawić uzysk energetyczny dzięki elementom stworzonym z użyciem zaawansowanych metod projektowania typu smart (tzw. vortex generators). Taki dodatek może poprawić efektywność energetyczną urządzenia na poziomie od 1 do 3%. Przekłada się to na zyski rzędu nawet dziesiątek tysięcy złotych w roku obliczeniowym dla indywidualnej turbiny. Z drugiej zaś strony zastosowanie innowacyjnych czujników – opartych na koncepcji generowania i agregacji wielowymiarowych danych dotyczących różnorodnych parametrów pracy urządzenia w formule Internet of Things (IoT) – umożliwia bardzo pożądane (z uwagi na konieczność zapewnienia maksymalnej i możliwie bezawaryjnej pracy urządzenia) zaawansowane monitorowanie całej instalacji.

Czujniki te umieszcza się w specjalnie zaprojektowanych miejscach, wzdłuż łopat oraz w gondoli turbiny, a zdalny system komputerowej agregacji danych gromadzi, oblicza i modeluje je w czasie rzeczywistym. Całość funkcjonuje w ultrawydajnym standardzie sieci telekomunikacyjnej 5G/NB-IoT, zwłaszcza w jej części broadband, tzw. LTE-Cat M1.

System ten – znajdujący się cały czas w fazie rozwojowej – już teraz wprowadza nowe, przełomowe standardy w dziedzinie monitoringu i możliwości przewidywania awarii oraz konserwacji predykcyjnej wirujących części maszyn w czasie rzeczywistym. To zwiększa przychód operacyjny z tytułu sprzedaży nadwyżki energii, ale także obniża koszty operacyjne i utrzymania (O&M). Zastosowanie tej technologii zdecydowanie ułatwia wykrywanie wad, identyfikację potencjalnych zagrożeń, pęknięć i ponadnormatywnych wibracji. W sposób oczywisty wpływa to na przeciwdziałanie awariom, ułatwia planowanie napraw i zakup części eksploatacyjnych, a także planowanie prac ekip serwisowych i dbanie o ich bezpieczeństwo.

Zaawansowane oprogramowanie ANSYS firmy MESCO okazało się kluczowe w procesie projektowania najważniejszych cech aeromechanicznych generatora vortex w zakresie obrazowania skomplikowanych przepływów w warstwie przyściennej łopaty turbiny wiatrowej.

Równie istotne okazało się wyznaczenie optymalnego położenia na profilu aerodynamicznym (przekroju łopaty turbiny), aby zoptymalizować wartości siły nośnej. W ten sposób start-up, który ze swej natury ma ograniczone środki, może zmniejszać nakłady na rozwój strategicznego produktu firmy z użyciem nowoczesnych narzędzi CAD/CAE zawartych w oprogramowaniu ANSYS.

W całym zaś zidentyfikowanym łańcuchu dostaw polskich farm wiatrowych wzmacnia to zwłaszcza tzw. local content, czyli udział polskich firm w tworzeniu wartości dodanej na rzecz krajowych morskich, ale i lądowych farm wiatrowych. Rozwiązanie to ma oczywisty potencjał globalny, lecz już dziś da się zaadaptować do nie najłatwiejszych realiów polskiego rynku ery transformacji energetycznej.

Autorzy:

Adam Szymański, WindTak

Piotr Wiklak, WindTak

Maciej Karczewski, WindTak

Literatura:

[1] www.windtak.pl

[2] „Polityka energetyczna Polski do 2040”, www.gov.pl

[3] http://psew.pl/

[4] https://www.ure.gov.pl/pl