Uszkodzenia turbin wiatrowych i bezinwazyjne metody ich wczesnego wykrywania

Koszty operacyjne i serwisowe turbiny wiatrowej stanowią istotną część całkowitych kosztów generacji energii elektrycznej w energetyce wiatrowej. Średnio, dla całego okresu eksploatacji turbiny, można je oszacować na 20 do 25% całkowitych kosztów utrzymania turbiny, przy czym dla turbin nowych są one mniejsze – wynoszą 10 do 15% i wzrastają wraz ze zużywaniem się turbiny do ok. 20 do 35% w końcowej fazie jej eksploatacji [6].

Całkowity koszt wytworzenia energii wiatrowej po uwzględnieniu kosztów serwisu oraz okresów przestoju wynosi ok. 26 gr/kWh w elektrowniach typu on-shore i 34 gr/kWh w elektrowniach typu off-shore, co w porównaniu z kosztami generacji rzędu 12 do 16 gr/kWh w elektrowniach węglowych i 10 do 15 gr/kWh w elektrowniach gazowych [12] pokazuje celowość wprowadzenia nowych technik diagnostycznych umożliwiających zmniejszenie kosztów operacyjnych i serwisowych. Powinno też mieć pozytywny wpływ na kształtowanie się cen energii elektrycznej pochodzącej z generacji wiatrowej.

przyczyny i skutki uszkodzeń elektrowni wiatrowych

Wśród uszkodzeń najczęściej spotykanych w elektrowniach wiatrowych można wyróżnić:

• uszkodzenia generatora i elementów wirujących wspólnie z generatorem,
• uszkodzenia łopat turbin wiatrowych,
• uszkodzenia masztu elektrowni wiatrowej,
• inne uszkodzenia mogące prowadzić do wyłączenia elektrowni z eksploatacji i generujące koszty napraw.

Praktyka pokazuje, że najbardziej istotne i często zbyt późno zaobserwowane są uszkodzenia elementów wirujących oraz łopat turbin wiatrowych. W tabeli 1. przedstawiono elementy gondoli turbiny wiatrowej najczęściej ulegające uszkodzeniom [9]. Przyczynami uszkodzeń elementów wirujących jest zazwyczaj długotrwałe poddanie ich obciążeniu, zmęczenie materiału i nieprawidłowości w wykonaniu. W przypadku łopat dodatkowymi czynnikami mogącymi powodować uszkodzenia są zderzenia z obiektami oraz wyładowania atmosferyczne.

Mimo rosnącego postępu technologicznego i mniejszego prawdopodobieństwa wystąpienia pojedynczej awarii, łączna liczba awarii rośnie wraz ze wzrostem zainstalowanych turbin wiatrowych. Liczbę udokumentowanych uszkodzeń w światowej energetyce wiatrowej – z wyróżnieniem przypadków, w których poszkodowani zostali ludzie – przedstawiono w tabeli 2. W tabeli 3. przedstawiono z kolei przyczyny uszkodzeń turbin wiatrowych w poszczególnych okresach, podobnie jak w tabeli 2. odnotowywano tylko awarie, które doprowadziły do całkowitego lub czasowego wyłączenia elektrowni z eksploatacji.

Najczęstszym powodem uszkodzeń – wśród przyczyn, które udało się jednoznacznie określić – było oderwanie się fragmentów lub całych łopat od wirnika siłowni wiatrowej. Istnieją udokumentowane przypadki, że takie elementy przemieszczały się w powietrzu na odległość kilkuset metrów, a nawet 1300 m od siłowni, przebijając dachy i ściany pobliskich budynków [16]. Pożar, który uznano za przyczynę 159 awarii, może być szczególnie niebezpieczny w przypadku siłowni wiatrowej ze względu na dużą wysokość wieży, utrudniającą efektywne gaszenie, jak często również długi (uwarunkowany położeniem obiektu) czas potrzebny na dojazd jednostek straży pożarnej.

Awarie sklasyfikowane jako uszkodzenia materiałowe powstały głównie w wyniku uderzenia piorunów w element siłowni, wyładowań atmosferycznych, ale także poprzez zaniedbania w konserwacji i niedostateczny nadzór. Rozwojowi tego typu uszkodzeń można odpowiednio wcześnie zapobiegać, stosując monitoring również za pomocą metod bezinwazyjnych.

Oblodzenie jako przyczynę awarii stwierdzono w 31 przypadkach, biorąc jednak pod uwagę poświęcone temu badania [4], przypadki takie są znacznie częstsze, w samych Niemczech w latach 1990–2003 stwierdzono 880 przypadków oblodzeń. Skutki oblodzeń w ujęciu statystycznym przedstawiono w tabeli 4.

Literatura

[1] Anastassopoulos A. et al., Structural integrity evaluation of wind turbine blades using pattern recognition analyses on acoustic emission data, EWGAE 2002, Vol. 1, pp. 21-28, Praha 11-13.09.2002
[2] Bridge, B., Climbing robots for non destructive testing: historical perspective and future trends, Advances in Climbing and Walking Robots: Proceedings of 10th International Conference CLAWAR, pp. 25-32, World Scientific Publishing Co Ltd, Singapore 2007
[3] Drewry M., Georgiou G., A review of Non Destructive Testing Techniques for Wind Turbines, Annual British Conference on NDT, 09/2006
[4] Durstwitz M., A Statistical Evaluation of Icing Failures in Germanys “250 MW Wind”-Programme (Update 2003), BOREAS VI,  Pyhätunturi 9-11.04.2003
[5] Durstwitz M., Ensslin C., Hoppe-Klipper M., Rohrig K., External Condition for Wind Turbine Operation - Results from Germany “250 MW Wind”-Programme, European Union Wind Energy Conference, Goeteborg 20-24.05.1996
[6] European Wind Energy Association, Wind Energy – The Facts, Earthscan 2009, ISBN 9781844077106
[7] Jones N., Yu-Hua L., A Review of Condition Monitoring and Fault Diagnosis for Diesel Engines, Tribotest 03/2000, Vol. 6, Issue 3, pp. 267–291
[8] Jüngert A. et al., Zerstörungsfreie robotergestützte Untersuchung der Rotorblätter von Windenergieanlagen mit Ultraschall und Thermographie, ZfP-Zeitung 115, 06/2009, ss. 43-49
[9] McMillan D., Ault G., Quantification of Condition Monitoring Benefit for Offshore Wind Turbines, Wind Engineering, Vol. 31, No. 4, 2007
[10] Mehala N., Dahiya R., Motor Current Signature Analysis and its Applications in Induction Motor Fault Diagnosis, International Journal of Systems Applications, Engineering & Development, Vol. 2, Issue 1, 2007
[11] Sattar T., Rodriguez R., Bridge B., Climbing Ring Robot for Inspection of Offshore Wind Turbines, Industrial Robot: An International Journal, Vol. 36, Issue 4, pp. 326-330, 2009
[12] The Royal Academy of Engineering, The Cost of Generating Electricity, London 2010, www.raeng.org.uk
[13] Wallace J., Dawson M., O&M for Wind Turbine Blades, Renewable Energy Focus, 06/2009
[14] Żółtowski B., Badania dynamiki maszyn, Markar – B.Ż. 2002, ISBN 83-916198-3-4
[15] Summary of Wind Turbine Accident, data to 30.06.2011, www.caithnesswindfarm.co.uk/accidens.pdf
[16] Wind Turbine Accident Compilation, data to 30.06.2011, www.caithnesswindfarm.co.uk/fullaccident.pdf