Tuulivoima-aurinkohybridi järjestelmän vikat ja ratkaisut

1. Yleiset vikat ja niiden syyt tuulivoimaloissa

Tuulivoimalat ovat avainkomponentteja tuuli-aurinkohybridi-järjestelmissä ja ne kokevat pääasiassa vikoja kolmessa alueessa: mekaanisessa rakenteessa, sähköjärjestelmässä ja ohjaustoiminnoissa. Siivun kuluminen ja murtuminen ovat yleisimpiä mekaanisia vikoja, jotka johtuvat usein pitkäaikaisesta tuulen vaikutuksesta, materiaalin väsyneisyydestä tai valmistusvirheistä. Kenttäseuranta tiedostaa, että siiven keski-ikä on noin 3–5 vuotta rannikkoseuduilla, mutta se voi lyhentyä 2–3 vuoteen pohjois-länsiosissa, jossa hiekkamyrkkyjen esiintyvyys on suuri. Lisäksi horisontaalitakaisuisten tuulivoimaloiden tapauksessa poikittainen vaihdekuluminen on erityisen huomattavaa, mikä johtuu pitkään kesteneeseen epäkeskiseen toimintaan ja epätasaiseen stressijakaumaan.

Sähköjärjestelmissä ulosmenon vaihepuute ja jänniteepävakaus ovat kaksi tyypillistä ongelmaa. Tuulivoimalat tuottavat kolmifaseista vaihtovirtaa, ja heikot yhteydet tai löysi kiinnitys voivat helposti johtaa epätasapainoiseen tai puuttuvaan fasiin. Teollisuuden tilastot osoittavat, että noin 25 % voimaloiden vikoista liittyy johtokappaleongelmiin. Toinen yleinen ongelma on jarrujärjestelmän virhe, jossa rotorin nopeus ei laske merkittävästi kolmifaseisen lyhytkatkaisun jälkeen, mikä saattaa johtua jarrun kulumisesta tai sähköisen ohjausvirheen aiheuttamasta epäonnistumisesta.

Ohjausvirheet ilmenevät pääasiassa virheellisenä sähköntarjonnan logiikkana. Perinteiset kiinteät kynnykstrategiat eivät sopeudu monimutkaisiin ja muuttuviin sääolosuhteisiin. Esimerkiksi varhaisina aamuisina, kun tuuli on lievä ja aurinkovalo lisääntyy, perinteinen ohjaus säilyttää voimalan tuotannon vain 30%–40% nominelistä tehoaan riittämättömän tuulen vuoksi, mikä tarkoittaa huomattavan määrän tuulivoiman hävikkiä. Tilastot osoittavat, että tuuli-aurinkohybridi-järjestelmien, jotka käyttävät perinteisiä ohjausstrategioita, keskimääräinen energiankäyttöaste on 15%–20% alhaisempi kuin älykkäissä järjestelmissä.

2. Yleiset vikat ja niiden syyt aurinkopaneeleissa

Hybridi-järjestelmien aurinkopaneelit kohtaavat myös erilaisia vika-ongelmia. Pinnan vahingot ja päätepistekytkentöjen vikat ovat kaikkein näkyvimpiä fyysisiä vikoja, jotka usein johtuvat ankarista sääolosuhteista, hiekkan vaikutuksesta tai väärästä asennuksesta. Korkean tuulen alueilla aurinkopaneelit kärsivät keskimäärin 5%–8% vuosittaisesta vahingon osuudesta, mikä edellyttää säännöllistä tarkastusta ja huoltoa.

Sähköisesti, kuumapisteet ja osittainen varjoitus ovat avaintekijöitä, jotka vaikuttavat fotovoltaisten paneelien tehokkuuteen. Kun osa paneelista on varjostettu, energia, joka tulee varjostamattomista alueista, virtaa käänteisesti varjostettuun alueeseen, mikä aiheuttaa paikallista ylikuumenemista ja kuumapisteiden muodostumista. Pidettyjen kuumapisteiden vaikutus voi vähentää paneelin tehokkuutta 15%–20% ja jopa aiheuttaa pysyvää vahinkoa. Lisäksi PID (Potential Induced Degradation) on merkittävä tekijä, joka vaikuttaa paneelin käyttöikään, erityisesti korkeasti kosteissa ympäristöissä, joissa tehokkuus voi pudota 5%–10% 1–2 vuoden aikana.

Suorituskyvyn heikkeneminen johtuu pääasiassa valon aiheuttamasta heikkenemisestä ja sulatusmateriaalin virheestä. Teollisuuden standardit vaativat, että laadukkaat PV-moduulit eivät saa heikentyä enempää kuin 0.3%–0.5% vuosittain 25 vuoden käyttöajan aikana. Kuitenkin käytännössä ympäristötekijät ja materiaalien ikääntyminen voivat aiheuttaa vuosittaisen heikkenemisasteen 0.8%–1.2%, mikä vaikuttaa merkittävästi koko järjestelmän tehokkuuteen.

3. Ohjaus- ja akkujärjestelmien vika-analyysi

Kontrolleri on tuuli-aurinkohybridi-järjestelmän "aivot", ja sen suorituskyky vaikuttaa suoraan järjestelmän vakautukseen. Pääongelma on perinteisten sähköntarjonnan strategioiden rajoituksissa, jotka perustuvat kiinteisiin kokemuspohjaisiin parametreihin ja yksinkertaisiin kynnysarvojen arvioihin, mikä tekee niistä kykenemättömiä sopeutumaan reaaliaikaisiin energiasvahaamiin. Monimutkaisissa sääolosuhteissa nämä kontrollerit eivät pysty mukauttamaan sähköntarjontaa nopeasti, mikä johtaa huonompaan sähköntarjonnan vakauden. Esimerkiksi nopeissa säämuutoksissa, kuten tuulen nopean muutoksen tai nopeasti liikkuvan pilven peittäessä, perinteiset kontrollerit voivat kestää useita minuutteja tai pidempään vastata, mikä ei täytä modernin teollistekniikan tiukkoja sähkölaatuvireille.

Akkujärjestelmien vikat voidaan pääasiassa luokitella allekulkemiseksi, vedenvirtoon ja kapasiteettikulumiseksi. Allekulkeminen tapahtuu, kun jännite laskee alle kontrollerin käynnistyskynnysarvon; pitkäaikainen allekulkeminen johtaa syvään purkamiseen, mikä lyhentää akun käyttöikää. Vedenvirto on usein johtunut väärästä asennuksesta tai huonosta tiivisteestä, mikä johtaa äärimmäisen mataliin, nollajännitteisiin tai vääriin jännitearvoihin, mikä aiheuttaa vakavaa akuvahinkoa. Tilastot osoittavat, että noin 15 % hybridi-järjestelmien vikoista liittyy akun vedenvirtoon.

Kapasiteettikulumine on luonnollinen ikääntyprosessi, mutta ympäristötekijät voivat huomattavasti kiihdyttää sitä. Plateaualueilla öisin vähenevät lämpötilat voivat vähentää aurinkopaneelien suorituskykyä 30%–40%, samalla vähentäen akun käytettävissä olevaa kapasiteettia, mikä tekee vaikeaksi vastata laturaviivaan heikossa valaistuksessa. Lisäksi korkean suolapitoisuuden ympäristöt aiheuttavat merkittävää akun korroosia; rannikkoalueilla hybridijärjestelmien akun käyttöikä on yleensä 30%–50% lyhyempi kuin maaperällä.