Systemy hybrydowe wiatrowo-słoneczne - Usterki i rozwiązania

1. Typowe usterki i przyczyny w turbinach wiatrowych

Jako kluczowy komponent systemów hybrydowych wiatrowo-słonecznych, turbiny wiatrowe doświadczają primarily usterki w trzech obszarach: strukturze mechanicznej, systemach elektrycznych i funkcjach sterowania. Najczęstsze usterki mechaniczne to zużycie i pęknięcie łopat, które są zazwyczaj spowodowane długotrwałym oddziaływaniem wiatru, zmęczeniem materiału lub wadami produkcji. Dane monitoringu terenowego pokazują, że średni czas życia łopat wynosi 3-5 lat w regionach nadmorskich, ale może skrócić się do 2-3 lat w regionach północno-zachodnich, gdzie często występują burze piaskowe. Ponadto, zużycie ekscentryczne łożysk jest szczególnie widoczne w turbinach o poziomej osi, głównie ze względu na długotrwałą pracę poza środkiem i nierównomierne rozłożenie obciążeń.

W systemach elektrycznych, utrata fazy wyjściowej i niestabilność napięcia to dwa typowe problemy. Turbiny wiatrowe generują prąd trójfazowy, a słabe połączenia lub luźne przewody mogą łatwo prowadzić do niezbalansowanych lub brakujących faz. Statystyki branżowe wskazują, że około 25% awarii turbin jest związane z problemami przewodów. Inny powszechny problem to usterka systemu hamulcowego, kiedy prędkość wirnika nie spada znacząco po trójfazowym zwarciu, co może być spowodowane zużyciem hamulca lub awarią sterowania elektrycznego.

Usterki sterownika manifestują się głównie jako wadliwa logika dystrybucji mocy. Tradycyjne strategie oparte na stałych progach nie potrafią dostosować się do złożonych i zmieniających się warunków pogodowych. Na przykład, wczesnym rankiem, gdy wiatr jest słaby, a nasłonecznienie rośnie, tradycyjne sterowanie utrzymuje wydajność turbiny tylko na 30%-40% mocy nominalnej ze względu na niewystarczającą prędkość wiatru, co prowadzi do znacznych strat energii wiatrowej. Statystyki pokazują, że systemy hybrydowe wiatrowo-słoneczne używające tradycyjnych strategii sterowania mają średnio 15%-20% niższą wykorzystaną moc niż inteligentne systemy.

2. Typowe usterki i przyczyny w panelach słonecznych

Panele słoneczne w systemach hybrydowych również podlegają różnym ryzykom uszkodzeń. Uszkodzenia powierzchniowe i awarie konektorów terminalnych to najbardziej widoczne usterki fizyczne, często spowodowane surowymi warunkami atmosferycznymi, uderzeniami piasku lub nieprawidłową instalacją. W rejonach o wysokich wiatrach panele słoneczne doświadczają średnio rocznego wskaźnika uszkodzeń wynoszącego 5%-8%, co wymaga regularnej inspekcji i konserwacji.

Elektrycznie, efekt gorącego punktu i częściowe zacienienie to kluczowe czynniki wpływające na efektywność fotowoltaiczną. Gdy część panelu jest zacieniona, energia z nieszacowanych obszarów płynie odwrotnie do zacienionego obszaru, powodując lokalne przegrzewanie i tworzenie gorących punktów. Długotrwałe efekty gorącego punktu mogą obniżyć efektywność panela o 15%-20% i nawet spowodować stałe uszkodzenia. Ponadto, PID (Degradacja Wywołana Potencjałem) jest istotnym czynnikiem wpływającym na długość życia paneli, zwłaszcza w środowiskach o wysokiej wilgotności, gdzie efektywność może spadać o 5%-10% w ciągu 1-2 lat.

Degradacja wydajności jest głównie wynikiem degradacji wywołanej światłem i awarią materiałów okładzinowych. Standardy branżowe wymagają, aby wysokiej jakości moduły PV miały roczny wskaźnik degradacji poniżej 0,3%-0,5% w ciągu 25-letniego okresu użytkowania. Jednak w praktyce, czynniki środowiskowe i starzenie się materiałów mogą prowadzić do rocznych wskaźników degradacji wynoszących 0,8%-1,2%, znacznie wpływając na ogólną efektywność systemu.

3. Analiza usterki sterowników i systemów baterii

Jako "mózg" systemu hybrydowego wiatrowo-słonecznego, wydajność sterownika bezpośrednio wpływa na stabilność systemu. Główny problem polega na ograniczeniach tradycyjnych strategii dystrybucji mocy, które opierają się na stałych parametrach empirycznych i prostych progach decyzyjnych, przez co nie są w stanie dostosować się do rzeczywistych fluktuacji energii. W złożonych warunkach pogodowych te sterowniki nie są w stanie szybko dostosować przydziału mocy, co prowadzi do pogorszenia stabilności mocy. Na przykład, podczas nagłych zmian pogody, takich jak szybkie zmiany kierunku wiatru lub szybko poruszające się chmury, tradycyjne sterowniki mogą potrzebować kilku minut lub dłużej na odpowiedź, co nie spełnia surowych wymogów jakości mocy nowoczesnego sprzętu przemysłowego.

Usterki systemu baterii dzielą się głównie na niedoladowanie, nawodnienie i degradację pojemności. Niedoladowanie występuje, gdy napięcie spada poniżej progu startu sterownika; długotrwałe niedoladowanie prowadzi do głębokiego rozładowania, skracając żywotność baterii. Nawodnienie jest często wynikiem nieprawidłowej instalacji lub słabego szczelienia, co prowadzi do ekstremalnie niskich, zerowych lub fałszywych odczytów napięcia, powodując poważne uszkodzenia baterii. Statystyki pokazują, że około 15% awarii systemów hybrydowych jest związane z nawodnieniem baterii.

Degradacja pojemności jest naturalnym procesem starzenia, ale czynniki środowiskowe mogą znacznie go przyspieszyć. W regionach płaskowyżowych, niskie nockie temperatury mogą obniżyć wydajność paneli słonecznych o 30%-40%, jednocześnie zmniejszając użyteczną pojemność baterii, co utrudnia spełnienie wymagań obciążenia w warunkach słabej świetlności. Ponadto, środowiska o wysokiej zawartości soli znacznie korodują baterie; w regionach nadmorskich, żywotność baterii w systemach hybrydowych jest zwykle 30%-50% krótsza niż w regionach lądowych.