1. Introduksjon
På bakgrunn av et globalt fokus på å utvikle en lav-karbonøkonomi og Kinas foreslåtte «dobbelt-karbonmål», har vindenergi, som en ren og bærekraftig fornybar energikilde, blitt et samlingspunkt for myndigheter og energigiganter over hele verden. Med kontinuerlig bygging av vindparker på land, stadig mer moden teknologi og synkende kostnader, har vindkraft på land utviklet seg raskt, med global nyinstallert vindkraftkapasitet på land som nådde 61,8 GW i 2019 alene. Begrenset av land som kan utnyttes på land og vindenergiressurser, har offshore vindkraft etter hvert blitt en utviklingstrend. Spesielt Kinas sørøstlige kystområder er økonomisk utviklet, har et vel-etablert kraftnett og rikelig med offshore vindenergiressurser, noe som gjør dem svært egnet for stor-utbygging og nettforbindelse av offshore vindkraft.
2. Nåværende status for offshore vindkraftindustrien
I 2020 passerte den globale nytilkoblede vindkraftkapasiteten til havs 6 GW, omtrent det samme som i 2019. Ti år tidligere, i 2010, var den globale nyinstallerte vindkraftkapasiteten til havs under 1 GW. Samtidig har også andelen offshore vindkraft i den globale nyinstallerte vindkraftkapasiteten økt fra 2,5 % i 2010 til dagens 7 %.
2.1 Nåværende status og trender for den oversjøiske offshore vindkraftindustrien
Når det gjelder rangeringen av land etter nyinstallert kapasitet, var de fem beste offshore vindkraftmarkedene globalt i 2020 Kina, Nederland, Belgia, Storbritannia og Tyskland. Bransjeeksperter spår at det globale offshore vindkraftmarkedet vil oppleve en gjennomsnittlig årlig vekstrate på over 30 % mellom 2020 og 2025. Denne vurderingen er basert på følgende årsaker:
01
Den raske nedgangen i offshore vindkraftkostnader skyldes den økende størrelsen på offshore vindturbiner (se figur 2-1), som kan spare betydelig på forhåndsinvesteringer og påfølgende drifts- og vedlikeholdskostnader.
Figur 2-1 Globale utviklingstrender for offshore vindturbiner
Datakilde: GWEC Market Data Platform, august 2020
02
Med regjeringer over hele verden som hever sine mål for offshore vindkraftutvikling, forventes de asiatiske markedene i Kina, Vietnam, Japan og Sør-Korea å se rask vekst. I det europeiske markedet vil i tillegg til at vesteuropeiske land fortsetter å utvikle vindkraft til havs, også østeuropeiske land begynne bygging av vindkraftanlegg til havs. Videre vil den første store-vindparken til havs i USA kobles til nettet i 2023.
03
Industrialiseringen av flytende vindkraft (se figur 2-2) vil ha et bredere bruksområde fordi den flytende fundamentstrukturen er egnet for dyphavsområder med vanndybde på 50 til 200 meter. I følge World Energy Report vil den globale installerte kapasiteten til flytende vindkraft nå 8 til 10 GW innen 2030.
Figur 2-2 Skjematisk diagram av en flytende havvindpark
2.2 Nåværende status for Kinas offshore vindkraftindustri
Kinas offshore vindkraftindustri startet relativt sent, men utviklingen de siste årene har vært ekstremt rask. Siden 2018 har Kinas nyinstallerte offshore vindkraftkapasitet konsekvent ledet andre land. Spesielt i 2020 oversteg Kinas nylig tilkoblede nettkapasitet 3GW for første gang. Basert på kumulativ installert kapasitet overgikk Kina Tyskland og ble verdens nest-største offshore vindkraftmarked innen utgangen av 2020. Ifølge estimater basert på vekstratene for offshore vindkraft i forskjellige land, erstattet Kina Storbritannia som verdens største offshore vindkraftmarked i 2021.
2.2.1 Omfanget av installert kapasitet og nettilknytning fortsetter å vokse.
Shanghai Donghai Bridge Offshore Wind Power Project, Kinas første store-skala offshore vindkraftprosjekt, som startet i 2006 og startet byggingen i 2008, installerte vellykket 34 innenlandsk produserte 3MW offshore vindturbinenheter, med en total installert kapasitet på 102MW, og åpnet dermed opptakten til utviklingen av offshore vindkraft i Kina.
I 2016 ga National Energy Administration ut den 13.-Femårsplanen for vindkraftutvikling og introduserte en rekke viktige gunstige retningslinjer for å oppmuntre til utvikling av vindkraft til havs, noe som også betyr at utviklingen av vindkraft til havs i Kina har gått fra «prosjektdemonstrasjon» til det raske sporet av «rask utvikling».
I 2020 gikk offshore vindkraftprosjekter inn i en kritisk periode med rushinstallasjon. Ifølge statistikken var 30 prosjekter under bygging samtidig i første halvår, med en installert effekt på 12.972.800 kilowatt, inkludert 11 nystartede prosjekter og 3 prosjekter som var fullt koblet til nettet.
2.2.2 Enhetskapasiteten til vindturbiner har økt år for år.
I følge data fra slutten av 2019, når det gjelder kapasitet på én enhet, har 4MW enheter den største kumulative installerte kapasiteten, mens 5MW har blitt hovedmodellen for havvindkraftprosjekter (se figur 2-3).
12. juli 2020 ble Kinas første 10MW vindturbin koblet til nettet og generert elektrisitet ved Xinghua Bay offshore vindmøllepark i Fujian-provinsen, og satte ny rekord for kapasiteten til en enkelt offshore vindturbin i Kina. Fra vindmølleprodusentenes utviklingsplaner har 8MW blitt et nytt utgangspunkt, og store-offshore vindturbiner på 10MW og over har blitt oppført som sentrale utviklingsmodeller.
Figur 2-3 Andel offshore vindturbinkapasitet i Kina ved utgangen av 2019
2.2.3 Offshore vindkraftkonstruksjon skifter gradvis fra nærliggende grunt vann til dype-hav og dype-vannområder.
Ved utgangen av 2019 nådde den totale godkjente offshore vindkraftkapasiteten i Kina 35 millioner kilowatt. Blant dem hadde Jiangsu og Guangdong godkjente kapasiteter over 10 millioner kilowatt, mens Fujian og Zhejiang hadde godkjente kapasiteter over 3 millioner kilowatt. De tilgjengelige-nære ressursene for fremtidig utvikling er begrenset, mens Kina har et enormt område med utnyttbare dyp-dypvann, som forventes å bli fokus for offshore vindkraftutvikling i fremtiden.
3. Maskinvarekrav for industrielle Ethernet-svitsjer i vindparker til havs
Offshore vindturbiner og offshore transformatorstasjoner bygges titalls kilometer unna land, i ekstremt tøffe miljøer. Dette stiller svært høye krav til utstyr, spesielt kjernekommunikasjonsutstyr, først og fremst til pålitelighet, motstand mot saltsprut, høye og lave temperaturer og elektromagnetiske forstyrrelser. Videre er vedlikehold av offshoreutstyr begrenset av vær, maritime regler og utplassering av fartøy, noe som gjør både nød- og rutinevedlikehold eksepsjonelt vanskelig, med svært uforutsigbar timing. Dette stiller ekstremt høye krav til stabil og pålitelig drift av Ethernet-svitsjer.
3.1 Krav til pålitelighet
Flere nøkkelindikatorer for utstyrets pålitelighet:
1) Mean Time To Failure (MTTF)
2) Gjennomsnittlig tid mellom feil (MTBF)
3) Gjennomsnittlig tid til reparasjon (MTTR)
3.1.1 MTBF-indikator
En av de viktigste ytelsesindikatorene for industrielle Ethernet-svitsjer er Mean Time Between Failures (MTBF). De mest aksepterte og autoritative standardene er MIL-HDBK-217, GJB/Z299B og Bellcore. De fleste utenlandske merker av industrielle brytere bruker den amerikanske MIL-HDBK 217F som referansestandard og bruker HALT (High-Accelerated Life Test) og HASS (High-Accelerated Stress Screening)-tester under FoU- og produksjonstesting for å verifisere om produktets MTBF oppfyller designkravene. MTBF for de fleste industrielle Ethernet-svitsjer er over 20 år, og noen overstiger til og med 50 år.
HALT (Highly Accelerated Life Testing) brukes hovedsakelig i designfasen for produktforskning og utvikling. Den er effektiv til å avdekke potensielle defekter i produkter og er en viktig testmetode for designingeniører for å forbedre produktets pålitelighet.
HASS (Highly Accelerated Stress Screening) er en høy-akselerert stressscreeningsprosess som utføres på produksjonslinjen etter at produktene har bestått HALT-testen for å fastslå deres operasjonelle eller destruktive grenser. 100 % av produktene kreves for å delta i screeningen. Dens formål er å sikre at de produserte produktene er fri for skjulte feil, eller i det minste å identifisere og løse disse feilene før produktene forlater fabrikken. HASS bruker akselerert stress for å finne defekte produkter på kort tid, forkorte syklusen for korrigerende handlinger og identifisere produkter med de samme problemene.
3.1.2 MTTR-indikator
De typiske kravene for offshore vindparker er: Gjennomsnittlig tid til reparasjon (MTTR) levert av produsenten, som vanligvis er 0,5 til 1 time når ledelsens støttetid og leveringstid ikke er tatt i betraktning; og tiden for diagnostisering (eller inspeksjon) og oppdatering av defekte plugger bør være mindre enn 30 minutter.
Hvis en industriell bryter opplever en maskinvarefeil, og hvis ledelsesstøttetid og leveringstid ikke vurderes, og kun en enkel utskifting er nødvendig, kan industrisvitsjproduktet i de fleste tilfeller byttes ut innen 1 time, og oppfyller kundens MTTR-krav.
3.2 Krav til korrosjonsbestandighet
Et sentralt kjennetegn ved det marine driftsmiljøet er det høye saltspraynivået. Industrielle Ethernet-svitsjprodukter må gi kretskortbeskyttende beleggdesign for å oppnå G3-beskyttelsesnivå og fullt ut overholde kravene i ISA-S71.04-1985 (klassifisering G3- Hash Group A) og EN60068-2-60 Metode 4-standarder for å kunne fungere stabilt og pålitelig i lang tid i det tøffe marine miljøet.
Tidlige havvindparker opplevde et stort antall bryterfeil. Ved åpning av bryterhusene ble det funnet synlige brennmerker på kretskortene. En grunn til dette var at disse bryterne manglet et beskyttende belegg.
3.3 Krav til høye og lave temperaturer
Fordi ulike havvindparker ligger på forskjellige breddegrader, varierer klimaforholdene mye. For eksempel, om vinteren kan den laveste temperaturen ved Zhuanghe havvindpark i Dalian nå -15 grader Celsius, mens om sommeren kan den høyeste temperaturen ved Xuwen havvindpark i Zhanjiang nå 38 grader Celsius. Temperaturen inne i vindturbintårnene kan være enda høyere enn utetemperaturen. Derfor stilles det svært høye krav til normal driftstemperatur for industrielle brytere.
Selv om de fleste produsenter av industrielle brytere på markedet oppgir driftstemperaturene til bryterne som -40 grader til +70 grader, eller til og med -40 grader til +85 grader , er disse tallene utledet fra kortsiktige-laboratorietester. For eksempel spesifiserer testkravene til en anerkjent innenlandsk testinstitusjon at i miljøer med høye-temperaturer, bør bryteren, mens den er på, plasseres i midten av et miljøtestkammer, og temperaturen bør heves til 70 grader og opprettholdes i 2 timer. Enheten skal fungere normalt ved +70 grad , og lagrings- og videresendingsfrekvensen skal nå 100 %. Hvis dette kravet er oppfylt, anses bryteren som 合格 (kvalifisert/akseptabel).
De tekniske kravene for samme lav-temperaturmiljø er som følger: Bryteren, mens den er slått på, plasseres i midten av et miljøtestkammer, og temperaturen senkes til -40 grader og holdes deretter på den temperaturen i 2 timer. Enheten skal fungere normalt ved -40 grader, med en lagringshastighet på 100 %; den skal også kunne starte normalt ved -40 grader. Hvis disse kravene er oppfylt, anses det som 合格 (kvalifisert/akseptabelt). Derfor verifiserer testen bare om den kan fungere stabilt i 2 timer under denne ekstreme temperaturen.
Mens industrielle brytere i offshore vindparker ikke trenger å tåle slike ekstreme temperaturer, må de operere kontinuerlig i lengre perioder i tøffe temperaturmiljøer, og kan til og med være utsatt for ytterligere negative effekter fra andre ytre miljøer. Bare industrielle brytere som har bestått tidens tann kan sies å møte høy- og lavtemperaturkravene til havvindparker.
(Fortsettelse)