Pobieranie energii z wiatru zachęca przemysł do ulepszania konstrukcji przekładni, które byłyby w stanie radzić sobie z niezwykle dynamicznymi warunkami stwarzanymi przez ten rodzaj wytwarzania energii. Wydajność turbin ma niezwykle istotne znaczenie, ponieważ odgrywa kluczową rolę w generowaniu energii, lecz niezawodność i skuteczna konserwacja są również niezwykle istotne dla osiągnięcia sukcesu.
Energia wiatrowa jest technologią niezwykle interesującą, która może być oszczędna, jednak wyzwaniem jest ulepszanie niezawodności turbin wiatrowych – twierdzi Douglas Lucas, kierownik inżynierii stosowanej, energii wiatrowej w The Timken Co. Dynamika wiatru, ugięcia systemu turbiny oraz siły bezwładności w komponentach systemu napędowego prowadzą do wytwarzania złożonych cech dynamicznych, zwłaszcza w przekładni i całym systemie napędowym w ujęciu ogólnym.
Łożyska w rozwiązaniach przemysłowych są na ogół przeznaczone do przetrwania około 20 do 30 lat. Jednak zmienność wiatru, elastyczność wież oraz skoki momentu łącznie mogą doprowadzić do obciążenia udarowego turbiny. Obciążenia udarowe, wraz ze zmiennym momentem w ramach całego elementu napędowego od przekładni do generatora, mogą spowodować znaczne wyzwania związane z przenoszeniem energii przez przekładnie.
Lucas twierdzi, że tego rodzaju wyzwania stanowią pewne ukierunkowanie dla badań i prac rozwojowych. National Renewable Energy Lab. realizuje projekt zajmujący się systemem dynamiki turbin wiatrowych i przekładni. Ponadto pomaga to w zrozumieniu stanu monitorowania i sposobu, w jaki systemy te działają dynamicznie.
Komponenty przekładni w rozwiązaniach związanych z energią wiatrową są projektowane i obliczane tak, aby zagwarantować trwałość równą 20 do 30 lat. Bazując na swoim doświadczeniu w tym sektorze, Lucas twierdzi, że turbiny i przekładnie nie osiągają takiego poziomu niezawodności.
Obciążenia nakładane na systemy turbin wiatrowych są niezwykle dynamiczne; obejmują ruchy wieży, wiatr o stale zmieniającym się kierunku oraz ciągle zmieniające się położenie łopatek.
W innych rozwiązaniach sprzętu przeznaczonego do wytwarzania energii możemy mieć podzespoły o trwałości 20 do 40 lat, lecz jest to przekładnia zamontowana na solidnej podstawie, działająca przy stałej prędkości i w przewidywalnych warunkach obciążeniowych. Urządzenie jest regularnie kontrolowane i wykonywana jest konieczna konserwacja – stwierdza Lucas. Nie ma zmiennego obciążenia. Nie należy zapominać o dynamicznych ruchach wieży, która może się przemieszczać w obie strony nawet kilka metrów oraz faktu, że wiatr nigdy nie jest stały i ciągle się zmienia. Poza tym ułożenie łopatek również się zmienia, a więc obciążenie w całym systemie jest też niezwykle dynamiczne.
Technologia zintegrowanych łożysk typu Flexpin firmy Timken umożliwia kołom zębatym na uginanie się bez zmiany położenia, co ulepsza niezawodność systemu w rozwiązaniach związanych z turbinami wiatrowymi.
Złe warunki pogodowe stwarzają dodatkowe problemy. Przemysł rozważa sytuacje ekstremalnych obciążeń i dokonywanie obliczeń w celu analizowania komponentów przesyłu energii z punktu widzenia zarówno obciążenia standardowego działania, jak i obciążeń ekstremalnych. Jednak istnieje szereg czynników, których nie można wziąć pod uwagę.
W odpowiedzi na tego rodzaju wyzwania inżynieryjne, Timken i inni dostawcy przekładni optymalizują swoje podstawowe technologie i oferują specjalistyczne produkty ukierunkowane na poprawianie wydajności i niezawodności układu zasilania w rozwiązaniach związanych z energią wiatrową.
Głównym celem jest ograniczenie tarcia. Projekty i konfiguracje łożysk, które są bardziej optymalne, mogą poprawić wydajność turbin i przekładni, redukując ilość tarcia w łożyskach oraz wytwarzanie ciepła, które wpływa na ogólny koszt na kilowatogodzinę.
Jednym z możliwych rozwiązań są łożyska o małym momencie obrotowym, w przypadku których geometria prowadnic i wykończenia powierzchniowego są zoptymalizowane w celu zmniejszenia tarcia tocznego. W innych segmentach rynku przemysłowego rozwiązanie to obniża straty mocy powodowane przez łożyska (w wyniku tarcia pomiędzy komponentami łożysk o ponad 30 procent) i pomogło poprawić wydajność paliwową aż do 2 procent.
Ukierunkowanie na podstawowe kwestie techniczne jest również istotne dla poprawiania działania systemu. Główne osiągnięcia w tym zakresie obejmują prace nad rodzajami powierzchni, w przypadku których powłoki i wykończenie mogą ulepszyć trwałość zmęczeniową łożysk, odporność na korozję, prędkość oraz zmniejszanie tarcia.
Innym pomysłem są rozwiązania związane z zanieczyszczeniami. Prowadnice łożysk muszą w wielu wypadkach działać w smarach, które są zanieczyszczone dużymi cząsteczkami brudu emitowanymi przez przekładnie i inne źródła. Te duże cząstki odginają prowadnice łożysk i na ogół zmniejszają trwałość zmęczeniową standardowych łożysk. Specjalne łożyska pomagają przetrwać mimo takich efektów, co poprawia niezawodność przekładni.
Również duże znaczenie mają opcje smarowania oraz systemy monitorowania stanu, zwłaszcza dla skutecznej konserwacji systemu. Smarownice jednopunktowe mogą pomóc w redukowaniu odstępów między konserwacjami i zapewnić dostarczanie odpowiedniego zapasu świeżego smaru dla łożysk w dowolnej chwili.
Planet Pac firmy Timken umożliwia projektantom stosowanie grubszych sekcji przekładni w kołach zębatych o mniejszych przekrojach. Stwarza to więcej miejsca radialnego dla elementów tocznych o większych przekrojach, co dodatkowo polepsza wydajność łożysk.
Nasze zainteresowanie jest również częściowo ukierunkowane na używanie czystszej stali – twierdzi Lucas. Staramy się ograniczyć rozmiar i liczbę zanieczyszczeń do jak najniższego poziomu w celu przedłużenia trwałości produktu. Gdy następuje uszkodzenie łożyska, podpowierzchniowe zmęczenie materiału może stanowić problem. Przy mniejszej liczbie zanieczyszeń w stali istnieje mniejsza możliwość wystąpienia stykowego zmęczenia tocznego materiału oraz zwiększenia przenoszenia wyższego maksymalnego naprężenia ścinającego. Jeśli można zminimalizować takie skupienia naprężenia pod powierzchnią, można też poprawić niezawodność.
Łożyska firmy DuraSpexx™ wytwarzane są przy wykorzystaniu wysoce oczyszczanej stali, co umożliwia osiągnięcie dwukrotnie dłuższej trwałości zmęczeniowej normalnych łożysk i ułatwia inżynierom projektującym turbiny wiatrowe ulepszanie gęstości mocy w swoich projektach.
Promowanie projektów zakładających dużą gęstość mocy jest niezwykle istotne dla takich rozwiązań. Gęstość mocy można osiągnąć dzięki stosowaniu mniejszych łożysk albo przez stosowanie większej mocy przy tej samej ilości stali. W niektórych przekładniach urządzeń energii wiatrowej niektóre komponenty łożysk zostały zintegrowane w kole zębatym lub wale w celu zredukowania wagi i bezwładności systemu, na co można wpływać niektórymi właściwościami dynamiki systemu.
Jednym z przykładów zaawansowanej technologii napędu zębatego, opracowanej dla rozwiązań związanych z energią wiatrową, jest Flex Drive System firmy Timken ze zintegrowaną technologią łożysk Flexpin, która opiera się na zintegrowanych elastycznych łożyskach w części planetarnej systemu napędowego, w celu umożliwienia łożysku i części planetarnej odkształcanie się systemu, jednocześnie utrzymując dokładny i niezawodny kontakt zębów koła.
Jest to innowacyjny projekt, który może być wykorzystywany do optymalizowania i zmniejszania rozmiaru przekładni – dodaje Lucas. Jeśli klient zechce dodać mocy do tej samej przekładni, istnieje możliwość dodania Flex Drive System, co pozwoli na większą ilość energii bez względu na odkształcenia w pozostałej części systemu.
Końcową sprawą o istotnym znaczeniu dla tych systemów jest konserwacja. Turbiny wiatrowe są często zupełnie niedostępne do potrzeb konserwacji, ponieważ są usytuowane w górach, na pustyni albo na wybrzeżu Morza Północnego. Systemy monitorowania stanu pomagają monitorować działanie, a planowana konserwacja zwiększa osiągi i niezawodność systemów napędowych. Lecz ogólnie rzecz biorąc, celem jest osiągnięcie cyklu konserwacji turbin równego 1 rokowi, a więc rozplanowanie zabiegów konserwacyjnych obejmuje okresy na ogół dłuższe niż sześciomiesięczny okres dla turbin wznoszonych na lądzie.
Lucas twierdzi, że do czasu zmian ekonomicznych pod koniec roku 2008 spodziewał się rozwoju rynku energii wiatrowej w tempie wykładniczym. Jednak obecnie oczekuje się, że rynek energii wiatrowej będzie się rozwijać wolniej, mimo tego, że finansowanie z planu zakładającego stymulowanie pewnych reakcji rynkowych powinno przynosić pozytywne efekty.
Jednym z problemów jest połączenie turbin wiatrowych z główną siecią na lądzie. Na ogół tam, gdzie są dobre warunki wiatrowe, nie ma wielu mieszkańców, a więc sektor musi się opierać na sieci do przesyłu energii. Szczególnie w Ameryce Północnej wydajność sieci stanowi jedną z kluczowych kwestii dla sektora, która jest niezbędna dla spełnienia oczekiwań dla energii odnawialnej i wiatrowej.
Jesteśmy zadowoleni, że rządy w krajach o podobnym poziomie rozwoju, takich jak Europa, Azja i Ameryka Północna, są to w stanie zrozumieć i zamierzają podjąć zdecydowane działania w celu rozwiązania tego problemu – stwierdza Hans Landin, dyrektor czołowej jednostki zajmującej się energią wiatrową firmy Timken. Jesteśmy niezwykle optymistyczni, jeśli chodzi o stały rozwój w Chinach, w których kwestie te są dobrze zrozumiane i gdzie podejmowane są inwestycje infrastrukturalne w celu ułatwienia rozwoju turbin wiatrowych i energii wiatrowej.
