Υπεράκτια αιολικά πάρκα - καλώδια μεταφοράς

Υπεράκτιο αιολικό πάρκο

Η ευρωπαϊκή βιομηχανία αιολικής ενέργειας στρέφεται όλο και περισσότερο προς την υπεράκτια αιολική ενέργεια πόροι, και οι Ηνωμένες Πολιτείες θα αντλήσουν τοΤην εμπειρία των Ευρωπαίων καθώς αρχίζουμε να σχεδιάζουμε υπεράκτια αιολικά πάρκα. Χωρίς να παράγει υδρογόνο ή να χρησιμοποιήσει ή να αποθηκεύσει με άλλο τρόπο την ενεργειακή υπεράκτια ενέργεια (βλ. Π.χ. Altmann 2001), πρέπει να διενεργείται στα κέντρα φορτίου ξηράς από υποβρύχια καλώδια.

Η υπεράκτια μετάδοση έχει αποδειχθείπροκλητική και δαπανηρή στην Ευρώπη και θα παρουσιάσει πρόσθετες προκλήσεις στις ΗΠΑ εξαιτίας της έλλειψης εγχώριων κατασκευαστών υποβρυχίων καλωδίων υψηλής τάσης και υψηλής χωρητικότητας και της έλλειψης εξοπλισμού και εμπειρίας στην εγκατάσταση αυτού του τύπου καλωδίου.

Υποβρύχιο καλώδια μετάδοσης είναι συνηθισμένες στις ΗΠΑ για άλλες εφαρμογές, αλλά αυτή η εμπειρία έχει περιορισμένη δυνατότητα εφαρμογής στις αιολικές εγκαταστάσεις.

Η βιομηχανία ανοικτής θάλασσας και γεωτρήσεων χρησιμοποιεί χαμηλότερατα επίπεδα ισχύος και τα χαμηλά (κάτω από 10 kV) έως τη μέτρια τάση (10-100 kV), ενώ η τάση στην υπεράκτια αιολική ενέργεια είναι προς τη μετάδοση υψηλής τάσης. Ένας αριθμός καλωδίων μετάδοσης μέσης και υψηλής τάσης έχουν εγκατασταθεί στις ΗΠΑ για να τροφοδοτήσουν νησιά, αλλά η υποθαλάσσια μετάδοση από τη γενιά προσφέρει διαφορετικά προβλήματα από τη μετάδοση σε ένα φορτίο.

Για παράδειγμα, οι ανεμόμυλοι έχουν συνήθως υψηλή έντασηεπειδή οι περισσότερες ανεμογεννήτριες χρησιμοποιούν γεννήτριες επαγωγής. Αυτό μπορεί να προκαλέσει συντονισμό με την χωρητικότητα των καλωδίων. Οι οικονομίες κλίμακας αυξάνουν το μέγεθος των υπεράκτιων αιολικών πάρκων. Οι μεγαλύτερες εκμεταλλεύσεις επιτρέπουν και απαιτούν πιο εξελιγμένα ηλεκτρικά συστήματα μετάδοσης, καθώς η αιολική ενέργεια επηρεάζει περισσότερο το ηλεκτρικό δίκτυο της ξηράς. Καθώς αναπτύσσονται τα ηλεκτρονικά ισχύος, μπορούμε να αναμένουμε να δουν να διαδραματίζουν σημαντικότερο ρόλο σε σχέδια μεταφοράς και διανομής υπεράκτιων αιολικών πάρκων, συμπεριλαμβανομένης της εισαγωγής υψηλής τάσης συνεχούς ρεύματος (HVDC).

Τα παρακάτω είναι μια σύντομη εισαγωγή των τύπων καλωδίων και των εξαρτημάτων, καθώς αφορούν σε υπεράκτιες εγκαταστάσεις αιολικής ενέργειας.

Μόνωση

Τρεις τύποι μόνωση καλωδίων χρησιμοποιούνται κοινώς για υποβρύχια μετάδοση γιαμεγάλες αποστάσεις (τουλάχιστον μερικά χιλιόμετρα). Ενώ η κατασκευή μόνωσης και το πάχος ποικίλλουν ανάλογα με την τάση, και οι τρεις τύποι που συζητούνται εδώ χρησιμοποιούνται τόσο για μέσες όσο και για υψηλές τάσεις. Η μόνωση χαρακτηρίζεται από το μονωτικό υλικό τους, από την κατασκευή τους και από το αν το διηλεκτρικό υλικό (δηλαδή η μόνωση) είναι επικαλυμμένο ή εξωθημένο.

Χαμηλή πίεση γεμισμένο με πετρέλαιο (LPOF), ή υγρό γεμάτο (LPFF), μονωμένα με εμποτισμένο με ρευστάχαρτί, έχουν ιστορικά τα πιο συνηθισμένα καλώδια στις ΗΠΑ για υποθαλάσσια μετάδοση εναλλασσόμενου ρεύματος. Η μόνωση εμποτίζεται με συνθετικό λάδι, η πίεση του οποίου διατηρείται συνήθως από αντλιοστάσια σε κάθε άκρο. Το πεπιεσμένο ρευστό εμποδίζει το σχηματισμό κενών στη μόνωση όταν ο αγωγός επεκτείνεται και συστέλλεται καθώς αλλάζει η φόρτιση. Ο βοηθητικός εξοπλισμός συμπίεσης αντιπροσωπεύει σημαντικό μέρος του κόστους του συστήματος. Τα καλώδια LPFF διατρέχουν κίνδυνο διαρροής υγρών, ο οποίος αποτελεί περιβαλλοντικό κίνδυνο.

Τα γεμάτα με υγρά καλώδια μπορούν να φτάσουν μέχρι περίπου 50 χλμ(30 μίλια). Σπάνια χρησιμοποιούνται για εφαρμογές συνεχούς ρεύματος, οι οποίες είναι γενικά μακρύτερες από τις πρακτικές για την πίεση. Ενώ τα καλώδια LPFF είναι ευρέως εγκατεστημένα παγκοσμίως, το κόστος του βοηθητικού εξοπλισμού, οι περιβαλλοντικοί κίνδυνοι και η ανάπτυξη εναλλακτικών λύσεων χαμηλού κόστους με χαμηλότερες απώλειες, συνέβαλαν στη μείωση της χρήσης καλωδίων LPFF τα τελευταία χρόνια.

Παρόμοιες κατασκευές είναι οι στερεές,εμποτισμένα με μόνωση καλώδια, τα οποία παραδοσιακά χρησιμοποιούνται για μετάδοση HVDC. Η μονωμένη επένδυση χαρτιού εμποτίζεται με ρευστό υψηλού ιξώδους και τα καλώδια αυτά δεν παρουσιάζουν κίνδυνο διαρροής του καλωδίου LPOF.

Η εξωθημένη μόνωση αντικαθιστά το lappedεγκατάσταση ως προτιμώμενες επιλογές σε πολλές εφαρμογές. Το διασταυρωμένο πολυαιθυλένιο (XLPE, επίσης ονομαζόμενο PEX) είναι χαμηλότερο κόστος από το LPOF παρόμοιας διαβάθμισης και έχει χαμηλότερη χωρητικότητα, με αποτέλεσμα χαμηλότερες απώλειες για εφαρμογές AC. Το XLPE μπορεί να κατασκευαστεί σε μεγαλύτερα μήκη από το LPFF (Gilbertson 2000.)

Μέχρι πρόσφατα το XLPE δεν ήταν επιλογή για το DCμετά την αποσύνδεση λόγω παρουσίας ρεύματος συνεχούς ρεύματος, αλλά οι πρόσφατες βελτιώσεις επιτρέπουν τη χρήση του και για το DC. Το σχήμα 1 δείχνει ένα παράδειγμα ενός καλωδίου XLPE.

Εικόνα 1: Ανατομία ενός XLPE καλωδίου ενός πυρήνα (από το καλώδιο Long Island Cross Sound της ABB)

Μια άλλη εξώθηση μόνωσης που χρησιμοποιείται στα υποβρύχια καλώδια είναι το καουτσούκ αιθυλενίου προπυλενίου (EPR), το οποίο έχει παρόμοιες ιδιότητες με XLPE σε χαμηλότερες τάσεις, αλλά σε 69 kV και άνω, έχειυψηλότερη χωρητικότητα (Gilbertson, 2000). Το υποβρύχιο καλώδιο XLPE υψηλής τάσης δεν κατασκευάζεται στη Βόρεια ή Νότια Αμερική. Τα καλώδια LPOF κατασκευάζονται εδώ, αλλά δεν διατίθενται στα μεγέθη και τα μήκη που θα απαιτηθούν για ένα αιολικό πάρκο υπεράκτιας οικονομικής μεγέθυνσης. Επί του παρόντος, κάθε υπεράκτιο αιολικό πάρκο στις ΗΠΑ (ή οπουδήποτε αλλού στο δυτικό ημισφαίριο) θα πρέπει να εισάγει καλώδια από την Ευρώπη ή την Ιαπωνία.

Με τα καλώδια που μπορούν να ζυγίζουν περισσότερα από 75 kg / m (50 lbm / ft), το κόστος μεταφοράς θα αποτελεί σημαντικό μέρος του κόστους του καλωδίου.

Αγωγοί

Ο αγωγός σε καλώδια μέσης και υψηλής τάσηςείναι χαλκός, ή λιγότερο κοινά αλουμίνιο, ο οποίος έχει χαμηλότερη μεταφορική ικανότητα ρεύματος (ampacity) και έτσι απαιτεί μεγαλύτερη διάμετρο. Η χωρητικότητα αυξάνεται αναλογικά με την επιφάνεια εγκάρσιας διατομής, η οποία μπορεί να κυμαίνεται έως περίπου 2000 mm2 (διάμετρος 3 in2, δηλ. 50 mm (2 in)) πριν το καλώδιο γίνει δύσκαμπτο και η ακτίνα κάμψης είναι πολύ μεγάλη. Τα μεγάλα καλώδια ενδέχεται να έχουν ακτίνα κάμψης έως 6 μέτρα (20 πόδια).

Το μέγεθος του σχεδιασμού είναι μια λειτουργία όχι μόνο τουη τάση και η ισχύς που πρέπει να μεταφερθεί, αλλά και το μήκος του καλωδίου, ο τύπος μόνωσης, ο σχηματισμός τοποθέτησης, το βάθος ταφής, ο τύπος εδάφους και οι ηλεκτρικές απώλειες. Ο Gilbertson (2000) προσφέρει μια λεπτομερή τεχνική αναφορά σε αυτά τα θέματα. Τα ζητήματα του μήκους και των ζημιών συζητούνται λεπτομερέστερα κατωτέρω.

Αριθμός αγωγών

Όταν είναι εφικτό σε εφαρμογές καλωδίου AC, και οι τρειςοι φάσεις συσσωρεύονται σε ένα καλώδιο "τριών πυρήνων". Ένα καλώδιο τριών πυρήνων μειώνει το κόστος καλωδίωσης και τοποθέτησης. Παράγει επίσης ασθενέστερα ηλεκτρομαγνητικά πεδία έξω από το καλώδιο και έχει χαμηλότερες επαγόμενες απώλειες ρεύματος από τα τρία καλώδια μονού πυρήνα που τοποθετούνται ξεχωριστά. Καθώς όμως αυξάνονται οι απαιτήσεις φορτίου και η διάμετρος του αγωγού, ένα καλώδιο τριών πυρήνων γίνεται δυσκίνητο και δεν είναι πλέον εφικτό.

Ένα πλεονέκτημα των μονολιθικών καλωδίων είναι ότι είναιπιο εύκολο και φθηνότερο να εκτελέσετε ένα ανταλλακτικό, τέταρτο καλώδιο. Ένα άλλο πλεονέκτημα είναι ότι μεγαλύτερα μήκη μπορούν να γίνουν χωρίς ματς ή αρμούς. Το σχήμα 2 δείχνει ένα καλώδιο τριών πυρήνων.

Έλεγχος

Ένα ημιαγώγιμο στρώμα διαλογής, από χαρτί ή χαρτίεξωθημένο πολυμερές, τοποθετείται γύρω από τον αγωγό για την εξομάλυνση του ηλεκτρικού πεδίου και την αποφυγή συγκεντρώσεων ηλεκτρικής τάσης και επίσης για να εξασφαλιστεί η πλήρης σύνδεση της μόνωσης στον αγωγό.

Εικόνα 2: Καλώδιο τριών πυρήνων (Nexans)

Το σχήμα 1 δείχνει την προβολή σε ένα μονόκλωνο καλώδιο και το σχήμα 3 δείχνει ένα καλώδιο τριών πυρήνων με θωράκιση τόσο στους μεμονωμένους αγωγούς όσο και στην δέσμη των τριών πυρήνων.

Επικάλυψη

Έξω από την προβολή όλων των αγωγών είναι αμεταλλική επένδυση, η οποία παίζει αρκετούς ρόλους. Βοηθά στην γείωση του καλωδίου στο σύνολό του και φέρει ρεύμα σφάλματος αν το καλώδιο είναι κατεστραμμένο. Δημιουργεί επίσης ένα φράγμα υγρασίας. Σε καλώδια εναλλασσόμενου ρεύματος, το ρεύμα αυτό θα προκληθεί σε αυτό το περίβλημα, οδηγώντας σε απώλειες κυκλοφορούντος μανδύα. έχουν αναπτυχθεί διάφορα σχέδια γείωσης για τη μείωση των ρευμάτων που κυκλοφορούν στο περίβλημα.

Σε αντίθεση με άλλους τύπους καλωδίων, η μόνωση EPR δεν απαιτεί μεταλλική θήκη.

Εικόνα 3: Καλώδιο τριών πυρήνων (Okonite)

Τραπέζι 1: Ικανότητες καλωδίου υψηλής τάσης (Häusler, ABB, 2002)

* Οι απώλειες μπορεί να είναι υπερβολικές σε αυτές τις εξουσίες

Πανοπλία

Ένα συνολικό σακάκι και στη συνέχεια η θωράκιση ολοκληρώνει τοκατασκευή. Η αντιδιαβρωτική προστασία θα εφαρμοστεί στην θωράκιση. αυτό μπορεί να περιλαμβάνει ένα βιοκτόνο για την αναστολή της καταστροφής από θαλάσσια πλάσματα, όπως τα ναυτικά σμήνη που υπάρχουν στα νοτιοανατολικά ύδατα των ΗΠΑ και έχουν πρόσφατα αναφερθεί στα βορειοανατολικά (Fox Islands, 2001).

Καλώδια οπτικών ινών για επικοινωνία και έλεγχομπορεί να συσσωρευτεί στα καλώδια. Σημειώστε τη συνδυασμένη γραμμή οπτικών ινών στο σχήμα 2. Ο πίνακας 1 συνοψίζει την τρέχουσα διαθεσιμότητα και τους περιορισμούς των καλωδίων AC & DC.