Magnetostrykcyjne systemy pomiaru położenia w instalacjach OZE

©

Udostępnij:

 

Aby spełniały swoje funkcje, instalacje wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych muszą być nie tylko ekologiczne, ale przede wszystkim wydajne. Dlatego coraz częściej znane dotychczas technologie ich budowy wypierane są przez nowe – bardziej efektywne, sprawniejsze i trwalsze. Te zaś wymagają zastosowania inteligentnych i niezawodnych systemów pomiaru położenia i odległości zapewniających nieprzerwaną, precyzyjną pracę całej instalacji.

Wydajność pracy instalacji wytwarzania energii ze źródeł odnawialnych można zwiększyć na kilka sposobów, przy czym skuteczność każdego z nich zależna jest każdorazowo od dominującej metody przetwarzania mocy. Przykładowo, w elektrowniach wiatrowych efekt taki uzyskać można m.in. przez redukcję ciężaru turbin dzięki stosowaniu alternatywnych materiałów, zastosowanie napędów bezprzekładniowych oraz szybko uruchamiających się turbin gazowych. W elektrowniach wodnych zwiększeniu efektywności pracy sprzyja z kolei dokładna regulacja łopatek kierujących oraz napędów sterujących zaworami, klapami i suwakami. Aby jednak zabiegi te przyniosły oczekiwany efekt, konieczne jest równoległe wdrożenie inteligentnych czujników i systemów pomiaru odległości.



Regulacja skoku wirnika w elektrowniach wiatrowych
W elektrowniach wiatrowych magnetostrykcyjne systemy pomiaru położenia mogą być wykorzystywane np. w aktywowanych hydraulicznie układach regulacji skoku. Zapewniając szybką reakcję i dokładną regulację kąta ustawienia łopat wirnika, nie tylko pomagają zwiększyć wydajność energetyczną i bezpieczeństwo elektrowni, ale także gwarantują jej optymalne i stabilne funkcjonowanie niezależnie od aktualnych warunków wiatrowych. Umieszczone w cylindrach czujniki przez cały czas z dokładnością do 1 μm mierzą bieżące ustawienie skoku, określając je w cyklach milisekundowych. Dzięki temu zapewniają szybki obrót wirnika do bezpiecznej pozycji w sytuacji zagrożenia.

Przykładem tego typu rozwiązania jest system pomiaru położenia Micropulse firmy Balluff bazujący na technologii magnetostrykcyjnej wykorzystywanej do określania pozycji. Jego zaletą jest z jednej strony bezwzględny pomiar położenia, a z drugiej – bezkontaktowa praca przyczyniająca się do znacznego wydłużenia żywotności urządzenia oraz redundantny charakter kołnierzy pozwalający na szybką i prostą modernizację systemu. Stąd może być on wykorzystywany zarówno do precyzyjnych i dynamicznych pomiarów położenia osi, jak i dokładnego określania pozycji tłoka w siłownikach hydraulicznych. System cechuje się szerokim zakresem pomiaru do 7600 mm przy rozdzielczości 1 μm, a także wysoką wytrzymałością oraz odpornością na wibracje, wstrząsy, zmiany temperatury i wilgoć (klasa ochrony IP67/68).



System pomiaru na bazie falowodu
Centralnym elementem tego typu czujnika przesuwu jest magnetostrykcyjny element czujnikowy zwany falowodem, czyli niewielka metalowa rurka wykonana z materiału magnetostrykcyjnego (zwykle stopu niklu i żelaza), przez którą poprowadzono miedziany drut. W celu wykonania pomiaru do rurki przesyłany jest krótki impuls elektryczny, który wywołuje indukcję kołowego pola magnetycznego utrzymywanego przez słabe właściwości magnetyczne falowodu. Rolę pasywnego znacznika pozycji określającego bezkontaktowo punkt pomiarowy bez konieczności doprowadzania energii pełni magnes trwały przymocowany bezpośrednio do ruchomego podzespołu, którego położenie jest mierzone.

Gdy pola magnetyczne falowodu i magnesu nałożą się na siebie, zachodzi zjawisko magnetostrykcji powodujące deformację sygnału. Powstająca w ten sposób fala dźwiękowa rozchodzi się w falowodzie z prędkością 2850 m/s. Na jednym jego końcu zostaje ona wytłumiona jako niepożądana, zaś na drugim jest ponownie zamieniana przez detektor (cewkę indukcyjną) w impuls prądowy. Podczas przebiegu fali przez falowód elektroniczna jednostka obliczeniowa z wysoką precyzją określa położenie, biorąc za podstawę czas jej rozchodzenia się w rurce.

Ustawianie heliostatów w instalacjach solarnych
Kolejnym typowym przykładem wykorzystania czujników do zwiększania wydajności są elektrownie cieplne wykorzystujące skoncentrowaną energię słoneczną. Aby w takich systemach uzyskać najwyższy stopień wydajności, konieczne jest niezwykle precyzyjne i powtarzalne sterowanie ustawieniem poszczególnych luster (heliostatów). Natomiast w sytuacji zagrożenia (np. podczas burzy) lustra muszą zostać szybko ustawione w bezpiecznym położeniu.

W przypadku dużych elektrowni składających się z kiku tysięcy heliostatów odległość między poszczególnymi lustrami i punktem spalania w komorze spalania a odbiornikiem zlokalizowanym na wieży może wynosić nawet 1000 m. A ponieważ poszczególne heliostaty śledzą promienie słoneczne zupełnie odrębnie, zaś cały proces jest sterowany w sposób ciągły za pomocą procesora, nawet najmniejsza niedokładność w pozycjonowaniu i ustawieniu luster może prowadzić do znacznego spadku skuteczności systemu.

Systemy pomiarowe, takie jak np. BML z taśmami pomiarowymi firmy Balluff, umożliwiają precyzyjny pomiar bieżącego azymutu oraz określenie pozycji bezpośrednio na osiach obrotu heliostatów. Rozdzielczość rzędu 1-10 μm – w połączeniu z dokładnością systemu wynoszącą do ± 10 μm – umożliwia precyzyjny pomiar położenia każdego lustra. Pracując na zasadzie bezkontaktowej, systemy tego typu nie ulegają zużyciu i niemal nie wymagają konserwacji, stanowiąc gwarancję optymalizacji procesu produkcji energii. Jest to szczególnie istotne w warunkach silnego, ciągłego nasłonecznienia, zmiennych temperatur, wysokiej wilgotności i naprężeń mechanicznych w wyniku działania piasku na terenach pustynnych i stepowych.

System pomiaru z taśmą pomiarową
Typowy system pomiarowy składa się w tym przypadku z głowicy pomiarowej oraz magnetycznie zakodowanej taśmy w formie pierścienia lub elastycznej opaski o zmiennej polaryzacji. Układ elektroniczny oraz elementy czujnikowe wrażliwe na działanie pola magnetycznego są zamknięte w niewielkiej obudowie głowicy.

W celu wykonania pomiaru głowica przesuwa się w odległości około 2 mm nad taśmą rozciągniętą bezpośrednio na osi obrotu heliostatów. Linie pola między biegunami północnym i południowym tworzą trójwymiarowe pole wektorowe, którego okres odpowiada szerokościtaśmy między dwoma biegunami. Obydwa elementy czujnika pola magnetycznego w głowicy mierzą składowe wektora pola magnetycznego w kierunku ich ustawienia lub kąt tego wektora w odniesieniu do kierunku ruchu. Odległość jest w tym przypadku określana przez zliczanie odstępów między biegunami magnetycznymi.

Testy halt
Ze względu na trudne warunki pracy komponenty instalowane w elektrowniach wiatrowych i słonecznych muszą cechować się bezpieczeństwem i niezawodnością, a jednocześnie zapewniać wysoką wydajność energetyczną instalacji. Warunki te mogą spełnić jedynie systemy wymagające minimalnych czynności konserwacyjnych i gwarantujące ciągłą dostępność przez cały okres użytkowania. Do przeprowadzenia analizy tych właściwości nie wystarczą jednak tradycyjne testy kwalifikujące produkty w ramach określonych specyfikacji. Dużo pewniejszym sposobem ich oceny jest przeprowadzenie testów HALT (ang. Highly Accelerated Life Tests – testów wysoce przyspieszonego cyklu użytkowania).

W trakcie testu podzespoły przez trzy do pięciu dni poddawane są przyspieszonemu „procesowi starzenia”. W ten sposób symulowane są sumaryczne odkształcenia, na które narażony jest czujnik w całym okresie użytkowania. Pozwala to na wykrycie i usunięcie słabych punktów urządzenia już na etapie projektowania tak, aby uzyskać systemy o jakości i niezawodności gwarantującej przez wiele lat precyzyjną i niezawodną realizację zadań. Taki sposób analizy umożliwia wydłużenie okresu dostępności systemu, obniżenie kosztów serwisowania i napraw, a także zwiększenie jego wydajności niezależnie od warunków i czasu pracy.

Udostępnij:

Drukuj



MM




TOP w kategorii






Chcesz otrzymać nasze czasopismo?
Zamów prenumeratę
Zobacz również