ในการประชุมวิศวกรรมเทคโนโลยีพลังงานลมทะเลแห่งประเทศจีนที่จัดขึ้นเมื่อเร็ว ๆ นี้ ผู้จัดการทั่วไปฝ่ายผลิตภัณฑ์พลังงานลมทะเลได้กล่าวปาฐกถาพิเศษ โดยเน้นย้ำว่าอุปสรรคสำคัญในปัจจุบันของกังหันลมทะเลในประเทศจีนอยู่ที่ใบพัดและตลับลูกปืนหลัก เนื่องจากความต้องการกังหันลมทะเลมีสูง จึงเป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่งที่ผู้ผลิตจะต้องมุ่งเน้นการนำเสนอโซลูชันที่รับประกันผลตอบแทนจากการลงทุนโดยอาศัยห่วงโซ่อุปทานที่มีอยู่ เพื่อสนับสนุนการพัฒนาอย่างยั่งยืนของพลังงานลมทะเลในประเทศจีน

เส้นทางการพัฒนาใบพัดกังหันลม

บทความนี้ได้ทบทวนวิวัฒนาการของใบพัดกังหันลมในยุโรปและจีน ระหว่างปี 1991 ถึง 2015 จีนเป็นผู้ตามในแง่ของกำลังและขนาดใบพัดของกังหันลม อย่างไรก็ตาม ในปี 2017 จีนได้พัฒนากังหันลมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 171 เมตร ซึ่งแซงหน้ายุโรปที่มีขนาด 164 เมตร และในปี 2019 ทั้งยุโรปและสหรัฐอเมริกาได้เปิดตัวกังหันลมขนาดใหญ่ขึ้น โดยมีเส้นผ่านศูนย์กลาง 220 เมตร ความเท่าเทียมกันในขนาดของกังหันลมนี้แสดงให้เห็นว่าจีนและยุโรปอยู่ในระดับที่ใกล้เคียงกันในการพัฒนากังหันลมในทะเลแล้ว

ความท้าทายและนวัตกรรมในด้านพลังงานลม

จากข้อมูลของวารสารวิทยาศาสตร์ระดับโลกที่มีชื่อเสียง ระบุว่า เมื่อกังหันลมในทะเลมีขนาดใหญ่ขึ้น ภาคพลังงานลมก็เผชิญกับความท้าทายอย่างมากในด้านอากาศพลศาสตร์ พลศาสตร์โครงสร้าง และอุทกพลศาสตร์ การวิจัยในสาขาวิทยาศาสตร์พื้นฐานเหล่านี้ยังตามไม่ทันขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของกังหันที่เพิ่มขึ้น ในทางตรงกันข้ามกับอุตสาหกรรมการบิน ซึ่งปีกเครื่องบินไม่เคยมีขนาดเกิน 80 เมตรแม้จะผ่านไปกว่าศตวรรษแล้ว อุตสาหกรรมพลังงานลมกลับมีขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของกังหันสูงถึง 200 เมตรภายในเวลาไม่ถึงสี่ทศวรรษ

ได้มีการเน้นย้ำถึงความสำคัญของความก้าวหน้าอย่างค่อยเป็นค่อยไปในด้านวิศวกรรมและเทคโนโลยี การเพิ่มความยาวของใบพัดจำเป็นต้องมีการพัฒนาวัสดุและเทคโนโลยีการผลิตอย่างก้าวกระโดด การพึ่งพาเทคโนโลยีที่มีอยู่เดิมเพียงอย่างเดียวในการเพิ่มขนาดใบพัดนั้นไม่เพียงพอที่จะสนับสนุนการพัฒนาพลังงานลมในทะเลต่อไป

ความจำเป็นของวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์สำหรับทำผ้าคลุมหน้า

เพื่อรองรับใบพัดกังหันลมขนาดใหญ่สำหรับใช้งานในทะเล อุตสาหกรรมจำเป็นต้องก้าวเข้าสู่ดินแดนที่ไม่เคยมีใครสำรวจมาก่อน นั่นคือวัสดุคาร์บอนไฟเบอร์แบบบาง (Carbon Fiber Veil) การเปลี่ยนแปลงนี้สะท้อนสถานการณ์เมื่อสิบปีก่อนที่จีนต้องขออนุญาตออกแบบใบพัดจากบริษัทในยุโรป โดยใช้วัสดุหลักและอุปกรณ์จากบริษัทเยอรมันหรือญี่ปุ่น การลงทุนในแม่พิมพ์ขนาดใหญ่ ระยะเวลาที่ยาวนาน และเทคโนโลยีการผลิตที่ยังไม่สมบูรณ์ ทำให้การพัฒนามีความซับซ้อนมากขึ้น ส่งผลให้ประสิทธิภาพการผลิตใบพัดขนาดใหญ่ต่ำกว่าใบพัดทั่วไปถึง 3-4 เท่า ซึ่งเป็นอุปสรรคสำคัญในการรับประกันความอยู่รอดของโครงการภายใต้สถานการณ์การติดตั้งกังหันลมขนาดใหญ่ในทะเลในปัจจุบันของจีน คาร์บอนไฟเบอร์แบบบางมีความสำคัญอย่างยิ่งสำหรับกังหันลมรุ่นต่อไป โดยตอบโจทย์ทั้งความต้องการด้านความแข็งแรงและน้ำหนักเบา

ความท้าทายในห่วงโซ่อุปทานตลับลูกปืนหลัก

ตลับลูกปืนหลักเป็นอีกหนึ่งปัญหาคอขวด ซึ่งเกิดจากความท้าทายด้านการออกแบบ ปัญหาด้านห่วงโซ่อุปทาน และความซับซ้อนในการติดตั้ง โดยเฉพาะอย่างยิ่ง ห่วงโซ่อุปทานสำหรับตลับลูกปืนหลักของกังหันลมขนาดใหญ่ในแท่นขุดเจาะนอกชายฝั่งนั้นเผชิญกับความท้าทายสำคัญสามประการ:

1. โดยทั่วไปแล้ว เส้นผ่านศูนย์กลางของวงแหวนแบริ่งหลักมักเกิน 2 เมตร ซึ่งเกินขีดความสามารถของเครื่องมือกลส่วนใหญ่ที่มีอยู่ในปัจจุบัน

2. มีผู้ให้บริการหลักเพียงสองรายเท่านั้น ซึ่งจำเป็นต้องจองกำลังการผลิตล่วงหน้าอย่างน้อยหนึ่งปี

3. ปัจจุบัน ผู้ผลิตในประเทศยังขาดความสามารถในการออกแบบและผลิตตลับลูกปืนขนาดใหญ่เช่นนี้

   
   

โซลูชันและนวัตกรรมในเทคโนโลยีตลับลูกปืน

การนำเทคโนโลยี SRB คู่มาใช้ในโครงสร้างแบริ่งหลักช่วยให้รองรับกังหันลมขนาด 5-6 เมกะวัตต์ที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางไม่เกิน 1.5 เมตรได้ โซลูชันนี้ได้รับการสนับสนุนจากห่วงโซ่อุปทานระดับโลกที่แข็งแกร่ง ทำให้ผู้ผลิตในท้องถิ่นมีส่วนร่วมในการออกแบบและการผลิตได้ ในทางตรงกันข้าม เทคโนโลยีที่ต้องการเส้นผ่านศูนย์กลางขนาดใหญ่กว่า เช่น TRB คู่ และ DRTRB เผชิญกับความท้าทายด้านกำลังการผลิตและประสิทธิภาพอย่างมาก

การเพิ่มประสิทธิภาพการทำงานของกังหันลมในทะเล

แม้จะมีอุปสรรค บริษัทฯ ยังคงมั่นใจในการนำเสนอโซลูชันพลังงานลมในทะเลที่ให้ผลตอบแทนการลงทุนที่ดี มีการจัดทำแผนที่ต้นทุนพลังงานเฉลี่ยตลอดอายุการใช้งาน (LCOE) สำหรับฟาร์มกังหันลมในทะเลของจีนอย่างครอบคลุม เพื่อเป็นแนวทางในการกำหนดกังหันลมและช่วยให้นักพัฒนาสามารถระบุโครงการที่ทำกำไรได้ โดยมุ่งเน้นที่ LCOE มากกว่ากำลังการผลิตของกังหันลม โดยการผลิตไฟฟ้าเป็นปัจจัยที่สำคัญที่สุด

การปรับตัวในระดับภูมิภาคและการวิเคราะห์ความไวต่อต้นทุนพลังงานไฟฟ้าเฉลี่ยตลอดชีพ (LCOE)

แต่ละภูมิภาคต้องการกำลังไฟฟ้าของกังหันลมและขนาดเส้นผ่านศูนย์กลางของใบพัดที่แตกต่างกัน เพื่อให้ได้ต้นทุนการผลิตไฟฟ้าต่อหน่วย (LCOE) ที่เหมาะสมที่สุด บริษัทได้ทำการวิเคราะห์ความไวของ LCOE สำหรับพื้นที่ที่มีลมแรง เช่น ฝูเจี้ยน พื้นที่ที่มีลมเบา เช่น กวางซี และพื้นที่ที่มีลมปานกลางถึงเบา เช่น เจ้อเจียง ผลการวิจัยชี้ให้เห็นว่า กังหันลมขนาด 6-8 เมกะวัตต์เหมาะสมที่สุดสำหรับสถานการณ์ที่มีลมแรง ในขณะที่กังหันลมขนาด 4-6 เมกะวัตต์เหมาะสมที่สุดสำหรับสถานการณ์ที่มีลมเบาถึงปานกลาง ความเร็วลมที่ต่ำลงจำเป็นต้องใช้ใบพัดที่มีเส้นผ่านศูนย์กลางใหญ่ขึ้น และในทางกลับกัน การใช้แผ่นคาร์บอนไฟเบอร์ในกังหันลมเหล่านี้มีความสำคัญอย่างยิ่งต่อการบรรลุประสิทธิภาพและประสิทธิผลที่ต้องการ

การแก้ไขปัญหาการสูญเสียที่เกิดจากคลื่นรบกวนในฟาร์มกังหันลมกลางทะเล

ฟาร์มกังหันลมกลางทะเลของจีนประสบปัญหาการสูญเสียพลังงานจากกระแสลมที่เกิดจากกังหันลมตัวอื่นมากกว่าฟาร์มกังหันลมในยุโรป เนื่องจากมีการจัดวางที่หนาแน่นกว่า ความเร็วลมต่ำกว่า และสภาพอากาศมีเสถียรภาพมากกว่า การประเมินกำลังการผลิตกังหันลมกลางทะเลเกือบ 1.5 กิกะวัตต์ พบว่าการประมาณการสูญเสียพลังงานจากกระแสลมในเบื้องต้นนั้นต่ำเกินไปประมาณ 2% ความพยายามในการลดการสูญเสียพลังงานจากกระแสลมผ่านเทคโนโลยีควบคุมกระแสลมแบบกลุ่ม ส่งผลให้การผลิตพลังงานเพิ่มขึ้น 3-4% เมื่อการจัดวางฟาร์มกังหันลมกลางทะเลมีความหนาแน่นมากขึ้น คุณค่าของเทคโนโลยีควบคุมกระแสลมแบบกลุ่มก็ยิ่งมีความสำคัญมากขึ้น การนำแผ่นใยคาร์บอนมาใช้ในการออกแบบใบพัดไม่เพียงแต่ช่วยเพิ่มประสิทธิภาพ แต่ยังช่วยลดผลกระทบจากการสูญเสียพลังงานจากกระแสลมอีกด้วย