1. Introdução
Tendo como pano de fundo o foco global no desenvolvimento de uma economia de baixo-carbono e a meta de "duplo{1}}carbono" proposta pela China, a energia eólica, como fonte de energia renovável limpa e sustentável, tornou-se um ponto focal para governos e gigantes da energia em todo o mundo. Com a construção contínua de parques eólicos onshore, tecnologia cada vez mais madura e custos decrescentes, a energia eólica onshore desenvolveu-se rapidamente, com a capacidade global de energia eólica onshore recém-instalada atingindo 61,8 GW só em 2019. No entanto, limitada pela terra explorável em terra e pelos recursos de energia eólica, a energia eólica offshore tornou-se gradualmente uma tendência de desenvolvimento. Em particular, as áreas costeiras do sudeste da China são economicamente desenvolvidas, têm uma rede elétrica bem{7}}estabelecida e abundantes recursos de energia eólica offshore, tornando-as altamente adequadas para o desenvolvimento-em grande escala e a conexão à rede de energia eólica offshore.
2. Situação Atual da Indústria de Energia Eólica Offshore
Em 2020, a capacidade global de energia eólica offshore recém-conectada excedeu 6 GW, aproximadamente o mesmo que em 2019. Dez anos antes, em 2010, a capacidade global de energia eólica offshore recém-instalada era inferior a 1 GW. Entretanto, a proporção de energia eólica offshore na capacidade global de energia eólica recém-instalada também aumentou de 2,5% em 2010 para os actuais 7%.
2.1 Status atual e tendências da indústria de energia eólica offshore no exterior
Em termos da classificação dos países por capacidade recentemente instalada, os cinco principais mercados de energia eólica offshore a nível mundial em 2020 foram a China, os Países Baixos, a Bélgica, o Reino Unido e a Alemanha. Os especialistas do setor prevêem que o mercado global de energia eólica offshore experimentará uma taxa média de crescimento anual superior a 30% entre 2020 e 2025. Esta avaliação baseia-se nas seguintes razões:
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O rápido declínio nos custos da energia eólica offshore deve-se ao tamanho crescente das turbinas eólicas offshore (ver Figura 2-1), que podem poupar significativamente no investimento inicial e nos subsequentes custos de operação e manutenção.
Figura 2-1 Tendências globais de desenvolvimento de turbinas eólicas offshore
Fonte de dados: Plataforma de dados de mercado GWEC, agosto de 2020
02
Com os governos de todo o mundo a aumentarem as suas metas para o desenvolvimento de energia eólica offshore, espera-se que os mercados asiáticos da China, Vietname, Japão e Coreia do Sul registem um rápido crescimento. No mercado europeu, além de os países da Europa Ocidental continuarem a desenvolver vigorosamente a energia eólica offshore, os países da Europa Oriental também iniciarão a construção de instalações de energia eólica offshore. Além disso, o primeiro parque eólico offshore em grande-escala nos Estados Unidos será conectado à rede em 2023.
03
A industrialização da energia eólica flutuante (ver Figura 2-2) terá uma gama mais ampla de aplicações porque a estrutura de fundação flutuante é adequada para áreas de mar profundo com profundidade de água de 50 a 200 metros. De acordo com o Relatório Energético Mundial, a capacidade instalada global de energia eólica flutuante atingirá 8 a 10 GW até 2030.
Figura 2-2 Diagrama esquemático de um parque eólico offshore flutuante
2.2 Situação Atual da Indústria de Energia Eólica Offshore da China
A indústria de energia eólica offshore da China começou relativamente tarde, mas o seu desenvolvimento nos últimos anos tem sido extremamente rápido. Desde 2018, a capacidade de energia eólica offshore recentemente instalada na China tem liderado consistentemente outros países. Em particular, em 2020, a capacidade da rede recentemente ligada da China ultrapassou os 3GW pela primeira vez. Com base na capacidade instalada acumulada, a China ultrapassou a Alemanha e se tornou o segundo{6}}maior mercado de energia eólica offshore do mundo até o final de 2020. De acordo com estimativas baseadas nas taxas de crescimento da energia eólica offshore em vários países, a China substituiu o Reino Unido como o maior mercado de energia eólica offshore do mundo em 2021.
2.2.1 A escala da capacidade instalada e da ligação à rede continua a crescer.
O Projeto de Energia Eólica Offshore da Ponte Donghai de Xangai, o primeiro projeto de energia eólica offshore em grande-escala da China, que começou em 2006 e começou a ser construído em 2008, instalou com sucesso 34 unidades de turbina eólica offshore de 3 MW produzidas internamente, com uma capacidade instalada total de 102 MW, abrindo assim o prelúdio para o desenvolvimento de energia eólica offshore na China.
Em 2016, a Administração Nacional de Energia divulgou o 13º Plano Quinquenal-para o Desenvolvimento de Energia Eólica e introduziu uma série de políticas favoráveis importantes para incentivar o desenvolvimento de energia eólica offshore, o que também significa que o desenvolvimento de energia eólica offshore na China passou de "demonstração de projeto" para o caminho rápido de "desenvolvimento rápido".
Em 2020, os projetos de energia eólica offshore entraram num período crítico de instalação urgente. Segundo as estatísticas, 30 projectos estavam em construção ao mesmo tempo no primeiro semestre do ano, com uma capacidade instalada de 12.972.800 quilowatts, incluindo 11 projectos recém-iniciados e 3 projectos que estavam totalmente ligados à rede.
2.2.2 A capacidade unitária das turbinas eólicas tem aumentado ano após ano.
De acordo com dados do final de 2019, em termos de capacidade unitária única, as unidades de 4MW têm a maior capacidade instalada acumulada, enquanto 5MW se tornaram o modelo principal para projetos de energia eólica offshore (ver Figura 2-3).
Em 12 de julho de 2020, a primeira turbina eólica de 10 MW da China foi conectada com sucesso à rede e gerou eletricidade no parque eólico offshore da Baía de Xinghua, na província de Fujian, estabelecendo um novo recorde para a capacidade de uma única turbina eólica offshore na China. Do ponto de vista dos planos de desenvolvimento dos fabricantes de turbinas eólicas, 8 MW tornou-se um novo ponto de partida, e turbinas eólicas offshore de grande-escala, de 10 MW e superiores, foram listadas como modelos de desenvolvimento chave.
Figura 2-3 Porcentagem da capacidade de turbinas eólicas offshore na China no final de 2019
2.2.3 A construção de energia eólica offshore está gradualmente mudando de águas rasas próximas à costa para áreas de-mar profundo e-de águas profundas.
No final de 2019, a capacidade total de energia eólica offshore aprovada na China atingiu 35 milhões de quilowatts. Entre eles, Jiangsu e Guangdong aprovaram capacidades superiores a 10 milhões de quilowatts, enquanto Fujian e Zhejiang aprovaram capacidades superiores a 3 milhões de quilowatts. Os recursos próximos-da costa disponíveis para o desenvolvimento futuro são limitados, enquanto a China tem uma vasta área de águas profundas-exploráveis, que deverão se tornar o foco do desenvolvimento de energia eólica offshore no futuro.
3. Requisitos de hardware para switches Ethernet industriais em parques eólicos offshore
As turbinas eólicas offshore e as subestações offshore são construídas a dezenas de quilómetros de distância da terra, em ambientes extremamente adversos. Isto impõe exigências muito elevadas aos equipamentos, especialmente aos equipamentos principais de comunicação, principalmente no que diz respeito à confiabilidade, resistência à névoa salina, altas e baixas temperaturas e interferência eletromagnética. Além disso, a manutenção de equipamentos offshore é limitada pelas condições meteorológicas, pelas regulamentações marítimas e pela implantação dos navios, tornando a manutenção de emergência e de rotina excepcionalmente difícil, com um tempo altamente imprevisível. Isto impõe exigências extremamente altas à operação estável e confiável dos switches Ethernet.
3.1 Requisitos de confiabilidade
Vários indicadores-chave de confiabilidade do equipamento:
1) Tempo Médio até Falha (MTTF)
2) Tempo Médio entre Falhas (MTBF)
3) Tempo médio para reparo (MTTR)
3.1.1 Indicador MTBF
Um dos indicadores de desempenho mais importantes para switches Ethernet industriais é o Tempo Médio entre Falhas (MTBF). Os padrões mais amplamente aceitos e confiáveis são MIL-HDBK-217, GJB/Z299B e Bellcore. A maioria das marcas estrangeiras de switches industriais usa o americano MIL-HDBK 217F como padrão de referência e emprega testes HALT (High-Accelerated Life Test) e HASS (High-Accelerated Stress Screening) durante testes de P&D e produção para verificar se o MTBF do produto atende aos requisitos de projeto. O MTBF da maioria dos switches Ethernet industriais é superior a 20 anos e alguns até ultrapassam 50 anos.
HALT (Highly Accelerated Life Testing) é usado principalmente na fase de pesquisa e desenvolvimento de produtos. É eficaz na exposição de defeitos potenciais em produtos e é um método de teste importante para engenheiros de projeto melhorarem a confiabilidade do produto.
HASS (Highly Accelerated Stress Screening) é um processo-de triagem de estresse altamente acelerado realizado na linha de produção depois que os produtos passaram no teste HALT para determinar seus limites operacionais ou destrutivos.. 100% dos produtos são obrigados a participar da triagem. Seu objetivo é garantir que os produtos fabricados estejam livres de quaisquer defeitos ocultos, ou pelo menos identificar e solucionar esses defeitos antes que os produtos saiam da fábrica. A HASS utiliza o estresse acelerado para encontrar produtos defeituosos em um curto espaço de tempo, encurtar o ciclo de ações corretivas e identificar produtos com os mesmos problemas.
3.1.2 Indicador MTTR
Os requisitos típicos para parques eólicos offshore são: Tempo médio de reparo (MTTR) fornecido pelo fabricante, que geralmente é de 0,5 a 1 hora quando o tempo de suporte à gestão e o tempo de entrega não são levados em consideração; e o tempo para diagnosticar (ou inspecionar) e atualizar os plugues defeituosos deve ser inferior a 30 minutos.
Se um switch industrial sofrer uma falha de hardware e se o tempo de suporte de gerenciamento e o tempo de entrega não forem considerados, e apenas uma simples substituição for necessária, na maioria dos casos, o switch industrial poderá ser substituído dentro de 1 hora, atendendo aos requisitos de MTTR do cliente.
3.2 Requisitos de resistência à corrosão
Uma característica fundamental do ambiente operacional marítimo é o alto nível de névoa salina. Os produtos de switch Ethernet industrial devem fornecer um design de revestimento protetor de placa de circuito para atingir o nível de proteção G3 e cumprir totalmente os requisitos dos padrões ISA-S71.04-1985 (classificação G3-Hash Grupo A) e EN60068-2-60 Método 4 para operar de forma estável e confiável por um longo período no ambiente marinho hostil.
Os primeiros parques eólicos offshore sofreram um grande número de falhas de comutação. Ao abrir as caixas dos interruptores, foram encontradas marcas de queimadura visíveis nas placas de circuito. Uma razão para isso foi que esses interruptores não tinham revestimento protetor.
3.3 Requisitos de alta e baixa temperatura
Como diferentes parques eólicos offshore estão localizados em latitudes diferentes, as suas condições climáticas variam muito. Por exemplo, no inverno, a temperatura mais baixa no parque eólico offshore de Zhuanghe, em Dalian, pode atingir -15 graus Celsius, enquanto no verão, a temperatura mais alta no parque eólico offshore de Xuwen, em Zhanjiang, pode atingir 38 graus Celsius. A temperatura no interior das torres das turbinas eólicas pode ser ainda mais elevada do que a temperatura exterior. Portanto, requisitos muito elevados são impostos à temperatura normal de operação dos interruptores industriais.
Embora a maioria dos fabricantes de switches industriais no mercado listem as temperaturas operacionais de seus switches como -40 graus a +70 graus , ou mesmo -40 graus a +85 graus , esses números são derivados de testes de laboratório-de curto prazo. Por exemplo, os requisitos de teste de uma instituição de testes nacional respeitável especificam que em ambientes-de alta temperatura, o switch, enquanto ligado, deve ser colocado no centro de uma câmara de teste ambiental, e a temperatura deve ser elevada para 70 graus e mantida por 2 horas. O dispositivo deve funcionar normalmente em +70 grau e a taxa de armazenamento e encaminhamento deve atingir 100%. Se este requisito for atendido, a opção é considerada合格 (qualificada/aceitável).
Os requisitos técnicos para o mesmo ambiente-de baixa temperatura são os seguintes: o switch, enquanto ligado, é colocado no centro de uma câmara de teste ambiental e a temperatura é reduzida para -40 graus e depois mantida nessa temperatura por 2 horas. O dispositivo deve funcionar normalmente a -40 graus, com uma taxa de armazenamento e encaminhamento de 100%; também deve poder iniciar normalmente a -40 graus. Se esses requisitos forem atendidos, é considerado合格 (qualificado/aceitável). Portanto, o teste apenas verifica se ele pode operar de forma estável por 2 horas sob esta temperatura extrema.
Embora os interruptores industriais em parques eólicos offshore não precisem de suportar temperaturas tão extremas, devem funcionar continuamente durante longos períodos em ambientes com temperaturas adversas e podem até estar sujeitos a efeitos adversos adicionais de outros ambientes externos. Somente interruptores industriais que resistiram ao teste do tempo podem atender aos requisitos de alta e baixa temperatura dos parques eólicos offshore.
(Continua)