1. บทนำ
ท่ามกลางการมุ่งเน้นระดับโลกในการพัฒนาเศรษฐกิจคาร์บอนต่ำ-และเป้าหมาย "คาร์บอนคู่- ที่เสนอโดยจีน พลังงานลมในฐานะแหล่งพลังงานหมุนเวียนที่สะอาดและยั่งยืน ได้กลายเป็นจุดสนใจสำหรับรัฐบาลและบริษัทพลังงานยักษ์ใหญ่ทั่วโลก ด้วยการก่อสร้างฟาร์มกังหันลมบนบกอย่างต่อเนื่อง เทคโนโลยีที่เติบโตเต็มที่ และต้นทุนที่ลดลง พลังงานลมบนบกจึงมีการพัฒนาอย่างรวดเร็ว โดยกำลังการผลิตพลังงานลมบนบกที่ติดตั้งใหม่ทั่วโลกอยู่ที่ 61.8 GW ในปี 2562 เพียงปีเดียว อย่างไรก็ตาม เนื่องจากถูกจำกัดด้วยทรัพยากรที่ดินและพลังงานลมที่สามารถใช้ประโยชน์บนบกได้ พลังงานลมนอกชายฝั่งจึงค่อยๆ กลายเป็นแนวโน้มการพัฒนา โดยเฉพาะอย่างยิ่ง พื้นที่ชายฝั่งตะวันออกเฉียงใต้ของจีนได้รับการพัฒนาทางเศรษฐกิจ มี-โครงข่ายไฟฟ้าที่มีเสถียรภาพ และมีทรัพยากรพลังงานลมนอกชายฝั่งที่อุดมสมบูรณ์ ทำให้พื้นที่เหล่านี้เหมาะอย่างยิ่งสำหรับ-การพัฒนาขนาดใหญ่และการเชื่อมต่อโครงข่ายของพลังงานลมนอกชายฝั่ง
2. สถานะปัจจุบันของอุตสาหกรรมพลังงานลมนอกชายฝั่ง
ในปี 2020 กำลังการผลิตไฟฟ้าจากลมนอกชายฝั่งที่เชื่อมต่อใหม่ทั่วโลกเกิน 6 GW ซึ่งใกล้เคียงกับปี 2019 ประมาณ 10 ปีก่อน ในปี 2010 กำลังการผลิตพลังงานลมนอกชายฝั่งที่ติดตั้งใหม่ทั่วโลกนั้นน้อยกว่า 1 GW ในขณะเดียวกัน สัดส่วนของพลังงานลมนอกชายฝั่งในกำลังการผลิตไฟฟ้าที่ติดตั้งใหม่ทั่วโลกก็เพิ่มขึ้นจาก 2.5% ในปี 2553 เป็น 7% ในปัจจุบัน
2.1 สถานะปัจจุบันและแนวโน้มของอุตสาหกรรมพลังงานลมนอกชายฝั่งในต่างประเทศ
ในแง่ของการจัดอันดับประเทศตามกำลังการผลิตติดตั้งใหม่ ตลาดพลังงานลมนอกชายฝั่งห้าอันดับแรกทั่วโลกในปี 2020 ได้แก่ จีน เนเธอร์แลนด์ เบลเยียม สหราชอาณาจักร และเยอรมนี ผู้เชี่ยวชาญในอุตสาหกรรมคาดการณ์ว่าตลาดพลังงานลมนอกชายฝั่งทั่วโลกจะมีอัตราการเติบโตเฉลี่ยมากกว่า 30% ต่อปีระหว่างปี 2020 ถึง 2025 การประเมินนี้อิงตามเหตุผลต่อไปนี้:
01
การลดลงอย่างรวดเร็วของต้นทุนพลังงานลมนอกชายฝั่งเป็นผลมาจากการเพิ่มขนาดของกังหันลมนอกชายฝั่ง (ดูรูปที่ 2-1) ซึ่งสามารถช่วยประหยัดการลงทุนล่วงหน้า รวมถึงค่าใช้จ่ายในการดำเนินการและบำรุงรักษาในภายหลังได้อย่างมาก
รูปที่ 2-1 แนวโน้มการพัฒนากังหันลมนอกชายฝั่งทั่วโลก
แหล่งข้อมูล: แพลตฟอร์มข้อมูลตลาด GWEC สิงหาคม 2020
02
จากการที่รัฐบาลทั่วโลกตั้งเป้าหมายในการพัฒนาพลังงานลมนอกชายฝั่ง ตลาดเอเชียของจีน เวียดนาม ญี่ปุ่น และเกาหลีใต้ คาดว่าจะเติบโตอย่างรวดเร็ว ในตลาดยุโรป นอกเหนือจากประเทศในยุโรปตะวันตกที่ยังคงพัฒนาพลังงานลมนอกชายฝั่งอย่างแข็งขันต่อไป ประเทศในยุโรปตะวันออกก็จะเริ่มก่อสร้างโรงไฟฟ้าพลังงานลมนอกชายฝั่งด้วย นอกจากนี้ ฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่งขนาดใหญ่-แห่งแรกในสหรัฐอเมริกาจะเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าในปี 2023
03
การพัฒนาอุตสาหกรรมพลังงานลมลอยน้ำ (ดูรูปที่ 2-2) จะมีการใช้งานที่หลากหลายมากขึ้น เนื่องจากโครงสร้างฐานรากแบบลอยตัวเหมาะสำหรับพื้นที่ใต้ทะเลลึกที่มีความลึกของน้ำ 50 ถึง 200 เมตร ตามรายงานพลังงานโลก กำลังการผลิตติดตั้งทั่วโลกของพลังงานลมลอยน้ำจะสูงถึง 8 ถึง 10 GW ภายในปี 2573
รูปที่ 2-2 แผนผังของฟาร์มกังหันลมลอยน้ำนอกชายฝั่ง
2.2 สถานะปัจจุบันของอุตสาหกรรมพลังงานลมนอกชายฝั่งของจีน
อุตสาหกรรมพลังงานลมนอกชายฝั่งของจีนเริ่มต้นค่อนข้างช้า แต่การพัฒนาในช่วงไม่กี่ปีที่ผ่านมาดำเนินไปอย่างรวดเร็วมาก ตั้งแต่ปี 2018 กำลังการผลิตพลังงานลมนอกชายฝั่งที่ติดตั้งใหม่ของจีนได้เป็นผู้นำประเทศอื่นๆ อย่างต่อเนื่อง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในปี 2020 กำลังการผลิตกริดที่เชื่อมต่อใหม่ของจีนเกิน 3GW เป็นครั้งแรก เมื่อพิจารณาจากกำลังการผลิตติดตั้งสะสม จีนแซงหน้าเยอรมนีจนกลายเป็นตลาดพลังงานลมนอกชายฝั่งที่ใหญ่เป็นอันดับสองของโลก-ภายในสิ้นปี 2020 จากการประมาณการตามอัตราการเติบโตของพลังงานลมนอกชายฝั่งในประเทศต่างๆ จีนได้เข้ามาแทนที่สหราชอาณาจักรในฐานะตลาดพลังงานลมนอกชายฝั่งที่ใหญ่ที่สุดในโลกในปี 2021
2.2.1 ขนาดของกำลังการผลิตติดตั้งและการเชื่อมต่อโครงข่ายยังคงเพิ่มขึ้น
โครงการพลังงานลมนอกชายฝั่งสะพานเซี่ยงไฮ้ตงไห่ ซึ่งเป็นโครงการพลังงานลมนอกชายฝั่งขนาดใหญ่แห่งแรกของจีน- ซึ่งเริ่มในปี 2549 และเริ่มการก่อสร้างในปี 2551 ได้ประสบความสำเร็จในการติดตั้งหน่วยกังหันลมนอกชายฝั่งขนาด 3 เมกะวัตต์ที่ผลิตในประเทศจำนวน 34 หน่วย โดยมีกำลังการผลิตติดตั้งรวม 102 เมกะวัตต์ ซึ่งถือเป็นการเปิดฉากสู่การพัฒนาพลังงานลมนอกชายฝั่งในประเทศจีน
ในปี 2016 สำนักงานบริหารพลังงานแห่งชาติได้เผยแพร่แผนห้า-ปีที่ 13 สำหรับการพัฒนาพลังงานลม และนำเสนอนโยบายที่เป็นประโยชน์ที่สำคัญๆ เพื่อสนับสนุนการพัฒนาพลังงานลมนอกชายฝั่ง ซึ่งหมายความว่าการพัฒนาพลังงานลมนอกชายฝั่งในประเทศจีนได้เปลี่ยนจาก "การสาธิตโครงการ" มาเป็น "การพัฒนาอย่างรวดเร็ว" อย่างรวดเร็ว
ในปี 2020 โครงการพลังงานลมนอกชายฝั่งเข้าสู่ช่วงเวลาวิกฤติของการติดตั้งเร่งด่วน จากสถิติพบว่าในช่วงครึ่งปีแรกอยู่ระหว่างการก่อสร้าง 30 โครงการในเวลาเดียวกัน โดยมีกำลังการผลิตติดตั้ง 12,972,800 กิโลวัตต์ ซึ่งรวมถึง 11 โครงการที่เพิ่งเริ่มใหม่ และ 3 โครงการที่เชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าแบบเต็มรูปแบบ
2.2.2 กำลังการผลิตกังหันลมหน่วยเดียวเพิ่มขึ้นทุกปี
จากข้อมูล ณ สิ้นปี 2019 ในแง่ของกำลังการผลิตหน่วยเดียว หน่วย 4MW มีกำลังการผลิตติดตั้งสะสมที่ใหญ่ที่สุด ในขณะที่ 5MW ได้กลายเป็นรูปแบบหลักสำหรับโครงการพลังงานลมนอกชายฝั่ง (ดูรูปที่ 2-3)
เมื่อวันที่ 12 กรกฎาคม 2020 กังหันลมขนาด 10MW เครื่องแรกของจีนสามารถเชื่อมต่อกับโครงข่ายไฟฟ้าและผลิตกระแสไฟฟ้าได้ที่ฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่งอ่าว Xinghua ในมณฑลฝูเจี้ยน ซึ่งสร้างสถิติใหม่ในด้านกำลังการผลิตกังหันลมนอกชายฝั่งเพียงเครื่องเดียวในจีน จากมุมมองของแผนการพัฒนาของผู้ผลิตกังหันลม 8MW ได้กลายเป็นจุดเริ่มต้นใหม่และกังหันลมนอกชายฝั่งขนาดใหญ่-ที่มีขนาด 10MW ขึ้นไปได้รับการระบุว่าเป็นแบบจำลองการพัฒนาที่สำคัญ
รูปที่ 2-3 ร้อยละของกำลังการผลิตกังหันลมนอกชายฝั่งในประเทศจีน ณ สิ้นปี 2562
2.2.3 การก่อสร้างพลังงานลมนอกชายฝั่งค่อยๆ เปลี่ยนจากน้ำตื้นใกล้ชายฝั่งไปยังพื้นที่-ทะเลลึกและน้ำลึก-
ภายในสิ้นปี 2562 กำลังการผลิตไฟฟ้านอกชายฝั่งที่ได้รับอนุมัติในจีนมีจำนวนสูงถึง 35 ล้านกิโลวัตต์ มณฑลเจียงซูและกวางตุ้งได้อนุมัติกำลังการผลิตเกิน 10 ล้านกิโลวัตต์ ในขณะที่ฝูเจี้ยนและเจ้อเจียงได้อนุมัติกำลังการผลิตเกิน 3 ล้านกิโลวัตต์ ทรัพยากรใกล้ชายฝั่ง-ที่มีอยู่สำหรับการพัฒนาในอนาคตนั้นมีจำกัด ในขณะที่จีนมีพื้นที่น้ำทะเลลึก-ที่สามารถใช้ประโยชน์ได้มากมาย ซึ่งคาดว่าจะกลายเป็นจุดสนใจของการพัฒนาพลังงานลมนอกชายฝั่งในอนาคต
3. ข้อกำหนดด้านฮาร์ดแวร์สำหรับสวิตช์อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมในฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่ง
กังหันลมนอกชายฝั่งและสถานีไฟฟ้าย่อยนอกชายฝั่งถูกสร้างขึ้นห่างจากพื้นดินหลายสิบกิโลเมตร ในสภาพแวดล้อมที่เลวร้ายอย่างยิ่ง ทำให้มีความต้องการอุปกรณ์สูงมาก โดยเฉพาะอย่างยิ่งอุปกรณ์สื่อสารหลัก โดยหลักๆ แล้วเกี่ยวข้องกับความน่าเชื่อถือ ความทนทานต่อละอองเกลือ อุณหภูมิสูงและต่ำ และการรบกวนทางแม่เหล็กไฟฟ้า นอกจากนี้ การบำรุงรักษาอุปกรณ์นอกชายฝั่งยังถูกจำกัดโดยสภาพอากาศ กฎระเบียบทางทะเล และการใช้งานเรือ ทำให้การบำรุงรักษาทั้งในกรณีฉุกเฉินและตามปกติทำได้ยากเป็นพิเศษ โดยมีระยะเวลาที่คาดเดาไม่ได้สูง สิ่งนี้ทำให้เกิดความต้องการที่สูงมากในการทำงานสวิตช์อีเธอร์เน็ตที่เสถียรและเชื่อถือได้
3.1 ข้อกำหนดด้านความน่าเชื่อถือ
ตัวชี้วัดสำคัญหลายประการเกี่ยวกับความน่าเชื่อถือของอุปกรณ์:
1) เวลาเฉลี่ยที่จะล้มเหลว (MTTF)
2) เวลาเฉลี่ยระหว่างความล้มเหลว (MTBF)
3) เวลาเฉลี่ยในการซ่อม (MTTR)
3.1.1 ตัวบ่งชี้ MTBF
หนึ่งในตัวชี้วัดประสิทธิภาพที่สำคัญที่สุดสำหรับสวิตช์อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมคือ Mean Time Between Failures (MTBF) มาตรฐานที่ได้รับการยอมรับและเชื่อถือได้มากที่สุดคือ MIL-HDBK-217, GJB/Z299B และ Bellcore สวิตช์อุตสาหกรรมแบรนด์ต่างประเทศส่วนใหญ่ใช้ American MIL-HDBK 217F เป็นมาตรฐานอ้างอิง และใช้การทดสอบ HALT (High-Accelerated Life Test) และ HASS (High-Accelerated Stress Screening) ในระหว่างการวิจัยและพัฒนาและการทดสอบการผลิตเพื่อตรวจสอบว่า MTBF ของผลิตภัณฑ์ตรงตามข้อกำหนดด้านการออกแบบหรือไม่ MTBF ของสวิตช์อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมส่วนใหญ่มีอายุมากกว่า 20 ปี และบางตัวอาจนานกว่า 50 ปีด้วยซ้ำ
HALT (การทดสอบอายุการใช้งานแบบเร่งความเร็วสูง) ส่วนใหญ่จะใช้ในขั้นตอนการวิจัยผลิตภัณฑ์และการออกแบบการพัฒนา มีประสิทธิภาพในการเปิดเผยข้อบกพร่องที่อาจเกิดขึ้นในผลิตภัณฑ์ และเป็นวิธีการทดสอบที่สำคัญสำหรับวิศวกรออกแบบเพื่อปรับปรุงความน่าเชื่อถือของผลิตภัณฑ์
HASS (การคัดกรองความเครียดแบบเร่งรัดสูง) เป็น-กระบวนการคัดกรองความเครียดแบบเร่งความเร็วสูงที่ดำเนินการในสายการผลิต หลังจากที่ผลิตภัณฑ์ผ่านการทดสอบ HALT เพื่อกำหนดขีดจำกัดการปฏิบัติงานหรือการทำลายล้าง. 100% ของผลิตภัณฑ์ที่จำเป็นในการเข้าร่วมในการคัดกรอง วัตถุประสงค์คือเพื่อให้แน่ใจว่าผลิตภัณฑ์ที่ผลิตปราศจากข้อบกพร่องที่ซ่อนอยู่ หรืออย่างน้อยก็เพื่อระบุและแก้ไขข้อบกพร่องเหล่านี้ก่อนที่ผลิตภัณฑ์จะออกจากโรงงาน HASS ใช้ความเครียดแบบเร่งเพื่อค้นหาผลิตภัณฑ์ที่มีข้อบกพร่องในระยะเวลาอันสั้น ลดระยะเวลาการดำเนินการแก้ไข และระบุผลิตภัณฑ์ที่มีปัญหาเดียวกัน
3.1.2 ตัวบ่งชี้ MTTR
ข้อกำหนดทั่วไปสำหรับไซต์ฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่งคือ: เวลาเฉลี่ยในการซ่อมแซม (MTTR) ที่จัดทำโดยผู้ผลิต ซึ่งโดยทั่วไปคือ 0.5 ถึง 1 ชั่วโมง เมื่อไม่คำนึงถึงเวลาสนับสนุนการจัดการและเวลาการส่งมอบ และเวลาในการวินิจฉัย (หรือตรวจสอบ) และอัพเดตปลั๊กที่ชำรุดควรน้อยกว่า 30 นาที
หากสวิตช์ทางอุตสาหกรรมประสบกับความล้มเหลวของฮาร์ดแวร์ และไม่คำนึงถึงเวลาสนับสนุนการจัดการและเวลาการส่งมอบ และจำเป็นต้องมีการเปลี่ยนทดแทนอย่างง่าย ๆ ในกรณีส่วนใหญ่ สามารถเปลี่ยนผลิตภัณฑ์สวิตช์ทางอุตสาหกรรมได้ภายใน 1 ชั่วโมง ซึ่งเป็นไปตามข้อกำหนด MTTR ของลูกค้า
3.2 ข้อกำหนดด้านความต้านทานการกัดกร่อน
ลักษณะสำคัญของสภาพแวดล้อมการทำงานทางทะเลคือระดับสเปรย์เกลือที่สูง ผลิตภัณฑ์สวิตช์อีเธอร์เน็ตอุตสาหกรรมต้องมีการออกแบบการเคลือบป้องกันแผงวงจรเพื่อให้ได้ระดับการป้องกัน G3 และปฏิบัติตามข้อกำหนดของ ISA-S71.04-1985 (การจำแนกประเภท G3- Hash Group A) และมาตรฐาน EN60068-2-60 Method 4 อย่างครบถ้วน เพื่อให้ทำงานได้อย่างเสถียรและเชื่อถือได้เป็นเวลานานในสภาพแวดล้อมทางทะเลที่รุนแรง
ฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่งในยุคแรกๆ ประสบกับความล้มเหลวของสวิตช์จำนวนมาก เมื่อเปิดฝาครอบสวิตช์พบรอยไหม้ที่มองเห็นได้บนแผงวงจร เหตุผลประการหนึ่งก็คือสวิตช์เหล่านี้ขาดการเคลือบป้องกัน
3.3 ข้อกำหนดด้านอุณหภูมิสูงและต่ำ
เนื่องจากฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่งหลายแห่งตั้งอยู่ในละติจูดที่ต่างกัน สภาพภูมิอากาศจึงแตกต่างกันอย่างมาก ตัวอย่างเช่น ในฤดูหนาว อุณหภูมิต่ำสุดที่ฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่งจ้วงเหอในต้าเหลียนอาจสูงถึง -15 องศาเซลเซียส ในขณะที่ในฤดูร้อน อุณหภูมิสูงสุดที่ฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่งซูเหวินในจ้านเจียงจะสูงถึง 38 องศาเซลเซียส อุณหภูมิภายในหอกังหันลมอาจสูงกว่าอุณหภูมิภายนอกด้วยซ้ำ ดังนั้นจึงมีข้อกำหนดที่สูงมากเกี่ยวกับอุณหภูมิการทำงานปกติของสวิตช์อุตสาหกรรม
แม้ว่าผู้ผลิตสวิตช์ทางอุตสาหกรรมส่วนใหญ่ในตลาดจะระบุอุณหภูมิการทำงานของสวิตช์ไว้ที่ -40 องศาถึง +70 องศา หรือแม้แต่ -40 องศาถึง +85 องศา แต่ตัวเลขเหล่านี้ได้มาจากการทดสอบในห้องปฏิบัติการ-ระยะสั้น ตัวอย่างเช่น ข้อกำหนดในการทดสอบของสถาบันการทดสอบในประเทศที่มีชื่อเสียงระบุว่าในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิสูง- สวิตช์ขณะเปิดเครื่องควรวางไว้ตรงกลางห้องทดสอบด้านสิ่งแวดล้อม และควรเพิ่มอุณหภูมิเป็น 70 องศาและคงไว้เป็นเวลา 2 ชั่วโมง อุปกรณ์ควรทำงานได้ตามปกติที่ +70 องศา และอัตราการจัดเก็บและส่งต่อควรถึง 100% หากเป็นไปตามข้อกำหนดนี้ สวิตช์จะถือว่า合格 (มีคุณสมบัติ/ยอมรับได้)
ข้อกำหนดทางเทคนิคสำหรับสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิต่ำ-เหมือนกันมีดังนี้: สวิตช์ในขณะที่เปิดเครื่องอยู่นั้นจะถูกวางไว้ตรงกลางห้องทดสอบด้านสิ่งแวดล้อม และลดอุณหภูมิลงเหลือ -40 องศา จากนั้นคงไว้ที่อุณหภูมินั้นเป็นเวลา 2 ชั่วโมง อุปกรณ์ควรทำงานได้ตามปกติที่ -40 องศา โดยมีอัตราการจัดเก็บและส่งต่อ 100% ก็ควรจะสามารถสตาร์ทได้ตามปกติที่ -40 องศา . หากเป็นไปตามข้อกำหนดเหล่านี้จะถือว่า合格 (มีคุณสมบัติ/ยอมรับได้) ดังนั้น การทดสอบจะตรวจสอบว่าสามารถทำงานได้อย่างเสถียรเป็นเวลา 2 ชั่วโมงภายใต้อุณหภูมิที่สูงมากเช่นนี้หรือไม่
แม้ว่าสวิตช์ทางอุตสาหกรรมในฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่งไม่จำเป็นต้องทนทานต่ออุณหภูมิที่สูงมากขนาดนั้น แต่สวิตช์จะต้องทำงานอย่างต่อเนื่องเป็นระยะเวลานานในสภาพแวดล้อมที่มีอุณหภูมิรุนแรง และอาจได้รับผลกระทบเพิ่มเติมจากสภาพแวดล้อมภายนอกอื่นๆ ด้วยซ้ำ มีเพียงสวิตช์อุตสาหกรรมที่ผ่านการทดสอบของกาลเวลาเท่านั้นที่สามารถกล่าวได้ว่าตรงตามข้อกำหนดด้านอุณหภูมิสูงและต่ำของฟาร์มกังหันลมนอกชายฝั่ง
(ยังมีต่อ)