מוצרים סיב–אופטיים תעשייתיים עבור יישומי טורבינות רוח וחוות רוח

נתונים על התחממות גלובלית ושינויי מזג האוויר שמתקבלים מרחבי העולם, שמקורם בפליטה של דו–תחמוצת הפחמן ממקורות אנרגיה מסורתיים, כמו אלו המונעים בחומרי דלק מחצביים, פרצו פתח לשווקים רחבים של מקורות כוח חלופיים. אנרגיה מטורבינות רוח הפכה להיות חלופה פופולרית המספקת את הדרישה המתפשטת במהירות רבה עבור אנרגיה, ולא רק בשל העובדה שבניגוד לחומרי דלק מחצביים, שהם משאבים מוגבלים שמצטמצמים והולכים, אנרגיית הרוח היא אנרגיה שאינה מוגבלת בכמויות והיא זמינה בקלות.
המרה של אנרגיית הרוח לאספקת מתח חילופין, ברמה של חברת תשתית לאספקת חשמל, דורשת מעגלי אלקטרוניקה להספק כמו מערכות יישור (rectifier) ומערכות המרה למתח חילופין (inverter). במערכות הפקת חשמל בהספק גבוה, הבידוד הגלווני הפך להיות בעל חשיבות רבה לאבטחה של האיכות והאמינות בהפקת החשמל. רכיבים סיב–אופטיים מציעים הגנה, בכך שהם מספקים בידוד להתקני ההספק האלקטרוניים מהפרעות glitch ומאותות בלתי רצויים.
חברת Avago Technologies מציעה רכיבים סיב אופטיים בעלי אמינות גבוהה ביותר, המיועדים להרכשת נתונים, לבקרתם ולבידודם בשוק הפקת החשמל. עם ביצועים יוצאי דופן בבידוד מתח גבוה ובעמידות להפרעות EMI, אפשר להתקין מוצרים אלו ולהפעיל אותם בקרבה רבה לקווי הולכת הספק גבוה, שמהם יש פליטה של הפרעות חשמליות משבשות. ככל שהדרישה ל”אנרגיה מתחדשת” גדלה ברוב ארצות העולם, התכנונים של טורבינות רוח מקיפים התקנים גדולים יותר. המוצרים הסיב–אופטיים התעשייתיים של Avago מציעים טווח רחב של קצבי נתונים ואורכי חיבורים המיועדים ליישומים רבים בשוק זה של הפקת החשמל.
בין היישומים החשובים של רכיבים סיב–אופטיים תעשייתיים במערכות של טורבינות רוח ניתן למצוא:
* דוחפים לשערים של רכיבי הספק אלקטרוניים – מיישרים וממירים למתח חילופין
* מעגלי בקרה ותקשורת
* יחידות בקרת טורבינות
* מערכות ניטור תנאים
* רישות חוות רוח

איור 1: תרשים בלוקים של מערכת הפקת חשמל בטורבינת רוח

מערכת טורבינת הרוח משמשת להמרת אנרגיה קינטית לאנרגיה חשמלית באמצעות שימוש במחולל. את האנרגיה החשמלית המופקת מהמחולל יש להמיר בהתאם לשינוי בתנאי הרוח, כדי שתתאים לשימוש. על מנת להעביר מתח חילופין חשמלי ברמה של חברת תשתית לאספקת חשמל על פני מרחקים גדולים יש צורך במערכת יישור, בממיר למתח חילופין, בשנאי ובמסנן (איור 1).

מערכת יישור וממיר למתח חילופין
מערכת היישור והממיר למתח חילופין הם מרכיבים חשובים במערכת טורבינת הרוח. המיישר ממיר את מתח החילופין הרועש למתח ישר, לעומת הממיר למתח חילופין שממיר את המתח הישר למתח חילופין נקי ואמין. המיתוג של התקנים אלו מבוקר, בדרך כלל, באמצעות בקר משובץ במעבד DSP דרך חיבור סיב–אופטי, על מנת להשיג בקרת מיתוג יעילה ואמינה עם יכולת בידוד גלווני גבוה.
קיימים כמה מתגי בקרה למערכות יישור ולממירים למתח חילופין:
* טרנזיסטור בי–פולרי עם שער מבודד (IGBT)
* תייריסטור (SCR) עם כיבוי שער (GTO)
* תייריסטור עם יישור שער משולב (IGCT)
* תייריסטור עם יישור שער סימטרי (SGCT)
* תייריסטור עם כיבוי אמיטר (פולט) (ETO)
ברוב המקרים, רכיבים סיב–אופטיים משמשים לבקרה של התקני מיתוג זרם ומתח גבוהים, עם אותות אמינים של בקרה ומשוב (איורים 2 ו–3).

איור 2: תרשים בלוקים של מעגל דחיפת שער של טרנזיסטור IGBT

איור 3: תרשים בלוקים של ענף הפאזה במעגל ממיר מקור המתח בשתי רמות של תייריסטור ETO

מערכת ניטור תנאים
בדרך כלל, לטורבינות הרוח המודרניות יש תכונות חכמות המיועדות לניטור ובקרה של המערכת, שמאפשרות לה להסתגל לתנאים המשתנים של הרוח. לדוגמה, חיישנים אטמוספריים מודדים את מהירות הרוח ואת כיוונה. חיישנים אחרים מנטרים את המצב של חלקי הטורבינה ואת מצבם הטכני, כדי למנוע אפשרות להתפתחות תקלה עד כדי השבתה.
טורבינות רוח צריכות לעמוד בתנאי מזג אוויר קיצוניים, כמו למשל סופות וברקים. כדי לעמוד בתנאים אלו, חשוב להבטיח שמערכת הניטור של הטורבינה תתוכנן באופן שתוכל לספק בידוד מפני מתח וזרם גבוהים. הסיבים האופטיים הם הבחירה המועדפת במקרה זה מאחר שהם מספקים תכונות בידוד זרם ומתח גבוהות בהרבה. בהשוואה למצמדים אופטיים (optocoupler) וסוגי רכיבים דומים.
בבית טורבינת הרוח (ראה איור 4) אפשר להשתמש במוצרי HFBR–0500Z של Avago עבור החיבורים למרחקים קצרים בסיבים אופטיים מסוג POF (סיבים אופטיים פלסטיים). מחברים עם תכנונים של התחברות בלחיצה (snap–in), נעילה או חיבור בהברגה, הם אפשרויות מגוונות שמהם המתכננים יכולים לבחור. משפחת המשנה הרב–תכליתית של Avago מאפשרת יכולות של מחברים לשימוש בשטח עבור סיבי POF והמחברים שלהם, ויכולות אלו מאפשרות ביצוע בשטח של תיקונים, תחזוקה והתקנה.

איור 4. המרכיבים בבית טורבינת רוח שבה נדרשת תקשורת סיב–אופטית
פיתוח טורבינת רוח: מיקום פעילות הייצור, אס. ג’ורג’ ואס. מאט, “פרוייקט מדיניות האנרגיה המתחדשת” ספטמבר 2004

רישות בטורבינות רוח ובחוות רוח
הנתונים הנאספים ממערכות ניטור התנאים, תוך כדי שימוש בחיבורים קצרים של סיבים אופטיים מסוג POF בכל אחת מטורבינות הרוח, עוברים בדרך כלל ריבוב לכבלי HCS (ציפוי סיליקה קשה) או לכבלים סיב–אופטיים רב–אופניים. ייתכן שיידרש מרחק גדול יותר של כבלי HCS וכבלים סיב–אופטיים רב–אופניים, כאשר מגדלי הטורבינות יהיו גבוהים מ–100 מטר. הסיבים האופטיים עמידים ומציעים עמידות גבוהה לתנאי סביבה קשים, בנוסף על היותם בעלי משקל קל. כל אלו מהווים דרישות שמתאימות למערכות הכבילה האנכיות במגדלי טורבינות הרוח.
מחברים בתקן תעשייתי כדוגמת ST/ ST–thread ו–SMA מוצעים כולם על ידי Avago. סדרת
HFBR–0400Z שפועלת בכבלי HCS ובסיבים–אופטיים רב–אופניים, אשר מציעים רוחב פס גדול יותר ומרחק קישור גדול יותר בהשוואה לפתרון בסיבי POF. חלקים אלו משמשים לרוב במגדלים של טורבינות רוח וברשתות למרחקים ארוכים בחוות רוח.
חברת Avago Technologies פיתחה סדרה של משדרים, מקלטים ומקמ”שים סיב–אופטיים עבור מערכות ניטור לטורבינות רוח וליישומי רישות. Avago מציעה התקנים ל–650 ננו–מטר, ל–820 ננו–מטר או ל–1300 ננו–מטר, בעלי קצבי נתונים של עד 160 מגה–באוד שעומדים בדרישות של הלקוחות עבור מרחקי קישור שונים.