Pod adresem elektrowni wiatrowych kierowanych jest wiele zarzutów. Jedni mówią, że zanieczyszczają krajobraz, inni – że to zabójcy ptaków. Ale mieszkańcy Rymanowa w województwie podkarpackim mogliby do tej listy dodać jeszcze realne zagrożenie dla życia ludzkiego. W tej małej gminie w ubiegłym roku doszło do dwóch poważnych wypadków. Najpierw z jednej z elektrowni odpadła obudowa wirnika. Trzy tygodnie później z innej oderwała się łopata śmigła. Ważący 300 kg element spadł 200 m od wiatraka.

Związani z krakowską Akademią Górniczo-Hutniczą dr hab. inż. Tomasz Barszcz oraz prof. AGH i dr inż. Adam Jabłoński uważają, że opracowali metodę diagnostyczną pozwalającą na wczesne wykrywanie uszkodzeń, które mogą doprowadzić do takich katastrof jak w Rymanowie. Nie znaczy to jednak, że właściciele istniejących instalacji na bieżąco nie monitorują ich stanu. Problem polega na tym, że biorąc pod uwagę ogromne siły działające na ruchome elementy elektrowni wiatrowych, rutynowa diagnostyka często nie wystarczy. Takie zabiegi prof. Barszcz podsumowuje krótko: – Wszystko było robione zgodnie ze sztuką, tylko pacjent zmarł.

Najcięższą pracę w całej elektrowni wykonuje przekładnia planetarna, którą można porównać z wielką przerzutką zawieszoną kilkadziesiąt metrów nad ziemią. Składa się ona z kilku kół zębatych – centralnego (zwanego słońcem), zewnętrznego (zwanego wieńcem) i kilku naokoło (zwanych planetami, stąd nazwa przekładnia planetarna). Jej zadaniem – podobnie jak przerzutek – jest zamienianie powolnych obrotów łopat na sto razy szybsze obroty wału generatora prądu.

Oprócz olbrzymich sił działających wewnątrz przekładni ich producenci muszą także brać pod uwagę czas eksploatacji. – Silnik samochodowy w trakcie 20 lat użytkowania przepracuje ok. 5 tys. godzin. Turbina wiatrowa w tym samym czasie będzie pracować 120 tys. godzin – wskazuje prof. Barszcz. Przy czym czas pracy turbiny nie tylko jest 20 razy dłuższy niż serca samochodu; praca ta jest także bardziej niewdzięczna, bo urządzenia z ruchomymi elementami lubią miarowe tempo pracy. Z tego względu podróż po autostradzie ze stałą prędkością nie męczy silnika tak jak dynamiczna jazda po mieście. Tymczasem wiatr nigdy nie wieje cały czas z taką samą prędkością, tylko – jak obrazowo mówią uczeni – szarpie.

Ciężkie warunki pracy sprawiają, że przekładnie są wyjątkowo narażone na usterki. Odpowiednio wczesne wykrycie uszkodzeń może stanowić o różnicy pomiędzy naprawami za kilka czy kilkaset tysięcy euro. W skrajnym przypadku wymagana może być wymiana całej przekładni. – Wówczas właściciel ryzykuje utratę całego zysku, jaki udało mu się wypracować przez kilka lat – mówi Jabłoński. Co więcej, mała naprawa to nie tylko mniejsze koszty, lecz także mniejsze straty, bo im mniej poważną usterkę trzeba usunąć, tym czas interwencji krótszy, a więc siłownia szybciej może zacząć z powrotem zarabiać.

Diagnostyka przekładni wykorzystuje fakt, że wszystkie ruchome układy w trakcie pracy wywołują drgania. Tak jak tembr głosu informuje nas o nastroju danej osoby, tak samo częstotliwość drgań stanowi wskazówkę, że coś niepokojącego może się dziać we wnętrzu urządzenia. Dotychczasowe metody diagnostyczne bazujące na tej metodzie mają jednak kilka wad. Po pierwsze – nie są w stanie wykryć pewnych wczesnych usterek, co jest bardzo ważne, uszkodzenie – kiedy już raz się pojawi – będzie bowiem tylko się pogłębiać. Możliwa jest więc sytuacja, w której standardowa metoda zbyt późno da znak, że coś się zepsuło. Po drugie – nie odróżniają jednej częstotliwości drgań od innych, nie mogły więc wskazywać, która część przekładni jest uszkodzona. Na tym właśnie polega przewaga rozwiązania stworzonego przez inżynierów z AGH – w przeciwieństwie do rozwiązań istniejących na rynku ich algorytm komputerowy jest w stanie odróżnić smutek od gniewu. Lub – jak gwoli ścisłości dodaje prof. Barszcz: – Jesteśmy w stanie na podstawie charakterystyki częstotliwościowej drgań określić miejsce i rozmiar uszkodzenia.

Algorytm Barszcza i Jabłońskiego do analizy drgań wykorzystuje zjawisko modulacji. Zna je każdy z nas, chociażby z domowego odbiornika radiowego. Ustawiamy ulubioną stację, która nadaje na częstotliwości 100 MHz, a przecież ludzkie ucho nie jest w stanie usłyszeć dźwięków o częstotliwościach powyżej 20 kHz, czyli 5 tys. razy niższych. Do zamiany jednej częstotliwości na inną wykorzystywane jest właśnie zjawisko modulacji. Uszkodzenia w przekładniach planetarnych generują właśnie takie, czyli zmodulowane drgania. Te same drgania odpowiadają za to, że stojąc obok maszyny, słyszymy, że ona pracuje.

Przy czym metoda inżynierów z AGH nie wymaga zastosowania kosmicznych czujników, wystarczą dane z już zainstalowanych, co docenią właściciele siłowni wiatrowych. Jest tak dokładna dzięki oryginalnemu podejściu do odczytywanych z czujników danych. Dotychczas m.in. ze względów na ograniczenia związane z mocą obliczeniową komputerów sygnał płynący z czujników umieszczonych na obudowach przekładni był uśredniany, to znaczy oprogramowanie nie brało pod uwagę skrajnych odczytów. Inżynierowie z AGH postanowili uwzględnić także te sygnały, a efekty tego podejścia przeszły ich najśmielsze oczekiwania. Nie tylko pomiar stał się dokładniejszy, ale także umożliwił lokalizowanie usterki na tyle dokładnie, że lokalizacja prezentowana jest na trójwymiarowej mapie. W ten sposób serwisant do uszkodzonej siłowni będzie jechał już z zapasowym elementem, bez konieczności wracania po niego po dokonaniu inspekcji na miejscu.

Inżynierowie z AGH już czekają na patent na swój algorytm i teraz będą starali się przekonać do niego branżę energetyczną. W tym celu odwiedzą w tym miesiącu największe targi branżowe EWEA w Barcelonie. A że ich algorytm może być wykorzystany do badania różnych urządzeń, toteż będzie użyteczny, nawet jeśli ludzie dojdą do wniosku, że mają już dość szarpiącego wiatru.