Monitoreo de torres de turbinas eólicas marinas con acelerómetros MEMS y OMA

Las turbinas eólicas marinas pueden generar grandes cantidades de energía eólica limpia y renovable. Para capturar abundantes recursos eólicos y producir más energía, las turbinas eólicas son cada vez más grandes y, en consecuencia, más caras. Las turbinas eólicas operan en entornos hostiles como agua salada, alta humedad, vientos fuertes…, son remotas y de difícil acceso. Para ello, es fundamental monitorear constantemente su desempeño y ejecutar un mantenimiento predictivo para obtener los retornos esperados de la inversión.

Materiales y métodos

Las torres de turbinas eólicas están hechas predominantemente de acero, hormigón armado o celosía. Las torres de turbinas eólicas marinas están expuestas a altas cargas externas que afectan la estructura.

Esto da como resultado lo que se conoce como degradación estructural. Esto significa cambios en el material o las propiedades geométricas. El deterioro puede ser el resultado de un mal diseño, fallas en la construcción, accidentes, entornos hostiles, procesos de envejecimiento o cualquier combinación de estos.

Rara vez ocurre la falla de las torres de aerogeneradores. Cuando lo hace normalmente se ve afectado con altos costos o en el peor de los casos, si la torre se derrumba, con pérdida total del aerogenerador. En consecuencia, muchos parques de turbinas eólicas marinas aplican soluciones continuas de monitoreo de salud estructural en las torres. En algunos países, incluso se está volviendo obligatorio.

Análisis modal y análisis modal operacional

Se utilizan una variedad de técnicas y métodos de detección para realizar tal monitoreo de salud estructural. Sin embargo, la más utilizada es la técnica basada en vibraciones, también conocida como Análisis Modal Operacional (OMA).

El análisis modal es vital para comprender y optimizar el comportamiento dinámico inherente de las estructuras. En las estructuras, casi todos los problemas de vibración se relacionan con debilidades estructurales asociadas con el comportamiento de resonancia: las frecuencias naturales son excitadas por fuerzas operativas.

Para muchas estructuras mecánicas y de ingeniería civil, es difícil aplicar la excitación utilizando un martillo o un agitador debido a su tamaño físico, forma o ubicación. Las estructuras de ingeniería civil están cargadas por fuerzas ambientales como las olas, el viento o el tráfico. Estas fuerzas de entrada naturales no se pueden controlar fácilmente ni medir correctamente. Sin embargo, en algunos casos, es preferible utilizar esta excitación natural de la estructura en condiciones operativas y de contorno verdaderas para determinar sus propiedades modales.

El Análisis Modal Operacional (OMA) se basa en medir solo las respuestas de las estructuras de prueba en condiciones de operación reales para una identificación modal precisa. Este suele ser el caso en situaciones en las que es difícil o imposible controlar una excitación artificial.

El comportamiento dinámico completo de una estructura puede verse como un conjunto de modos individuales de vibración. Cada uno tiene una frecuencia natural, una amortiguación y una forma de modo características.

Las propiedades dinámicas en el dominio de la frecuencia se pueden utilizar para modelar la estructura. Tal identificación determina las características modales de una estructura. Esto significa las frecuencias específicas de la estructura con las formas modales y de amortiguación relacionadas.

Los modos de vibración de la estructura proporcionan información sobre el movimiento relativo de los elementos que componen la estructura cuando se tensa a una frecuencia particular. Si la estructura se somete a una acción que excita más de una frecuencia, la forma en que la estructura vibra será el resultado de la combinación de excitantes modos de vibración.

El conocimiento de los parámetros modales permite predecir la respuesta de la estructura en función de la excitación externa y se pueden analizar y resolver problemas en resonancias específicas.

Los parámetros modales constituyen así una especie de "tarjeta de identidad" dinámica de la estructura que se puede utilizar para:

• la validación de modelos de cálculo

• su calibración o

• fines de diagnóstico

Por lo tanto, proporciona una línea de base en el sistema de monitoreo de condición estructural a largo plazo.

Monitoreo de salud estructural (SHM)

La determinación de parámetros dinámicos permite verificar la persistencia de las condiciones estructurales con referencia a un instante preciso de tiempo T0. Generalmente, este tiempo T0 para las nuevas torres de aerogeneradores se puede tomar en el momento de la instalación o puesta en servicio.

Mediante el uso de soluciones novedosas de monitoreo de la salud estructural, el sistema registra continuamente los datos y se pueden comparar los datos de diferentes períodos. Esto permite evaluar los efectos de una fuerte tormenta sobre las propiedades dinámicas de la estructura. Además, permite la evaluación de las intervenciones de rehabilitación después de los trabajos de reparación.

Equipo de monitoreo

Las torres de aerogeneradores se están volviendo muy grandes y actualmente superan los 250 m de altura. Para tener una buena visión general del estado de la torre, se puede aplicar el monitoreo de vibraciones. Los niveles de vibración deben medirse en diferentes puntos utilizando el método OMA. Dado que las bajas frecuencias en las tres direcciones (vertical, longitudinal y lateral) son de interés, los acelerómetros MEMS son adecuados para el monitoreo de la salud estructural de las turbinas eólicas en torres.

Dewesoft IOLITEi 3xMEMS-AC es un acelerómetro de tres ejes con salida digital (bus EtherCAT); consulte la figura 1. Con la especificación de densidad de ruido espectral de 25 µg / √Hz y ruido residual de 100 µg a 50 Hz de ancho de banda, respuesta plana de CC (0Hz) a 400 Hz y rango dinámico de 96dB. Se utiliza en muchas aplicaciones SHM para monitorear la aceleración, la velocidad y el desplazamiento y como entrada para un software de análisis modal operativo de terceros. También se puede utilizar como inclinómetro estático biaxial.

La facilidad de instalación de IOLITEi 3xMEMS-ACC se habilita mediante la conexión en cadena aprovechando la interfaz EtherCAT. Permite la comunicación con varios dispositivos incluso a distancias de dispositivo a dispositivo de hasta 100 m. Todos se pueden conectar a través de un solo cable CAT6 económico (ver figura 2) transfiriendo los datos, la energía y sincronizando los dispositivos hasta 1 us.

Los datos brutos adquiridos por los dispositivos se envían a una PC industrial, (DAU) donde se ejecuta el software de adquisición de datos DewesoftX, para su posterior procesamiento y análisis. El software proporciona una amplia gama de funciones matemáticas y de grabación activadas configurables. Los datos pueden enviarse en archivos por lotes a través de la red TCP / IP o transmitirse a través del protocolo OPC / UA a una sala del sistema de control o un servidor en la nube.

Se puede acceder a los datos, verlos y analizarlos en la PC del cliente. Puede almacenarse en la base de datos de series de tiempo, denominada Historian. Además, se puede servir a sistemas SCADA o software en la nube utilizando interfaces estándar como OPC / UA o REST API.

Conclusiones

Las condiciones del viento en alta mar (viento fuerte y estable) y, por lo tanto, mayores rendimientos de producción de energía eólica es un factor clave que impulsa el crecimiento de los parques de WT en alta mar. Sin embargo, para obtener un buen retorno de la inversión, las turbinas eólicas marinas deben operar con el menor tiempo de inactividad y, al mismo tiempo, mantener los costos de mantenimiento en el nivel más bajo posible.

La torre es el elemento estructural básico de las turbinas eólicas marinas. Mantenerlo en buen estado es de suma importancia para evitar tiempos de inactividad y, en el peor de los casos, una pérdida de la turbina. Las soluciones permanentes de monitoreo de la salud estructural se utilizan para vigilar la salud de las torres de turbinas.

La técnica SHM más ampliamente adoptada se basa en vibraciones (utilizando acelerómetros MEMS), también conocida como Análisis Modal Operacional (OMA). Esto puede ayudar a los operadores a comprender el estado de la torre, predecir posibles fallas y planificar acciones de mantenimiento rentables con mucha anticipación.