Monitoraggio delle turbine eoliche offshore con accelerometri MEMS e OMA

Le Turbine Eoliche Offshore possono fornire grandi quantità di energia eolica pulita e rinnovabile. Per sfruttare sempre meglio la forza dei venti e produrre più energia, le turbine eoliche stanno diventando più grandi e, di conseguenza, più costose. Le turbine eoliche possono essere installate in zone remote e di difficile accesso. Spesso si trovano in ambienti difficili come acqua salata, elevata umidità, forti venti… Per questo è fondamentale monitorare costantemente le loro prestazioni ed eseguire la manutenzione predittiva per ottenere i ritorni attesi sull'investimento.

Metodi e Materiali

Le torri delle turbine eoliche sono prevalentemente realizzate in acciaio, cemento armato o con l’utilizzo di tralicci. Le torri delle turbine eoliche offshore sono esposte a carichi esterni elevati che influiscono sulla struttura.

Ciò si traduce in quello che è noto come degrado strutturale. Ciò si traduce in modifiche ai materiali e/o alle proprietà geometriche. Il deterioramento può essere il risultato di una cattiva progettazione, errata costruzione, incidenti, ambienti difficili, processi di invecchiamento o qualsiasi combinazione di questi fattori.

Raramente si verificano guasti o problemi alle torri delle turbine eoliche. Ma quando questo accade comporta costi elevati per le riparazioni. Poi, nel caso in cui le torri collassano del tutto, i danni sono ancora peggiori. Si arriva anche alla perdita completa della turbina eolica.
E’ per questo che molti parchi eolici offshore applicano soluzioni per il monitoraggio continuo della salute strutturale sulle torri. In alcuni paesi sta addirittura diventando obbligatorio.

Analisi Modale e Analisi Modale Operativa

Esistono diverse tecniche e metodi per eseguire il monitoraggio della salute strutturale. Tuttavia, la più utilizzata è la tecnica basata sulle vibrazioni, nota anche come Analisi Modale Operativa (OMA).

L' Analisi Modale è vitale per comprendere e ottimizzare il comportamento dinamico intrinseco delle strutture. Nelle strutture, quasi tutti i problemi di vibrazione si riferiscono a debolezze strutturali associate al comportamento di risonanza: le frequenze naturali sono eccitate dalle forze operative.

In molte strutture di ingegneria civile e meccanica, è difficile applicare l'eccitazione utilizzando un martello o uno shaker. Questo a causa della loro dimensione fisica, forma o posizione. Tali strutture sono soggette a forze ambientali come onde, vento o traffico. Questi agenti naturali non possono essere facilmente controllati o correttamente misurati. Ci sono tuttavia dei casi in cui è preferibile utilizzare questi tipi di eccitazione naturale della struttura in condizioni operative e contesti reali per determinare le proprietà modali. 

L' Analisi Modale Operativa (OMA) si basa sulla misura delle risposte delle strutture in condizioni operative effettive per un'accurata identificazione modale. Questo comprende tutti quei casi in cui è difficile o impossibile controllare un'eccitazione artificiale.

Il comportamento dinamico completo di una struttura può essere visto come un insieme di modi di vibrazione individuali. Ognuno ha una frequenza naturale caratteristica, uno smorzamento e una forma modale. 

Le proprietà dinamiche nel dominio della frequenza possono essere utilizzate per modellare la struttura. Tali proprietà determinano le caratteristiche modali di una struttura. Le caratteristiche modali comprendono le frequenze specifiche della struttura con le relative forme di smorzamento e modali.

I modi di vibrazione della struttura forniscono informazioni sul moto relativo degli elementi che compongono la struttura quando è sollecitata ad una particolare frequenza. Se la struttura è soggetta a un'azione che eccita più di una frequenza, la vibrazione della struttura sarà una combinazione lineare dei modi propri eccitati.

La conoscenza dei parametri modali permette di predire la risposta della struttura in funzione dell'eccitazione esterna. Problemi a risonanze specifiche possono essere analizzati e successivamente risolti.

I parametri modali costituiscono quindi una sorta di "carta d'identità" dinamica della struttura che può essere utilizzata per:

• la validazione dei modelli di calcolo

• la loro calibrazione o 

• scopi diagnostici

E quindi fornire un punto di partenza per il sistema di monitoraggio a lungo termine delle condizioni strutturali.

Monitoraggio della Salute Strutturale (SHM)

La determinazione dei parametri dinamici consente di verificare la persistenza delle condizioni strutturali con riferimento ad un preciso istante di tempo T0. In genere, l’istante T0 per le nuove torri per turbine eoliche, può essere preso al momento dell'installazione o della messa in servizio.

Utilizzando nuove soluzioni di monitoraggio della salute, i dati vengono registrati di continuo dal sistema. I dati di periodi diversi possono essere confrontati e ciò consente, per esempio, di valutare gli effetti di un forte temporale sulle proprietà dinamiche della struttura. Questi dati consentono anche di valutare i risultati ottenuti da interventi riabilitativi dopo i lavori di riparazione. 

Strumenti per il Monitoraggio

Le torri delle turbine eoliche stanno diventando sempre più grandi e oggi possono superare anche i 250 m di altezza. Per avere una buona panoramica delle condizioni della torre, è possibile installare strumenti per il monitoraggio delle vibrazioni. I livelli di vibrazione devono essere misurati in punti diversi utilizzando il metodo OMA. Poiché le frequenze di interesse sono quelle basse in tutte e tre le direzioni (verticale, longitudinale e laterale), gli accelerometri MEMS sono adatti per il monitoraggio della salute strutturale delle turbine eoliche.

L'IOLITEi 3xMEMS-AC Dewesoftè un accelerometro triassiale con uscita digitale (bus EtherCAT) - figura 1. Le sue caratteristiche comprendono: densità di rumore spettrale di 25 µg/√Hz e rumore residuo di 100 µg nel range dinamico di 50 Hz, risposta lineare dalla DC (0Hz) a 400 Hz e gamma dinamica di 96 dB. L’IOLITEi 3xMEMS-AC viene utilizzato in molte applicazioni SHM per monitorare l'accelerazione, la velocità e lo spostamento e come input per software di analisi modale operativo di terze parti. Inoltre può essere utilizzato anche come inclinometro statico biassiale.

La facilità di installazione dell’ IOLITEi 3xMEMS-ACC è resa possibile dal collegamento daisy-chain sfruttando l'interfaccia EtherCAT. Questo consente la comunicazione con più dispositivi distanti tra loro fino a 100m. Tutti i dispositivi possono essere collegati tramite  cavo CAT6 (vedi figura 2) per il trasferimento dati, l'alimentazione e la sincronizzazione dei device.

I dati grezzi acquisiti dai dispositivi vengono inviati a un PC industriale, (DAU) su cui è in esecuzione il software di acquisizione dati DewesoftX, per un’ulteriore elaborazione e analisi. Il software fornisce un'ampia gamma di registrazioni configurabili e funzioni matematiche. I dati possono essere inviati in file batch sulla rete TCP/IP o trasmessi tramite protocollo OPC/UA a una sala di controllo o a un server cloud.

È possibile accedere, visualizzare e analizzare i dati sul PC del cliente. Questi possono essere memorizzati nel time-series database, denominato Historian. Inoltre, possono essere messe a disposizione di sistemi SCADA o software cloud utilizzando interfacce standard come OPC/UA o REST API.

Conclusioni

Il vento offshore - vento forte e stabile - offre maggiori garanzie per la produzione di energia eolica. Questi sono i fattori chiave che guidano la crescita dei parchi WT offshore. Tuttavia, per ottenere un buon ROI (Return of Investment), le turbine eoliche offshore devono operare con il minor tempo di inattività possibile mantenendo bassi i costi di manutenzione.

Le torri sono l'elemento strutturale di base delle turbine eoliche offshore. Mantenerle in buone condizioni è di fondamentale importanza per evitare tempi di fermo e/o danni irreparabili alla turbina. Per tenere d'occhio lo stato di salute delle torri vengono utilizzate soluzioni di monitoraggio permanente.

La tecnica di SHM più diffusa è basata sulle vibrazioni (utilizzando accelerometri MEMS), nota anche come analisi modale operativa (OMA). Questa tecnica può aiutare gli operatori a comprendere le condizioni della torre, prevedere potenziali guasti e pianificare con largo anticipo azioni di manutenzione.