Gestión holística de parques eólicos

Los fabricantes y operadores de parques eólicos están sometidos a una presión económica creciente, que ha hecho que la monitorización de salud estructural se convierta casi en una obligación, con el fin de medir las cargas sobre palas, nacelles, torres y cimentaciones. Existe una clara tendencia hacia sistemas holísticos capaces de monitorizar la planta en su conjunto. En este sentido, los sistemas de medida híbridos —que combinan lo mejor de la tecnología “óptica” y “eléctrica”— ofrecen una nueva opción muy interesante para los usuarios.

Con una potencia mundial instalada cercana a los 450 gigavatios, se puede decir que la energía eólica ha dejado atrás su infancia. Pero, al mismo tiempo, aunque la fuerza del viento se ha empleado como fuente de energía durante miles de años, el uso que se le da actualmente para producir electricidad es todavía joven, y hay muchas preguntas todavía sin contestación acerca de sus usos tecnológicos y comerciales. Debido a la falta de datos empíricos, una de estas preguntas es “¿Qué vida útil puede llegar a tener un parque eólico?”.

Los parques eólicos marinos —y no solo los marinos— están expuestos a fuerzas físicas intensas, momentos de torsión y otras influencias intensas. Los operadores, inversores y desarrolladores buscan obtener el máximo beneficio económico posible de los parques eólicos e, inevitablemente, se hacen preguntas como estas:

  • ¿Hay alguna forma de estimar la vida útil de un parque eólico?
  • ¿Cómo se podrían optimizar las necesidades de repuestos, con el fin de reducir los tiempos de parada y maximizar el rendimiento?
  • ¿Hay formas eficientes de garantizar que los operadores estén informados en todo momento del estado actual de un parque eólico?

Los sistemas de monitorización de la salud estructural basados en tecnologías de medición modernas pueden proporcionar datos mucho más relevantes y valiosos para responder a esas preguntas.

Aunque la monitorización de la salud estructural no adivina el futuro, sí que puede hacerlo “medible” y “predecible” hasta cierto punto.

¿Qué hay que tener en cuenta exactamente a la hora de instalar sistemas de monitorización de la salud estructural (SHM) en los parques eólicos? Por supuesto, podemos hablar largo y tendido sobre tecnologías y posibles productos. No obstante, eso es lo segundo en lo que habría que pensar. Lo más importante, más que ninguna otra cosa, es establecer claramente el objetivo: ¿De verdad un sistema de monitorización de la salud estructural me puede proporcionar datos relevantes para optimizar la explotación económica de un parque eólico?

La tendencia hacia una visión holística

El enfoque “clásico” aboga por aplicar el sistema de monitorización de la salud estructural a la cadena cinemática del aerogenerador. Es un punto de partida lógico. Sin embargo, estos elementos tan centrales del parque eólico están sujetos a cargas y pares considerables, que conviene examinar con más detenimiento.

Tanto es así que muchos operadores de parques eólicos han llegado a la conclusión de que este planteamiento no basta. Más bien, les interesa tener una visión integral del parque, que les permita verificar su estabilidad, llevar un seguimiento de su estado después de sucesos meteorológicos severos (digamos una tormenta) y obtener datos con lo que estimar cuánta vida de servicio le queda a una instalación.

Todas estas incógnitas no se despejan con solo hacer mediciones en la cadena cinemática. Está claro que las medidas deben extenderse también a las torres, las cimentaciones y las palas de los aerogeneradores.

La reducción de tiempos de inactividad amortiza con rapidez los costes de instalación

Las exigencias económicas que se imponen a la energía eólica hacen que este enfoque holístico resulte aún más urgente. Por ejemplo, para que los parques eólicos resulten competitivos en el mercado, todavía hace falta rebajar los costes de fabricación, para lo cual no hay más solución que hacer recortes en los materiales empleados. Pero para optimizar en ese capítulo, es indispensable disponer de datos actualizados sobre el estado de los parques eólicos; por ejemplo, para evitar que aparezcan fisuras en los materiales de las torres o las cimentaciones que terminen en roturas catastróficas.

Un sistema holístico de monitorización de la salud estructural se amortiza por sí solo, porque permite a los usuarios detectar los problemas en su fase precoz y actuar mientras los costes son bajos. Por ejemplo, planificando y minimizando los tiempos de parada. En otras palabras: el coste de instalar un sistema de monitorización de la salud estructural es moderado y, como reduce la inactividad, se amortiza muy deprisa.

Componentes de un sistema de monitorización de salud estructural

¿En qué consisten estos sistemas en la práctica? Como cualquier otro sistema de medida, tienen tres componentes. El primero es el sensor, que se instala en los elementos del parque eólico que se desean monitorizar. Los sensores pueden ser galgas extensométricas para medir extensiones y esfuerzos en el material, o también sensores de medida de otras magnitudes, como temperatura, fuerza, inclinación o par. Esos sensores pueden basarse en tecnologías eléctricas clásicas o pueden ser innovadores transductores de red de Bragg en fibra óptica. El tipo de aplicación es lo que define cuál es el sistema más idóneo.

El segundo componente del sistema es la electrónica de medida; es decir, el amplificador de medida y el registrador de datos, que digitalizan los datos medidos y, si es posible, los almacenan localmente en continuo. En el caso de los sensores ópticos, estos amplificadores se denominan “interrogadores”.

Por último, el tercer componente —decisivo para el usuario— es el software. El software se encarga de representar (visualizar) los datos de medida, de efectuar distintos cálculos y de activar disparos cuando se producen circunstancias críticas. En el caso de las tareas de monitorización de la salud estructural, el software de medición moderno hace mucho más que mostrar y procesar los datos.

El software de carga y fatiga, como nCode GlyphWorks de HBM, es capaz de realizar complejas predicciones y cálculos de vida útil, en algunos casos a partir de los propios datos CAD de la instalación. Este software ya se encuentra en uso en muchas aplicaciones de parques eólicos.

Óptica y eléctrica: comparación de dos tecnologías con muchas posibilidades

Volvamos a las aplicaciones típicas de la tecnología de medida. Como ya hemos dicho, existen dos tecnologías distintas para los sensores de los sistemas de monitorización de salud estructural: la óptica y la eléctrica.

En los últimos años, la tecnología de medición óptica basada en tecnología de redes de Bragg en fibra ha ganado adeptos entre los sistemas de monitorización para parques eólicos. ¿A qué se debe?

Como su propio nombre indica, los sensores ópticos utilizan luz para medir. Este tipo de sensor tiene guías de ondas ópticas en las que se incorpora un patrón especial, una “red de Bragg insertada en la fibra” (FBG). Las diferencias en las ondas ópticas que se transmiten hacen posible identificar magnitudes físicas.

Las particularidades de esta tecnología hacen que el uso de sensores de red de Bragg en fibra en parques eólicos resulte muy interesante. En primer lugar, los sensores ópticos trabajan de forma “pasiva”, lo cual significa que son inmunes a los rayos. Presentan una alta resistencia a la fatiga y permiten medir durante intervalos de tiempo muy largos y con un alto número de ciclos de carga. Gracias a sus propiedades de multiplexación (se pueden insertar varios sensores en una misma guía de ondas óptica empleando un único interrogador como módulo amplificador) se reducen las necesidades de cableado. Por otro lado, los sensores ópticos son capaces de transmitir datos de forma segura a través de cables muy largos, prácticamente sin ninguna pérdida de información.

¿Por qué todas estas propiedades resultan interesantes para los parques eólicos? La respuesta es clara: son cualidades muy idóneas para los aerogeneradores, que presentan un alto número de ciclos de carga, periodos de funcionamiento muy largos y una necesidad evidente de minimizar el cableado. Por ejemplo, ese es el caso en las mediciones de deformación de las palas de los aerogeneradores: es posible instalar un gran número de sensores ópticos en un único cable (multiplexación).

HBM Test & Measurement ofrece un amplio catálogo de sensores FBG e interrogadores ópticos dentro de su gama “HBM FiberSensing”, que incluye productos para medir deformaciones, inclinación, temperatura y otros valores. El sistema completo “FiberSensing WindMETER” es una solución total, muy fiable, desarrollada especialmente para monitorizar las palas de los rotores de los parques eólicos, y se recomienda a los operadores de este tipo de instalaciones. El sistema consta de un interrogador optoelectrónico de bajo consumo adecuado para un amplio intervalo de temperaturas y de un juego de sensores de temperatura y deformación de red de Bragg en fibra óptica (FBG).

Este innovador sistema funciona en continuo y lleva incorporado un patrón que permite autocalibrar todos los datos medidos cada 10 ms.

WindMETER puede integrarse en aplicaciones muy variadas, e incluye soluciones para controlar el ángulo de paso de un aerogenerador (“pitch”) y su estado, para evaluar las cargas, validar la construcción de las palas del rotor, monitorizar vibraciones o detectar hielo. Asimismo, puede adaptarse a la medida de requisitos específicos

.

Sistemas híbridos: lo mejor de cada tecnología

Como ya hemos dicho, el objetivo no es llevar un seguimiento de las palas de los aerogeneradores, sino de la estabilidad en su conjunto. Muchas de las mediciones pueden hacerse empleando tecnología de medida óptica; si embargo, también es posible —y muy sensato— utilizar sistemas híbridos, con tecnología “clásica” de sensores eléctricos de galgas extensométricas. Ventajas: alta fiabilidad, instalación más sencilla y costes más reducidos.

Es decir, que también existen sistemas de monitorización de la salud estructural híbridos, en los que se emplea tecnología de medición eléctrica. Estos sistemas resultan adecuados, por ejemplo, para instalarlos en torres y cimentaciones. HBM suele ofrecer un “maletín de herramientas eléctricas”, consistente en galgas extensométricas SLB y sensores de fuerza KMR.

Estos sensores pueden instalarse muy fácilmente en los puntos del parque eólico que interese monitorizar y son ideales para uso a la intemperie.

Las galgas extensométricas SLB en acero inoxidable resistente a la corrosión son todavía más fáciles de instalar que las galgas convencionales. El modelo SLB-700A se emplea para medir deformaciones en presencia de cargas estáticas o dinámicas.

Los anillos de medida de fuerzas KMR miden fuerzas de compresión estáticas y dinámicas y son muy adecuados para llevar un seguimiento de las fuerzas, por ejemplo en procesos de producción o en conexiones roscadas. Además, tienen un grado de protección IP67, que permite medir con ellas al aire libre.

Aparte de estos dos sensores que, con frecuencia, se usan en parques eólicos, HBM también dispone de muchos otros elementos, así como de un catálogo de centenares de tipos de galgas extensométricas, amplificadores de medida y registradores de datos, con distintos grados de precisión y propiedades de protección.

Un sistema modular para implantar la solución más adecuada

Implantar una solución de monitorización de la salud estructural que abarque todo el aerogenerador es una tarea compleja, pero desde luego no imposible. Sobre todo, es más fácil si se cuenta con la ayuda alguien como HBM, un proveedor que cubre todo el espectro de soluciones de tecnología de medida y toda la cadena de medición. HBM puede proporcionar un sistema modular, compuesto por distintos sensores, amplificadores de medida y paquetes de software, adaptado de forma óptima a la tarea de medición en cuestión. Al fin y al cabo, es el objetivo de monitorización lo que determina la tecnología elegida, no al revés.

En concreto, en el campo de la energía eólica, muchos clientes recurren a los servicios de instalación de los especialistas técnicos de HBM, que se desplazan incluso a instalaciones marinas. También se prestan servicios complementarios, como el pesaje de parques eólicos completos.

De este modo, los operadores de parques eólicos se benefician de la gran experiencia en tecnología de medida de HBM, y de su profundo conocimiento de las aplicaciones del campo eólico. Y es que los sensores de HBM ya se utilizaron en el desarrollo de los primeros aerogeneradores alemanes, los “GROWIAN”, allá por 1976. En aquellos tiempos, nadie podía predecir el increíble desarrollo que después ha conocido la energía eólica. Sin embargo, los resultados “made by HBM” siguen siendo una referencia fiable para la evolución tecnológica del sector.

PES - Power and Energy Solutions

Este artículo fue publicado en “PES - Power and Energy Solutions”.

Descargar el artículo completo en pdf aquí.

Productos relacionados

Sensores de fibra óptica
HBM FiberSensing ofrece un amplio catálogo de sensores e interrogadores ópticos de red de Bragg en fibra (FBG) para aplicaciones de monitorización, medición y pruebas.
Sistema WindMETER
WindMETER es un sistema de monitorización de palas de aerogeneradores que combina sensores ópticos de deformación y temperatura con un interrogador óptico.

Le recomendamos...