Gestion holistique des éoliennes

Avec la pression économique exercée sur les fabricants et les exploitants d’éoliennes et la demande croissante de systèmes de surveillance de santé structurale il est devenu normale de faire des mesures sur les pâles, les nacelles, les tours et les fondations des éoliennes. La tendance est clairement tournée vers des systèmes holistiques pour surveiller l'éolienne dans son ensemble. Les systèmes de mesure hybrides présentent une nouvelle option intéressante pour des utilisateurs, en effet ils combinent à la fois le meilleur des deux technologies existantes aujourd’hui « optique » et « électrique ».

Avec une puissance produite de presque 450 Gigawatts dans le mondial, l'énergie éolienne n'est plus une enfant. Et bien que cette source d’énergie est -être utilisée pour les milliers d'années à venir, la forme actuelle de cette production d'électricité est encore jeune et de nombreuses questions restent jusqu'ici sans réponse quant à son exploitation  technologique et commerciale. Cela concerne également la question de la durée de vie d’une éolienne car aujourd’hui il manque toujours des données empiriques sur le sujet.

Il n’y a pas uniquement dans les installations offshores que les éoliennes subissent d’importantes contraintes, celles sur terre sont aussi exposées à de fortes forces physiques, à des moments de torsion et à bien d’autres influences. Sur le plan économique d’un champ éolien, ces circonstances soulèvent inévitablement des questions auprès des opérateurs, des investisseurs et des constructeurs d’installations d’éoliennes :

  • Existe-t-il une façon d'estimer la durée de vie d'une éolienne ?
  • Existe-t-il des moyens pour déterminer les conditions optimales pour envisager les pièces de rechange et réduire alors les temps d’arrêt et d’améliorer le rendement ?
  • Quelles sont les manières possibles et efficaces pour rassurer les opérateurs. Sont-ils toujours informés de l'état permanent de leurs éoliennes ?

Un appareil de mesure moderne intégrée dans les systèmes de surveillance de la santé structurale peut les aider à obtenir des données importantes et significatives pour répondre à ces questions qu'il n’a jamais été possible auparavant.

Bien que ces systèmes de surveillance ne puissent pas prédire le futur, ils peuvent le rendre « mesurable » et « prévisible » dans une certaine mesure.

Que doit-on considérer exactement lorsque l’on veut installer des systèmes de surveillance de  santé structurelle ? Sur ce point,  nous pourrions entrer dans un long débat sur les solutions technologies et les produits possibles. En réalité cette question devrait venir en second quand on réfléchit à installer un tel système. En fait le point le plus important de tous est clairement : Le système de surveillance de santé structurelle peut-il vraiment m'aider à obtenir des données appropriées pour atteindre une utilisation économique optimale de mon éolienne ?

 

La tendance va vers une approche holistique

« Classiquement », les systèmes de surveillance de santé structurelle sont utilisés dans la boîte de vitesse des éoliennes. C'est également une approche logique de commencer par : les couples et les charges considérables qui se produisent dans cette zone centrale au coeur même de l'éolienne doivent être étudiés très soigneusement.

Beaucoup d'exploitants d'installations éoliennes ont donc reconnus que cette approche ne suffisait pas. Ils visent une vue plus large pour leurs installations, par exemple la vérification de la stabilité, la surveillance des conditions de fonctionnement après des événements climatiques grave (comme des orages) ou l’obtention de données essentielles pour pouvoir  évaluer la durée de vie restante des éoliennes installées.

En fait, il n’est pas possible de répondre simplement à ces critères à l’aide d’une mesure uniquement sur la boîte de vitesse, il faut donc étendre les systèmes de mesure sur les tours, les fondations et les pâles des éoliennes.

Amortissement rapide des installations grâce à la réduction importante des temps d’arrêt

Cette vue holistique devient toujours plus pressante étant donné les demandes économiques  faites sur l'énergie éolienne. Pour rester concurrentiel sur le marché, le coût de fabrication des éoliennes ne doivent pas être considérable. Cela passe inévitablement par des réductions des matières employées. Mais pour optimiser plus, il faut aussi avoir plus de données sur l'état de fonctionnement des éoliennes et les tenir à jour, afin d'éviter des dommages possibles sur la tour ou les fondations de l’éolienne qui pourraient entraîner des catastrophes.

Un système de surveillance de santé structurelle holistique est réellement intéressant sur le plan financier car les utilisateurs peuvent identifier des problèmes sur une des parties de l’éolienne et agir immédiatement avant que les dégâts ne soient trop importants et les coûts de remise en états trop élevés. Pour la maintenance les temps d’arrêt peuvent être planifiés et leur nombre réduit. En d'autres termes, les coûts investis dans l'installation d'un système de surveillance de santé peuvent être rapidement amortis simplement par cette réduction des temps d’arrêt.

Composants d'un système de surveillance de santé structurelle

A quoi ressemblent ces systèmes dans la pratique ? Comme tout système de mesure, le système surveillance de santé se compose de trois éléments. Le premier concerne les capteurs qui sont installés sur les différentes parties de l’éolienne à surveiller. Ces capteurs peuvent être des jauges de contrainte destinées à déterminer les déformations du matériaux et les charges sur le composant ou des capteurs pour mesurer d’autres grandeurs, comme une température, une force, une inclinaison ou un couple. Les capteurs ou jauges peuvent très bien travailler sur le principe des jauges résistives (électriques) ou sur la technologie plus récente de la fibre optique en réseaux de Bragg. Le type de l’application et son environnement permet de choisir la meilleure solution.

Le second élément de la chaine de mesure se rapporte à l’électronique : système d’acquisition ou enregistreur de données qui permettent de numériser les signaux des capteurs et de les sauvegarder localement en continu. Pour les capteurs et jauges optiques nous parlons plutôt d’"interrogateurs”.

Et pour finir le troisième élément à savoir le logiciel qui est vraiment décisif pour l’utilisateur puisqu’il permet de paramétrer l’ensemble et visualiser toutes les données acquises. Il autorise aussi divers calculs ou de régler des consignes de déclenchement lorsque des circonstances critiques sont atteintes. Le logiciel est également un centre d'intérêt majeur pour les opérations de surveillance de santé structurelle : il va maintenant bien au-delà en effet il est possible  de visualiser et traiter les données en post traitement.

Avec le logiciel de fatigue HBM nCode GlyphWorks, il vous est possible de faire des prédictions de durée de vie et des calculs complexes, parfois à partir de données DAO. Ce logiciel fonctionne déjà dans de très nombreuses applications avec des éoliennes.

Technologies électrique et optique : Comparaison de ces deux technologies puissantes

Retour sur les applications types concernant ces technologies de mesure. Comme indiqué précédemment, il existe deux technologies différentes mais complémentaires pour les capteurs dédiés à la surveillance de santé : l’optique et l’électrique.

Ces dernières années, la technologie optique construite sur le principe des réseaux de Bragg (FBG) s’est développée et gagne du terrain dans le secteur de l’éolien. Pourquoi cela ?

Comme son nom l’indique, les capteurs optiques utilisent la lumière pour faire les mesures. Le capteur se compose de longueurs d’onde avec chacune une empreinte spécifique, la « Fiber Bragg Grid » (FBG). En raison des longueurs d’onde différentes transmises, il est ainsi possible d'identifier les grandeurs physiques.

Ces technologiques idiosyncrasies présentent plusieurs avantages pour l'usage des capteurs à réseaux de Bragg sur les éoliennes. Les capteurs optiques travaillent « passivement », ce qui  signifie qu'ils sont immunisés contre la foudre. Ils résistent fortement aux signes de fatigue, supportent un nombre élevé de cycles de charge et permettent aussi des mesures sur de longues distances. En utilisant un multiplexeur, il est possible de raccorder plusieurs capteurs sur une même entrée de l’interrogateur. La solution optique permet de réduire le câblage nécessaire et la transmission des mesures se fait sans aucune perte de l'information même sur de très longues lignes de fibre.

Que signifient pour vous toutes ces belles propriétés en termes d’utilisation sur les éoliennes ? La réponse est claire : la technologie optique est prédestinée aux mesures sur les éoliennes pour lesquelles le nombre de cycles de charge est très élevé et les longueurs entre points de mesure et les appareils souvent très longues. Par exemple, c'est le cas pour les mesures de déformation des pales d’éolienne où un bon nombre de jauges de contrainte optique peuvent être installées avec juste une ligne de fibre optique (avec multiplexage).

La société HBM Test & Measurement offre une large gamme de jauges et capteurs optiques (FBG) et les interrogateurs fabriqués par « HBM FiberSensing ». Dans cette gamme de produits on retrouve des jauges de contrainte optiques, des capteurs de température, des inclinomètres … Le système complet “FiberSensing WindMETER” est particulièrement destiné aux mesures sur les éoliennes : c'est la solution de mesure complète conçue pour  surveiller les pales de rotor des éoliennes. Le système comporte un interrogateur opto électrique basse consommation dans une large plage de température et un ensemble de FBG pour la mesure de contrainte et de température.

Ce système innovant constitue une installation puissante permanente qui permet un auto-calibrage automatique de toutes les mesures toute les chaque 10 ms.

WindMETER peut être utilisé dans de très nombreuses applications différentes : la conception, la surveillance en fonctionnement, l'évaluation de charges, la validation de la construction des pales, surveillance des vibrations, la détection de présence de glace. Dans tous les cas, WindMETER peut toujours être adapté aux conditions et besoins du client.

 

Solutions hybrides : Le meilleur des deux mondes

Comme nous l’avons déjà expliqué ce n’est pas seulement la surveillance des pales qui est doit être pris en compte sur une éolienne. C’est tout l’ensemble de l’éolienne qui doit être testé, analysé et surveillé. Bien sûr, beaucoup de mesures peuvent être effectuées avec la technologie optique, mais l'utilisation d’une solution hybride est fort possible ici en y associant les jauges électriques classiques. Sur certaines parties ou éléments il peut être plus avantageux de  les utiliser pour leur grande fiabilité, leur installation plus simple et leurs  coûts inférieurs.

Ainsi, en surveillance de santé structurelle la technologie électrique est également employée, par exemple, sur les mâts et les fondations des éoliennes. En pratique, HBM propose un kit électrique » composé d’extensomètres SLB et de capteur de force KMR pour cela.

Ces capteurs peuvent être installés très facilement dans les différentes parties concernées et fonctionnent parfaitement en extérieure.

Les extensomètres SLB en acier inoxydable peuvent être installés plus facilement que les jauges de contrainte conventionnelles. Le SLB-700A est employé pour surveiller les déformations sous charges statiques et dynamiques.

Les rondelles de force KMR mesurent les forces de compression en statique et dynamique et sont particulièrement adaptées à la surveillance des efforts, par exemple lors des processus de fabrication ou de fixation avec vis. Avec un degré de protection IP67, ils peuvent être montés en plein air.

En plus de ces deux capteurs, HBM propose aussi une large gamme de jauges de contrainte, d’autres capteurs et les amplificateurs de mesure et enregistreurs de données avec divers niveaux de précision, de propriétés métrologiques et degrés de protection.

Système modulaire pour une solution appropriée

La surveillance de santé structurelle d’une éolienne entière est une tâche complexe mais pas du tout impossible. C’est d’autant plus vrai avec les solutions de mesure HBM qui propose l’ensemble de la chaine de mesure complètement modulaire avec des jauges et des capteurs de technologies différentes, des amplificateurs ou systèmes d’acquisition de données configurables et les logiciels associés. Vous optimiserez ainsi vos mesures et la surveillance de vos structures tout en gardant bien à l’esprit que c’est votre application ou type de surveillance qui détermine le choix de la technologie et des appareils mais pas l’inverse.

Dans le domaine de l'énergie éolienne, beaucoup de clients font déjà confiance aux prestations de services proposées et réalisées par les techniciens HBM, que l’éolienne soit installée sur terre ou en pleine mer. HBM propose également la chaine de mesure pour le pesage de l’éolienne entière.

Les opérateurs et utilisateurs peuvent compter sur l'expertise HBM acquise depuis de nombreuses années dans le domaine d’application des éoliennes. Les jauges HBM ont été employées dès 1976 dans le développement des premières éoliennes allemandes  avec le projet « GROWIAN ». À cette époque, personne n'aurait pu prévoir la triomphante avancée de l'énergie éolienne, mais les résultats de mesure « relevés par HBM » ont participé quelque peu aux développements des technologiques du secteur éolien.

PES – Power and Energy Solution

Cet article a été publié dans PES – Power and Energy Solution

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Produits concernés

Jauges de contrainte
HBM propose une très large gamme de jauges de contrainte électriques et optiques pour l'analyse des contraintes et la fabrication des capteurs.
Capteurs Fibre Optique
HBM propose une large gamme de capteurs à fibre à réseau de Bragg (FBG) et d'interrogateurs optiques. Découvrez les nombreux avantages de cette technologie
nCode Logiciels d'analyse (nCode)
Les logiciels HBM permettent d'analyser tous les résultats d'essais de fatigue, de durabilité et test de simulation.
WindMETER
WindMETER est un système de surveillance avancé d'éoliennes, intégrant à la fois des capteurs de contrainte et de température dans une même fibre.