Il potenziale dei sensori in fibra ottica per i CMS degli impianti eolici

 

I sistemi di monitoraggio delle condizioni (CMS) sono progettati per garantire un’efficienza a lungo termine degli impianti eolici. In futuro si occuperanno anche del monitoraggio di importanti componenti, quali le pale del rotore, le torrette e le fondamenta. L’attenzione si sta spostando verso la tecnologia ottica dei sensori come alternativa alla tecnologia elettrica.

Il monitoraggio strutturale e delle condizioni su edifici quali ponti e palazzi è oggetto di ricerca e sviluppo già da tempo. HBM è specializzata nell’analisi sperimentale delle sollecitazioni da oltre 6 decenni, con soluzioni precise per svolgere questa mansione nell'intera catena di misura. Sono numerosi i risultati delle analisi già pubblicati su questo argomento. [1], [2], [3]

CMS per una manutenzione preventiva

Lo scopo dei sistemi di monitoraggio delle condizioni (CMS) negli impianti eolici (WPP) è garantire un’efficienza a lungo termine dell’impianto. Consentono agli operatori di praticare una "manutenzione preventiva," basata in primo luogo sulla cronologia dei carichi effettivamente applicati. Questo tipo di CMS è obbligatorio per i sistemi eolici offshore dal 2005 secondo la Linea guida GL Offshore [4], ma inizialmente è necessario soltanto per la trasmissione. I vari enti certificatori (ad es. DNV GL Renewables Certification) e altri gruppi di esperti mirano a espandere CMS per monitorare altri componenti importanti nei sistemi eolici in futuro. Sono compresi pale del rotore, torrette e fondazioni, per esempio. [5]; [6]

L’attenzione si sta spostando verso la tecnologia ottica dei sensori come alternativa alla tecnologia elettrica. La tecnologia ottica per sensori presenta numerosi vantaggi già sfruttati in gran parte per affermare questo tipo di approccio in gran misura:

  • L'elevata stabilità con carichi alternati di sensori a fibra ottica fornisce una lunga durata di funzionamento (questione rilevante: elevate sollecitazioni). [7]
  • Non ci sono problemi con i fulmini quindi nessun pericolo di distruggere la tecnologia di misura e l’elettronica.
  • Nessuna interferenza CEM (interferenza del segnale elettromagnetico e loop di terra, ecc.).
  • Il vantaggio del cavo in fibra ottica rispetto ai cavi di collegamento in rame riduce i costi e il materiale accessorio, oltre a ridurre il peso.

Incremento significativo del contenuto di informazioni

Grazie a questi vantaggi, l'uso di fibre ottiche consente di installare in modo distribuito i sensori sulle pale, aumentando così significativamente il contenuto di informazioni. Ciò è reso possibile principalmente dalla capacità multiplexing dell'acquisizione dei segnali e della posa delle linee ottiche. Si possono creare anche soluzioni ibride, con l'idonea combinazione di sensori in fibra ottica ed elettrici. Questi sistemi sono in grado di rilevare molto rapidamente i cambiamenti. [8]

In molti casi vengono utilizzati gli estensimetri per monitorare le zone cruciali come le torri e le fondamenta (parametri strutturali dinamici e monitoraggio della matrice di rigidità). Tuttavia, nei sistemi di energia eolica offshore, i sensori devono resistere ad un'ampia gamma di svariati effetti di interferenze dovuti all'ambiente marino, richiedendo una particolare attenzione nella progettazione della loro installazione e nella corrispondente complessità tecnica. [9]

Resistenza all'umidità

Per la tecnologia ottica, contrariamente a quella basata sulla resistenza elettrica, l'intero complesso di effetti delle interferenze causati dall'umidità, non ha alcuna rilevanza. La OptiMet by HBM, tecnologia a griglia ottica offerta dalla HBM, è disponibile in forma di fibra rivestita (OptiMet PKF con fibre a griglia di Bragg multiple in una catena). [10]

Il costo per canale di misura nel sistema con sensori a fibre ottiche diminuisce all'aumentare del numero di sensori collegati. È possibile disporre numerose griglie di Bragg una dopo l'altra nella catena di fibre ottiche (tipicamente da 8 a 13). Nel contempo ciò riduce l'impegno del cablaggio in confronto agli estensimetri elettrici di un corrispondente fattore e lo strumento di analisi (interrogatore) viene utilizzato in modo ancor più conveniente.

Il potenziale dei sensori a fibra ottica ha il suo massimo effetto dalla prospettiva di un approccio olistico. Ciò rende le soluzioni ottiche un metodo accattivante, con un futuro promettente e notevoli possibilità di espansione. 

Riferimenti:

[1] Henke, V. "Monitoring the Reichenbach and Albrechtsgraben viaducts"; RAM; Reports in applied measurement, No. 1/2007; pages 10-20, Darmstadt, 2007

[2] Liebig, J. P.; Menze, O.: "Keeping an eye on the effects of heavy goods traffic: long-term monitoring of a prestressed concrete bridge," HBM application report 10/2009, Darmstadt, 2009

[3] Gommola, G.; "Are our bridges safe? bridge monitoring with measurement technology from HBM," pp. 22-23; HBM customer magazine "hotline" issue 1/2012

[4] Germanischer Lloyd: Guideline for the Certification of Offshore Wind Turbines, 2005

[5] Steingröver, K.; et al. "Condition Monitoring Systems for Wind Turbines: Current status and outlook on future developments from the perspective of certification"; VDI report on "Vibrations in wind turbines," Bremen, 2010

[6] Steingröver, K.; et al. "CMS für Windenergieanlagen aus Sicht der Zertifizierer" [CMS for wind energy systems from the point of view of the certifier] "ECONOMIC ENGINEERING" Journal, issue 5/2012, Göller Publishing house, Baden-Baden

[7] Frieling, G.; Walther, F.: Tensile and fatigue properties of Fiber-Bragg-Grating (FBG) Sensors. In: Sensors & Transducers Journal 154 (2013), No. 7, p. 143-148

[8] Zerbst, S.; Knops, M.; Haase, K.-H.; Rolfes, R.: "Schadensfrüherkennung an Rotorblättern von Windkraftanlagen" [Early detection of damage on rotor blades of wind power plants], Lightweight Design issue 2010-04, Vieweg +Teubner, Wiesbaden

[9] Haase, K.-H.: Underwater application of strain gauges, UK Environmental, 2004.

[10] HBM [online]. www.hbm.com, 2014. OptiMet by HBM

(jv)

* Dr. Karl-Heinz Haase, Product and Application Manager Optical Technology & Asset Monitoring; Dr. André Schäfer, Product and Application Manager Calibration/Wind Energy; Hottinger Baldwin Messtechnik GmbH

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