Gestione olistica delle centrali elettriche

Le crescenti pressioni economiche esercitate su costruttori e operatori degli impianti eolici hanno fatto sì che oggi i sistemi di monitoraggio delle condizioni strutturali ecc. per la misurazione dei carichi su pale, gondola motore, torre e fondamenta siano diventati quasi la norma. I sistemi con tecnologia di misurazione ibrida rappresentano un'interessante novità per gli utenti, in quanto combinano il meglio della tecnologia di misura "ottica" ed "elettrica”.

Con una potenza installata di quasi 450 Gigawatt in tutto il mondo, l’energia eolica è oggi molto diffusa. Tuttavia, nonostante il vento venga utilizzato come fonte di energia da migliaia di anni, la forma attuale di questa generazione di energia è ancora molto recente, tanto che molte domande relative al suo utilizzo economico e commerciale sono ancora senza risposta. Tra queste, la domanda più importante riguarda la durata di vita di un impianto di questo tipo, dal momento che mancano ancora molti dati empirici.

Nelle applicazioni offshore (ma non solo) gli impianti eolici sono esposti a forze fisiche, momenti torcenti e altri fattori di influenza di notevole intensità. Per riuscire a ottenere il miglior vantaggio economico possibile da un impianto eolico, questi fattori provocano inevitabilmente delle domande per operatori, investitori e sviluppatori di impianti eolici:

  • Esiste un modo per stimare la durata di vita di un impianto eolico?
  • Esiste un modo per controllare i requisiti in termini di componenti in maniera ottimale al fine di ridurre i tempi di inattività e massimizzare i risultati?
  • Esistono modi efficaci per garantire che gli operatori siano sempre informati riguardo alle condizioni attuali dell’impianto eolico di loro competenza?

La tecnologia di misura moderna che include sistemi di monitoraggio delle condizioni strutturali consente di ottenere dati migliori e più significativi rispetto a quelli disponibili in passato per rispondere a queste domande.

I sistemi di monitoraggio delle condizioni strutturali non possono certo predire il futuro, ma possono comunque renderlo per certi versi “misurabile” e “prevedibile”.

Che cosa bisogna realmente considerare in fase di installazione di un sistema di monitoraggio delle condizioni strutturali (SHM) all’interno di un impianto eolico? A questo punto, potremmo addentrarci in una lunga disquisizione su tecnologie e prodotti possibili. In realtà, questa dovrebbe essere la seconda domanda che ci si pone quando si prende in considerazione la possibilità di installare un sistema di questo tipo. Il punto più importante è un’analisi chiara dell’obiettivo: un sistema di monitoraggio delle condizioni strutturali può davvero aiutarmi a ottenere dati rilevanti per ottimizzare l’impatto economico di un impianto eolico?

Verso una visione olistica

I sistemi di monitoraggio delle condizioni strutturali vengono tradizionalmente utilizzati nella trasmissione degli impianti eolici. Si tratta di un approccio molto logico, ma bisogna tenere presente anche che questa zona posta proprio al centro dell’impianto eolico è soggetta a coppie e carichi intensi che devono essere analizzati molto attentamente.

Molti operatori di impianti eolici oggi convengono che questo approccio non è sufficiente e  cercano di ottenere una visione globale dell’impianto, sia per quanto riguarda la verifica della stabilità, il monitoraggio delle condizioni dopo fenomeni meteorologici intensi (ad esempio, temporali) o l’ottenimento di dati per la stima della durata di vita residua degli impianti eolici.

Per rispondere a queste domande, non è tuttavia sufficiente eseguire una misurazione sulla trasmissione: è necessario espandere i sistemi di misurazione alle torri, alle fondamenta e alle pale degli impianti eolici.

Ammortamento rapido dei costi di installazione grazie a tempi di inattività ridotti

Questa visione olistica è sempre più urgente per via delle richieste in termini economici relative agli impianti eolici. Per poter essere competitivi sul mercato, è necessario ridurre i costi di manutenzione degli impianti eolici, il che implica inevitabilmente una riduzione dei materiali utilizzati. Ciò che deve essere maggiormente ottimizzato a questo scopo riguarda la disponibilità di dati aggiornati sulle condizioni degli impianti eolici, per poter, ad esempio, evitare eventi catastrofici derivanti dalla rottura dei materiali sulle torri o nelle fondamenta.

Un sistema olistico di monitoraggio delle condizioni strutturali assolve perfettamente questo compito in quanto fa sì che gli utenti possano riconoscere i problemi in fase iniziale e risolverli quando i costi sono ancora ridotti. In questo modo è possibile pianificare e limitare i tempi di inattività. In altre parole: i costi ridotti sostenuti per l’installazione di un sistema di monitoraggio strutturale vengono ammortizzati immediatamente grazie alla riduzione dei tempi di inattività.

I componenti di un sistema di monitoraggio strutturale

Che aspetto hanno questi sistemi? Come tutti i sistemi di misurazione, un sistema di monitoraggio delle condizioni strutturali è costituito da tre componenti: il primo è il sensore, che è installato sui componenti dell’impianto eolico da monitorare. Si può trattare, ad esempio, di estensimetri per monitorare l’allungamento e le sollecitazioni nel materiale, oppure di sensori relativi ad altre grandezze di misura, come temperatura, forza, inclinazione, coppia. Questi sensori possono basarsi su una tecnologia di misurazione elettrica classica oppure sugli innovativi trasduttori con reticolo in fibra di Bragg. La scelta del sistema da utilizzare dipende dal tipo di applicazione.

L’elettronica di misura è il secondo componente del sistema di misurazione: l’amplificatore di misura e il registratore di dati che digitalizzano i dati di misura e li archiviano localmente senza soluzione di continuità. Nel caso dei sensori ottici, questi amplificatori sono chiamati “interrogatori”.

Infine, il terzo componente, che è quello decisivo per l’utente: il software. Qui vengono visualizzati i dati di misura ed è possibile inserire diversi calcoli e trigger in situazioni particolari. Questo aspetto è particolarmente importante per le operazioni di monitoraggio delle condizioni strutturali: i software di misurazione moderni infatti oggi non si limitano alla semplice visualizzazione e successiva elaborazione dei dati.

I software che si occupano di fatica e carico, come nCode GlyphWorks di HBM, permettono di effettuare previsioni e calcoli complessi relativi alla durata, anche basandosi sui dati CAD dell’impianto. Questo software viene già utilizzato in molte applicazioni relative agli impianti eolici.

Tecnologia di misura elettrica e ottica: due tecnologie potenti a confronto

Torniamo ora alle applicazioni standard delle tecnologie di misura. Come descritto in precedenza, per i sensori dei sistemi di monitoraggio delle condizioni strutturali sono disponibili due tecnologie diverse: la tecnologia di misura ottica e quella elettrica.

In particolare, la tecnologia di misura ottica basata sulla tecnologia in fibra di Bragg negli ultimi anni ha acquisito sempre maggiore importanza nell’ambito dei sistemi di monitoraggio per gli impianti eolici. Perché?

Come dice il nome stesso, i sensori ottici utilizzano la luce per misurare. Il sensore è costituito da onde guida ottiche in cui è incorporata una trama speciale, “il reticolo in fibra di Bragg” (FBG). A causa delle differenze presenti nelle onde ottiche trasmesse, è quindi possibile identificare le grandezze fisiche.

Queste idiosincrasie tecnologiche presentano numerosi vantaggi a favore dell’uso dei sensori in fibra di Bragg negli impianti eolici. I sensori ottici funzionano “passivamente”, ossia sono immuni ai fulmini. Sono estremamente resistenti alla fatica e consentono di misurare tratti molto lunghi e con un numero elevato di cicli di carico. Grazie alle caratteristiche di multiplexer (è possibile utilizzare molti sensori in un’unica guida d’onda ottica con un solo interrogatore come modulo di amplificazione), la quantità di cavi necessari è ridotta; inoltre, i sensori ottici consentono una trasmissione dei dati sicura eliminando quasi completamente la perdita di informazioni anche su cavi molto lunghi.

Come influiscono tutte queste caratteristiche positive sull’uso negli impianti eolici? La risposta è evidente: questi sensori sono la scelta ideale per le zone delle turbine eoliche che presentano tratti lunghi e un numero elevato di cicli di carico nelle quali la quantità di cavi necessari è ridotta al minimo. È il caso, ad esempio, delle misurazioni delle deformazioni delle pale degli impianti eolici in cui numerosi sensori di sollecitazione ottici possono essere installati in un unico cavo (multiplexing).

Il produttore di tecnologie di misura HBM Test & Measurement offre un’ampia gamma di interrogatori e sensori FBG ottici all’interno della linea di prodotti “HBM FiberSensing” (inclusi prodotti con sensori per la misurazione di deformazioni, inclinazioni, temperatura e altro). Il sistema completo “FiberSensing WindMETER” è particolarmente consigliato per gli operatori di impianti eolici: si tratta infatti di una soluzione globale affidabile sviluppata in particolare per il monitoraggio delle pale del rotore negli impianti eolici. Il sistema include un interrogatore ottico-elettrico a basso consumo per l’utilizzo in un’ampia gamma di temperature, oltre a un set di sensori di deformazione e temperature basati sul reticolo in fibra di Bragg (FBG).

Questo sistema innovativo offre energia permanente con uno standard di misura installato che consente l’auto-taratura automatica di tutti i dati di misura ogni 10 ms.

WindMETER può essere integrato in molte applicazioni diverse e supporta soluzioni quali controllo del passo, monitoraggio delle condizioni, valutazione del carico, convalida della costruzione delle pale del rotore, monitoraggio delle vibrazioni, rilevamento del ghiaccio. WindMETER può inoltre essere personalizzato per rispondere alle necessità specifiche della singola applicazione.

Sistemi ibridi: il meglio delle due tecnologie

Come abbiamo già detto, non si tratta solamente di monitorare le pale dell’impianto eolico, ma di considerare la sua stabilità a livello globale. Con la tecnologia di misura ottica, è possibile realizzare numerose misurazioni; tuttavia, l’uso di sistemi ibridi è possibile e, anzi, consigliata nei casi in cui viene utilizzata la tecnologia classica con sensori elettrici basata su estensimetri. Il suo utilizzo presenta diversi vantaggi, tra cui affidabilità, facilità di installazione e costi ridotti.

Vengono quindi utilizzati sistemi di monitoraggio delle condizioni strutturali ibridi nei quali si utilizza anche la tecnologia di misura elettrica. Questi sistemi sono adatti, ad esempio, per l’installazione su torri o fondamenta. HBM in genere offre un “kit di strumenti” elettrici basato su estensimetri SLB e sensori di forza KMR per questa zona.

Questi sensori possono essere installati molto facilmente nelle parti degli impianti eolici da monitorare e sono particolarmente adatti per essere utilizzati all’aperto.

Gli estensimetri SLB realizzati in acciaio inossidabile anti-ruggine possono essere installati ancora più facilmente rispetto agli estensimetri tradizionali. L’estensimetro SLB-700A viene utilizzato per monitorare le deformazioni sotto l’effetto di carichi statici o dinamici.

Le rondelle di forza KMR misurano le forze di compressione statiche e dinamiche e sono particolarmente indicate per il monitoraggio delle forze, ad esempio nei processi di produzione o nei collegamenti a vite. Grazie al grado di protezione IP67, è possibile effettuare misurazioni anche all’aria aperta.

Oltre a questi due sensori spesso utilizzati negli impianti eolici, HBM offre anche un’ampia gamma di sensori di altro tipo, oltre a centinaia di tipi di estensimetri, amplificatori di misura e registratori di dati con diversi gradi di precisione e caratteristiche di protezione.

Un sistema modulare per la soluzione migliore

L’applicazione di una soluzione di monitoraggio delle condizioni strutturali all’intera turbina eolica è un’operazione complessa, ma non impossibile. In particolare, è più semplice se ci si rivolge a un fornitore come HBM, che offre un’ampia gamma di soluzioni di tecnologia di misura lungo l’intera catena di misura e consente di realizzare un sistema modulare costituito da diversi sensori, amplificatori di misura e pacchetti software combinati in maniera ottimale per il compito di misura in questione. In sostanza, è l’obiettivo del monitoraggio che determina la tecnologia scelta, non viceversa.

In particolare, nel campo dell’energia eolica, molti clienti fanno affidamento sui servizi si installazione dei tecnici specializzati di HBM che sono in grado di operare anche offshore. HBM offre inoltre dei servizi aggiuntivi, come ad esempio la pesatura dell’intero impianto eolico.

Gli operatori degli impianti eolici quindi approfittano dell’esperienza completa offerta da HBM nell’ambito delle tecnologie di misura e della vasta esperienza applicativa nel campo dell’energia eolica. I sensori HBM, infatti, sono stati utilizzati già nel 1976 nello sviluppo del primo impianto eolico in Germania, il “GROWIAN”. A quell’epoca, nessuno poteva prevedere quali sarebbero stati i progressi dell’energia eolica, ma i risultati “made in HBM” costituiscono ancora oggi un termine di paragone affidabile per gli sviluppi tecnologici del settore.

PES - Power and Energy Solutions

Questo articolo è stato pubblicato sulla rivista PES - Power and Energy Solutions.

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