Gestão Holística de Usinas

Com a crescente pressão econômica sobre os fabricantes e operadores de geradores eólicos, sistemas de monitoramento estrutural para medição de cargas nas pás, nacelles, torres e fundações tornaram-se praticamente um padrão. Claramente existe uma tendência de sistemas holísticos para o monitoramento da usina como um todo. Sistemas híbridos de medição apresentam uma nova e interessante opção para usuários aqui: eles combinam o melhor da tecnologia de medição ótica e elétrica.

Com quase 450 Gigawatts de potência instalada em todo o mundo, a energia eólica já não está mais no estágio inicial. Embora a energia eólica tenha sido usada como fonte de energia por milhares de anos, o formato atual de geração deste tipo de energia ainda é jovem e ainda há muitas perguntas sem respostas sobre seu uso tecnológico e comercial. Isso também inclui a questão sobre a vida útil de uma usina, uma vez que ainda faltam muitos dados empíricos.

(Não apenas) No mercado offshore os geradores eólicos são expostos à grandes forças físicas, momentos de torção e outras influências. Para serem capazes de obter o melhor benefício financeiro de uma usina eólica, estas circunstâncias, inevitavelmente levantam questões para os operadores, investidores e desenvolvedores:

  • Existe uma maneira de estimar o tempo de serviço de uma usina eólica?
  • Existem meios mais eficazes de controlar a necessidade de reposição de peças, de forma a reduzir tempo de paradas e maximizar a produção?
  • Existem maneiras eficientes de garantir que os operadores estejam sempre informados sobre o estado atual de suas usinas eólicas?

Modernas tecnologias de medição com sistemas de monitoramento estrutural podem ajudar na obtenção de dados melhores e mais significativos, respondendo a estas perguntas como nunca foi possível antes.

Embora os sistemas de monitoramento estrutural não possam prever o futuro, eles podem de forma “mensurável” e “previsível” chegar até um determinado ponto.

O que, exatamente, deve ser considerado quando se instala sistemas de monitoramento estrutural em usinas eólicas? Neste ponto, podemos detalhar as tecnologias e possíveis equipamentos. Na verdade, isso deveria ser a segunda pergunta quando se pensar em instalar um sistema deste tipo. Uma consideração clara do objetivo é mais importante que todos os outros pontos: O monitoramento estrutural pode realmente me ajudar a obter dados relevantes para o uso otimizado da usina eólica?

Tendência para uma visão holística

"Classicamente", sistemas de monitoramento estrutural são usados no sistema de transmissão de geradores eólicos. Para começar, esta também é uma abordagem lógica, pois torques e cargas consideráveis acontecem nesta área central do coração da usina, que precisam ser examinados com muito cuidado.

Muitos operadores de usinas eólicas têm reconhecido que esta abordagem não vai longe o suficiente. Eles buscam uma visão geral da usina, também para verificação da estabilidade, monitoramento das condições após rigorosos eventos meteorológicos (como tempestades) ou a obtenção de dados para uma estimativa do tempo de serviço remanescente das usinas eólicas.

Entretanto, estas questões não podem ser respondidas simplesmente com uma única medição no eixo de acionamento: também necessitam ampliar a aplicação dos sistemas de medição para as torres, fundações e pás dos geradores eólicos.

Amortização rápida dos custos de instalação devido aos reduzidos tempos de parada

Esta visão holística está se tornando cada vez mais urgente, dadas às exigências econômicas que estão sendo feitas para a energia eólica. Para manter-se competitivo no mercado, os custos de produção de energia eólica devem ser reduzidos. Isso, inevitavelmente, implica na redução dos materiais usados. Mas, por mais que seja otimizado, o mais importante é a disponibilidade de dados atualizados das condições da usina eólica, como por exemplo, a fim de evitar eventos catastróficos causados por rachaduras do material das torres ou fundações.

Um sistema holístico de monitoramento estrutural sempre se paga, pois os usuários podem reconhecer problemas em estágios iniciais e agir quando seus custos ainda são baixos. Tempos de parada podem, assim, ser planejados e minimizados. Em outras palavras: os custos limitados para a instalação de um sistema de monitoramento estrutural simplesmente amortizam-se rapidamente por reduzirem os tempos de parada.

Os componentes de um sistema de monitoramento estrutural

O que estes sistemas representam na prática? Como qualquer sistema de medição, o sistema de monitoramento estrutural é feito de três componentes. O sensor, o qual é instalado aos componentes da usina eólica que serão monitorados. Por exemplo: estes strain gages podem ser usados para monitorar o alongamento e as tensões no material, ou também podem medir outras grandezas, como temperatura, força, inclinação e torque. Estes sensores podem ser baseados na tecnologia clássica de medição elétrica ou nos inovadores sensores FBG. O tipo da aplicação é que define qual sistema é a melhor escolha.

As eletrônicas de medição são o segundo componente no sistema de medição: o amplificador de medição e o gravador de dados que digitaliza os dados medidos e pode armazená-los de forma contínua localmente. Para os sensores óticos, estes amplificadores são chamados de interrogators.

E, finalmente, o terceiro componente, que é decisivo para o usuário: o software. Aqui, os dados de medição, bem como vários cálculos podem ser mostrados (visualizados) em tempo real e ainda triggers podem ser utilizados em situações críticas. Isso também é de interesse das tarefas de monitoramento estrutural: softwares modernos de medição agora vão além de simplesmente mostrarem e processarem os dados.

Software para fadiga e carga, como o nCode GlyphWorks da HBM, permite previsões e cálculos complexos do ciclo de vida, muitas vezes com base de dados do CAD. Este software já está em uso em muitas aplicações eólicas.

Tecnologia de medição elétrica e ótica: uma comparação entre as duas poderosas tecnologias

Voltando às aplicações típicas de tecnologia de medição. Conforme descrito, duas diferentes tecnologias estão disponíveis  para sensores de sistemas de monitoramento estrutural: tecnologia de medição ótica e elétrica.

Em particular, a tecnologia de medição ótica baseada no conceito FBG nos últimos anos vem ganhando importância no monitoramento estrutural de geradores eólicos. Por que isso?

Como o nome indica, sensores óticos usam luz para medição. O sensor ótico é basicamente formado por uma estrutura (FBG – Fiber Bragg Grating) que é inserida a fibra ótica, a qual reflete um determinado comprimento de onda de luz. Através das variações entre os comprimentos de onda transmitidos e recebidos, é possível identificar certas grandezas físicas.

Essas características tecnológicas inserem inúmeras vantagens para o uso de sensores FBG em geradores eólicos. Os sensores óticos trabalham de forma passiva, o que significa que são imunes a descargas elétricas (raios). São altamente resistentes, permitindo medições por longos períodos mesmo em condições com alto número de ciclos de carga (regime em fadiga). Graças às propriedades de multiplexão (onde diversos sensores podem estar numa mesma fibra ótica e com apenas um interrogator), a quantidade de cabeamento é facilmente reduzido. Além disso, os sensores óticos permitem transmissão segura das medições mesmo em cabos de fibra ótica com grandes comprimentos.

O que estas excelentes propriedades significam para o uso em geradores eólicos? A resposta é clara: são predestinadas àquelas áreas dos geradores eólicos que sofrem alto carregamento cíclico e onde as grandes distâncias fazem com que sejam necessários cabos muito longos. Por exemplo: este é o caso das medições de tensão nas pás dos geradores eólicos, onde muitos sensores óticos de deformação podem ser instalados com apenas um cabo (multiplexação).

A HBM oferece, através da família de produtos HBM FiberSensing, uma ampla gama de interrogators e sensores FBG, tais como, sensores para medição de deformação (strain gages), inclinação, temperatura e muito mais. O sistema completo FiberSensing WindMETER é recomendado particularmente para os operadores dos parques eólicos: esta é uma solução totalmente confiável especialmente desenvolvida para monitorar a deformação das pás do gerador eólico. O sistema compreende um interrogator ótico de baixo consumo para uso em uma ampla faixa de temperatura, bem como um conjunto de sensores FBG para medição de deformação e temperatura.

Este sistema inovador oferece ainda um recurso de autocalibrarão automática de todos os dados medidos a cada 10ms.

O WindMETER pode ser integrado em diversas aplicações, tais como monitoramento e controle de pitch, monitoramento das condições estruturais, avaliação de carga, validação da construção das pás do gerador, monitoramento de vibrações e detecção de gelo. Também pode ser customizado para fins de atendimento à necessidades personalizadas.

Sistemas híbridos: o melhor dos dois mundos

Como já foi dito, não é apenas sobre o monitoramento das pás de um gerador eólico, mas sobre considerar a estabilidade do sistema como um todo. Aqui, muitas medições podem ser realizadas como tecnologia ótica, mas a possibilidade de trabalhar com sistemas híbridos, ou seja, sistemas óticos e elétricos operando conjuntamente, nos trará inúmeras possibilidades de aplicação. Com isso teremos as vantagens de grande confiabilidade, instalações mais simples e de baixo custo.

Assim, sistemas híbridos de monitoramento estrutural poderão ser usados onde a tecnologia de medição elétrica convencional já é usada. Tomemos como exemplo, as medições efetuadas nas torres e fundações, para as quais a HBM já oferece um kit com sensores SLB para medição de deformação superficial e sensores KMR para medição de força de aperto.

Estes sensores são facilmente instalados nas áreas do gerador eólico que serão monitoradas, além do que são ideais para uso externo.

Os sensores de deformação SLB são feitos de aço inoxidável, portanto, à prova de ferrugem, e seu formato permite instalações mais fáceis e rápidas se compararmos com os strain gages convencionais. O sensor SLB-700A é usado para monitorar as tensões superficiais, seja devido a carregamentos estáticos e/ou dinâmicos. Os sensores KMR medem forças de compressão estáticas e/ou dinâmicas e são particularmente adequados para monitoramento das forças de aperto de parafusos. Devido ao grau de proteção IP67, a instalação destes sensores em áreas externas é perfeitamente adequada.

Além destes dois sensores, usualmente utilizados nos geradores eólicos, a HBM também oferece uma ampla gama de outros sensores, tais como sensores de deslocamento, pressão e torque, uma linha completa para extensometria, com centenas de tipos de strain gages e acessórios para instalação, bem como amplificadores e sistemas de aquisição de dados com diferentes graus de precisão e de proteção.

Um sistema modular ideal para cada solução

Instalar uma solução de monitoramento estrutural em todos geradores eólicos é uma tarefa bem complexa, mas não impossível. E se torna mais fácil quando se tem um fornecedor como a HBM que oferece uma ampla gama de soluções tecnológicas para toda a cadeia de medição. Oferecemos um sistema modular completo com diferentes tipos de sensores, amplificadores, sistema de medição e pacote de software que podem ser perfeitamente adaptados para a tarefa de medição em questão. Em última análise, é o objetivo do monitoramento que determina a escolha da tecnologia, e não ao contrário.

No campo da energia eólica, em particular, muitos clientes confiam nos serviços de instalação dos especialistas técnicos da HBM, que podem até mesmo trabalhar offshore. Serviços complementares, tais como a pesagem de usinas eólicas inteiras, também são oferecidos.

Operadores de parques eólicos, portanto, podem lucrar com o conhecimento tecnológico de medição global da HBM, agregado a grande experiência no campo da energia eólica. Afinal de contas, os sensores da HBM estão neste campo desde 1976 no desenvolvimento do primeiro gerador eólico alemão, a GROWIAN. Naquela época, ninguém era capaz de prever o excelente avanço que a energia eólica faria, mas os resultados obtidos pela HBM ainda são uma referência confiável no desenvolvimento tecnológico do setor.

PES - Power and Energy Solutions

Este artigo foi publicado na PES - Power and Energy Solutions.

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