¿Cómo extender la vida útil de las turbinas eólicas?

Las turbinas eólicas deben soportar continuas tensiones mecánicas y ambientales a lo largo de su vida útil, desde el día de su comisionamiento. Con el tiempo, estas tensiones se acumulan como niveles variables de fatiga en la unidad. Esto suele producir fallas estructurales y de componentes antes de lo previsto en el ciclo de vida útil de una turbina eólica.

Sin embargo, si se utiliza un software de control avanzado, algunas de estas tensiones pueden mitigarse, lo que prolongará la vida útil de una turbina eólica. Además, al mismo tiempo, esto con frecuencia aumenta la producción de energía. La implementación de estas estrategias de control es una alternativa rentable en tiempo y costo a las reparaciones mecánicas o a las actualizaciones de componentes no programadas.

Mitigación de carga: limitación de empuje y disminución de potencia basada en turbulencias

El impulso de las cargas de las turbinas proviene principalmente de fuerzas aerodinámicas que pueden variar debido a velocidades y dirección cambiantes de los vientos y a la respuesta del controlador. Estas cargas pueden provocar una aceleración de la fatiga, pero se abordan por medio del sistema de control.

Un método común para la mitigación de la carga es mediante la limitación del empuje y los algoritmos de disminución de potencia basados en turbulencias que ayudan a contrarrestar las cargas extremas y de fatiga.

Un limitador de empuje calculará la fuerza de empuje en función de la velocidad del viento. Cuando el empuje estimado es alto (lo que aumenta la carga y la tensión de la turbina), el cabeceo aumenta. Esto disminuye las cargas de la torre longitudinal en hasta un 5 %, pero puede reducir ligeramente la producción de energía anual (PAE).

Se puede utilizar un limitador de empuje con escala de turbulencias, además de un limitador de empuje. En este caso, el límite de empuje disminuye debido al aumento de la turbulencia del viento. El resultado es un impacto menor sobre la PAE en comparación con el control del límite de empuje estático.

Por último, un sistema de disminución de potencia basado en turbulencias disminuirá la generación de energía durante los períodos de alta turbulencia para reducir las tensiones de las cargas extremas. Esto se realiza mediante una estimación de turbulencias basada en la aceleración de la góndola y el viento estimado.

Mitigación de carga: reducción de las oscilaciones de la transmisión

Algunos de los factores que pueden crear oscilaciones de la transmisión de la turbina eólica son las variaciones de la velocidad del viento, las turbulencias y una alineación incorrecta. A su vez, estas oscilaciones provocan un aumento de las cargas de fatiga de la transmisión.

Para corregir esto, un amortiguador extraerá la oscilación de la transmisión a su frecuencia propia. Esto produce una oscilación de contrafase (o potencia de amortiguación de la transmisión) que se añade al punto de ajuste de potencia del sistema de control. El resultado es un punto de ajuste del torque del generador que atenúa la frecuencia propia de la transmisión. Agregar una solución de amortiguación puede reducir las cargas de fatiga de la transmisión hasta en un 10 %.

Mitigación de carga: reducción de las oscilaciones de la torre

Las oscilaciones de la torre, sean causadas por turbulencias, resonancia o desequilibrio de las palas, aumentan las cargas de fatiga de las torres y pueden disminuir la vida útil de la turbina eólica. Sin embargo, una solución para la amortiguación de la torre puede contrarrestar las oscilaciones de esta. Para eso, se utilizan mediciones del acelerómetro en la parte superior de la torre, tanto en la dirección transversal como axial.

Para la dirección transversal, el sistema produce una oscilación de potencia de contrafase que se añade al punto de ajuste de potencia. Para la dirección axial, el sistema produce una oscilación del cabeceo de contrafase que se añade al punto de ajuste del cabeceo. El resultado es un punto de ajuste del torque y un punto de ajuste del cabeceo del generador que amortigua la frecuencia propia de la torre, lo que puede reducir las cargas de fatiga hasta en un 8 %.

Optimización de la turbina: alineación de guiñada y cabeceo

El posicionamiento incorrecto que se produce en la desalineación de la guiñada o de la del cabeceo puede aumentar significativamente las cargas de fatiga en la turbina eólica. La desalineación de la guiñada se puede corregir con un algoritmo de control de guiñada de calibración automática que proporciona alineación continua de la guiñada. Para la desalineación del cabeceo, un algoritmo de detección de desequilibrios del rotor aplica una corrección automática a los puntos de ajuste del cabeceo. La corrección de cualquiera de estas desalineaciones con software de control avanzado reducirá el desgaste del sistema y, por lo tanto, aumentará la vida útil de la turbina eólica con el beneficio paralelo de aumentar la producción de energía.

Equilibrio entre la generación de energía y el desgaste de la turbina

No hay desventajas significativas de generación de energía al abordar desafíos que inducen tensión, como la desalineación del cabeceo o la guiñada y las oscilaciones de la torre o de la transmisión. El uso de técnicas de control avanzadas es un método probado que permite prolongar la vida útil de una turbina eólica sin degradar la generación de energía.

Si bien puede haber desventajas al implementar soluciones de limitación de empuje, los procesos de sistemas de control avanzado pueden determinar el equilibrio adecuado entre la generación de energía de la turbina y la mitigación de carga extrema y de fatiga.

Emerson ofrece un paquete completo de soluciones y experiencia en actualizaciones para las turbinas eólicas que abordan estos desafíos de una forma que se adapta a sus demandas operativas.