Come si può prolungare la durata delle turbine eoliche?

Le turbine eoliche devono sopportare sollecitazioni meccaniche e ambientali continue per l'intera vita utile, a partire dal giorno in cui vengono messe in opera. Nel tempo le sollecitazioni si accumulano producendo diversi livelli di usura sulle unità. Questo provoca spesso guasti a componenti e strutture prima di quanto previsto nel ciclo di vita di una turbina eolica.

Tuttavia, con l'utilizzo di un software di controllo avanzato, è possibile ridurre alcune di queste sollecitazioni, prolungando così la durata di una turbina eolica e, allo stesso tempo, aumentando la produzione di energia. L'implementazione di queste strategie di controllo è un'alternativa economicamente vantaggiosa rispetto alle riparazioni meccaniche impreviste o agli aggiornamenti dei componenti.

Riduzione del carico: limitazione della spinta e derating basato sulle turbolenze

I carichi della turbina sono dovuti principalmente a forze aerodinamiche che cambiano con il variare della velocità e della direzione del vento e della risposta del controllore. Tali carichi possono provocare un'usura accelerata, ma si possono contrastare con il sistema di controllo.

Un metodo comune utilizzato per la mitigazione del carico è rappresentato dalla limitazione della spinta e dagli algoritmi di derating basato sulle turbolenze, che contribuiscono a contrastare i carichi estremi e usuranti.

Un limitatore della spinta stima la forza di spinta in base alla velocità del vento. Quando la stima della forza di spinta è alta, con un conseguente aumento di carico e sollecitazione della turbina, viene aumentato il passo. In tal modo si riducono i carichi fore-aft sulla torre fino al 5%, ma ne può risultare anche un leggero calo della produzione annuale di energia (AEP).

In aggiunta a un limitatore di spinta è possibile utilizzare un limitatore di spinta scalata in base alle turbolenze. In questo scenario il limite di spinta diminuisce con l'aumentare delle turbolenze del vento. Si ottiene così un minore impatto sull'AEP rispetto al controllo del limite di spinta statico.

Infine, un sistema di derating basato sulle turbolenze consente di ridurre la potenza in uscita nei periodi di turbolenza elevata, al fine di diminuire le sollecitazioni dei carichi estremi. A tal fine è necessario effettuare una stima delle turbolenze basata sull'accelerazione della navicella e sul vento stimato.

Riduzione del carico: Riduzione delle oscillazioni della trasmissione

Variazioni della velocità del vento, turbolenze e allineamento errato sono alcuni dei fattori che possono causare oscillazioni della trasmissione della turbina eolica. Le oscillazioni, a propria volta, causano un aumento di carichi e usura della trasmissione.

Per evitare questi problemi, un ammortizzatore della trasmissione estrae l'oscillazione della trasmissione alla sua frequenza propria. Si produce così un'oscillazione in controfase (o una potenza di ammortizzazione della trasmissione) che viene aggiunta al setpoint della potenza del sistema di controllo. Il risultato è un setpoint della coppia del generatore che riduce la frequenza propria della trasmissione. L'aggiunta di una soluzione di ammortizzazione della trasmisisone può ridurre i carichi usuranti sulla trasmissione fino al 10%.

Riduzione del carico: Riduzione delle oscillazioni della torre

Causate da turbolenze, risonanza o squilibrio delle lame, le oscillazioni delle torri fanno aumentare i carichi usuranti e possono abbreviare la durata della turbina eolica. Tuttavia, una soluzione di ammortizzazione può contrastare le oscillazioni della torre. Questo risultato si ottiene utilizzando le misure dell'accelerometro posto sul vertice della torre, sia per la direzione trasversale che per quella assiale.

Nel caso della direzione trasversale, il sistema produce un'oscillazione di potenza in controfase che viene aggiunta al setpoint della potenza. Nel caso della direzione assiale, il sistema produce un'oscillazione del passo in controfase che viene aggiunta al setpoint del passo. Il risultato è un setpoint di coppia e del passo del generatore che ammortizza la frequenza propria della torre, riducendo i carichi usuranti fino all'8%.

Ottimizzazione della turbina: allineamento di imbardata e passo

Il posizionamento errato che si verifica nel caso di disallineamento dell'imbardata o disallineamento del passo può far aumentare in modo significativo i carichi usuranti della turbina eolica. Un allineamento non corretto in imbardata si può correggere con un algoritmo di controllo dell'imbardata autocalibrante che garantisce un allineamento continuo dell'imbardata. In caso di disallineamento del passo, un algoritmo di rilevamento dello squilibrio del rotore applica una correzione automatica ai setpoint definiti per il passo. La correzione di uno di questi disallineamenti con un software di controllo avanzato ridurrà l'usura del sistema, prolungando la durata della turbina eolica con l'ulteriore vantaggio di aumentare la potenza erogata.

Bilanciamento tra potenza erogata e usura della turbina

Non ci sono compromessi significativi in termini di potenza prodotta quando si affrontano sfide che causano stress come il disallineamento di imbardata e passo e le oscillazioni di trasmissione o torre. L'utilizzo di tecniche di controllo avanzate è un metodo comprovato per il prolungamento della durata utile di una turbina eolica, senza per questo ridurre l'erogazione di potenza.

I compromessi possono rivelarsi necessari quando si implementano soluzioni di limitazione della spinta, ma i processi del sistema di controllo avanzato possono produrre un bilanciamento corretto tra potenza generata dalla turbina e riduzione dell'usura.

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