Como estender a vida útil das turbinas eólicas?

As turbinas eólicas devem aguentar tensões mecânicas e ambientais contínuas ao longo de sua vida útil, a partir do dia em que forem comissionadas. Com o tempo, essas tensões se acumulam à medida que vários níveis de fadiga na unidade se acumulam. Isso geralmente resulta em falhas de componentes e estruturais antes do previsto no ciclo de vida útil de uma turbina eólica.

No entanto, com a utilização do software de controle avançado, algumas dessas tensões podem ser atenuadas, prolongando, assim, a expectativa de vida útil de uma turbina eólica e, ao mesmo tempo, aumentando com frequência a produção de energia. Implementar essas estratégias de controle é uma alternativa econômica e de tempo para reparos mecânicos intempestivas ou atualizações de componentes.

Mitigação de carga – Limitação de propulsão e desaceleração por turbulência

As cargas de turbina são impulsionadas principalmente por forças aerodinâmicas que podem variar devido às mudanças nas velocidades do vento, direção e resposta do controlador. Essas cargas podem resultar em fadiga acelerada, mas podem ser abordadas pelo sistema de controle.

Um método comum para mitigação de carga é por meio de algoritmos de limitação da propulsão e de desaceleração por turbulência que podem ajudar a combater cargas extremas e de fadiga.

Um limitador de propulsão estimará a força de propulsão baseada na velocidade do vento. Quando a estimativa de propulsão é alta (aumentando assim a carga e o estresse da turbina), o passo é aumentado. A carga axial da torre é reduzida em até 5%, mas pode diminuir ligeiramente a produção anual de energia (AEP).

Um limitador de propulsão em escala de turbulência pode ser usado além de um limitador de propulsão. Nesse cenário, o limite de propulsão diminui com o aumento da turbulência do vento. Isso resulta em um impacto menor na AEP em comparação com o controle de limite de propulsão estática.

Por fim, um sistema de desaceleração por turbulência diminuirá a produção de energia durante períodos de alta turbulência para reduzir as tensões de cargas extremas. Isso é feito fazendo uma estimativa de turbulência com base na aceleração das células e no vento estimado.

Mitigação da carga – Redução das oscilações de trem de acionamento

Variações na velocidade do vento, turbulência e alinhamento inadequado são alguns dos fatores que podem criar oscilações de trem de acionamento de turbinas eólicas. Por sua vez, essas oscilações causam aumento da carga de fadiga do trem de acionamento.

Para corrigir isso, um amortecedor extrairá a oscilação do trem de acionamento em sua frequência natural. Isso produz uma oscilação antifase (ou potência de amortecimento do trem de acionamento) adicionada ao ponto de ajuste de energia do sistema de controle. O resultado é um ponto de ajuste de torque do gerador que reduz a frequência do trem de acionamento. Adicionar uma solução de amortecimento do trem de acionamento pode reduzir as cargas de fadiga dele em até 10%.

Mitigação da carga – Redução das oscilações da torre

Se causadas por turbulência, ressonância ou desequilíbrio da lâmina, as oscilações da torre aumentam as cargas de fadiga da torre e podem reduzir o tempo de vida útil das turbinas eólicas. No entanto, uma solução de amortecedor da torre pode combater essas oscilações. Isso é feito usando medições do acelerômetro superior da torre para as direções transversal e axial.

Para a direção transversal, o sistema produz uma oscilação de energia contrafase que é adicionada ao ponto de ajuste de energia. Para a direção transversal, o sistema produz uma oscilação de energia contrafase que é adicionada ao ponto de ajuste de energia. O resultado é um ponto de ajuste de torque e ponto de ajuste do gerador que diminui a frequência da torre, o que pode reduzir as cargas de fadiga em até 8%.

Otimização das turbinas – Alinhamento de movimento e passo

O posicionamento inadequado que ocorre em desalinhamento de movimento ou desalinhamento de passo pode aumentar significativamente as cargas de fadiga das turbinas eólicas. O desalinhamento de mudança pode ser corrigido por um algoritmo de controle de movimento com autocalibração que fornece alinhamento contínuo de movimento. Para desalinhamento de passo, um algoritmo de detecção de desequilíbrio do rotor aplica uma correção automática aos pontos de ajuste de passo. A correção de qualquer um desses desalinhamentos por meio de software de controle avançado reduzirá o desgaste do sistema, aumentando, assim, a expectativa de vida útil da turbina eólica com o benefício paralelo de aumentar a saída de energia.

Equilibrando a saída de energia v. desgaste das turbinas

Não há compensações significativas de saída de energia ao abordar desafios indutores de estresse, como mudança de movimento ou desalinhamento de passo, e oscilações do trem de acionamento ou torre. A utilização de técnicas avançadas de controle é um método comprovado para prolongar a expectativa de vida útil de uma turbina eólica sem degradar a saída de energia.

Embora possa haver trocas ao implementar soluções de limitação de empuxo, os processos do sistema de controle avançado podem determinar o equilíbrio adequado entre a saída de energia da turbina versus a mitigação de carga extrema e fadiga.

A Emerson oferece um conjunto completo de soluções e experiência de retroajuste para turbinas eólicas que enfrentam esses desafios de maneira adequada às suas demandas operacionais.