sensores de viento ultrasónicos para una mejor...
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Jornadas AEE ‘Retos y soluciones del alargamiento de vida de parques eólicos en operación’
Madrid 22 y 23 de Septiembre de 2016
Sensores de viento ultrasónicos para una mejor monitorización de aerogeneradores
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Indice
1. FT Technologies
2. Sensores de viento para el control de aerogeneradores
3. Normativas IEC
4. Qué tipo de sensores?. Mecánicos?. Ultrasónicos?...
5. Conclusiones
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1 - FT Technologies
• 1981 – Fundación de la empresa en Londres. Proyectos electrónicos e I+D
• 1996 – Desarrollo de la tecnología de resonancia acústica aplicada a la medición del viento
• 2000 – Primeras unidades del sensor ultrasónico (50m/s) para el control de aerogeneradores
• 2003 – Entrada al sector eólico en Dinamarca (NEG Micon)
• 2008 – Primeras unidades vendidas en China
• 2015 – Oficinas comerciales y de soporte técnico en Dinamarca, EE.UU., China y España
• 2016 – Nuevo sensor (75m/s) para el control de aerogeneradores y otras aplicaciones : mediciónde recurso eólico, meteorología, infrastructuras (puertos, trenes, grúas, aeropuertos…)
• 2016 – Principal proveedor de sensores para el control de aerogeneradores
• 2016 – Puesta en marcha de un nuevo túnel de viento (>80m/s)
• 2017 – Nuevas instalaciones (3,700m2 ) en Londres. Doble capacidad de producción respecto 2013
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FT702: control de aerogeneradores
FFFlat Front
PMPipe Mount
FT742: control de aerogeneradoresy además…
...las versiones DM y SM también para:
• Medición y estudio de recurso eólico• Meteorología• Puentes y ferrocarriles• Puertos (grúas) y aeropuertos• Estaciones de esquí y aplicaciones náuticas• Minería...
DMDirect Mount
0 – 75m/s
SMSurface Mount
FFFlat Front
PMPipe Mount
0 – 50m/s
1 - FT Technologies
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• Sensor robusto pensado para funcionar muchos años en condiciones meteorológicas extremas en cualquier parte del mundo
• Pequeño (= fácil de calefactar) y compacto (= fácil de manejar y transportar)
• Fabricado en aluminio anonizado. Indice de protección IP67
• Diseño en estado sólido sin partes móviles que se puedan degradar (= no necesita recalibración periódica. El sensor no pierde la calibración con el paso del tiempo)
• Todos los sensores de FT están diseñados y fabricados en el Reino Unido
• Todos los sensores se calibran en el túnel de viento de FT. Opcionalmente se pueden calibrar MEASNET si el cliente lo precisa
• Altos niveles de disponibilidad de datos > 99.9%
• El sensor que más tests ha pasado satisfactoriamente :
• Altamente resistente a:
• Corrosión salina• Formación de hielo• Impactos y vibraciones• Rayos y EMC• Arena, polvo, lluvia, granizo y niebla
• Conector digital (RS485) o analógico (4-20mA)
1 - FT Technologies
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Sensores FT funcionando...
…incluso en condiciones extremas
1 - FT Technologies
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Parámetros a tener en cuenta en control y análisis de producción (= kWh) de aerogeneradores:
• Estrategias de arranque (‘cut in’) y parada (‘cut off’). Seguridad de las máquinas
• Alineación (‘yaw’)
• ‘Pitch’ de las palas
• Datos de los sensores (viento y otros)
• Configuración controlador (PLC)….
• NTF (Nacelle Transfer Function): como se calcula?. Tipos de terreno?...
Los fabricantes de aerogeneradores (OEM) son los principales protagonistas
2 - Sensores de viento para el control de aerogeneradores
“Nacelle mounted wind sensors are a critical part of a wind turbine’s control system and when correctly implemented can be a valuable data source for determining turbine performance”
Axel Albers, Deutsche WindGuard Consulting
(*) Documento elaborado conjuntamente entre FT TECHNOLOGIES y Deutsche Windguard. Contactar con FT.
(*)
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Aspectos CRITICOS a exigir a los sensores instalados en la góndola:
• Disponibilidad de datos:
• Fiabilidad: Diseñados y probados para funcionar en todas las condiciones meteorológicas posibles
• Durabilidad en condiciones extremas: tormentas, vibraciones, EMI, arena, polvo, lluvia, hielo,…
• Calibración: cada sensor debe medir de forma consistente… pero para eso es FUNDAMENTALuna instalación consistente en cada aerogenerador
Aspectos MENOS críticos a exigir a los sensores instalados en la góndola:
• Precisión: medir el viento detrás de las palas en un entorno de fuerte turbulencia es complejo
2 - Sensores de viento para el control de aerogeneradores
NO hay datos = Máquinas paradas = NO hay kWh = NO hay $$$
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• El flujo de viento en la parteposterior de la góndola(detrás del rotor enmovimiento) es muydiferente a las condiciones‘free field’
• La ubicación de los sensoresviene también condicionadapor razones funcionales de diseño (Ej. refrigeración de la góndola), normativa de seguridad y accesibilidad
• Todos estos condicionantesinciden directamente en el flujo de viento medido porlos sensores
Se puede medir con alta precisión en un entorno de alta turbulencia ?
2 - Sensores de viento para el control de aerogeneradores
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IEC61400-12-1 Ed. 1 (2005):
• Se basa en el uso de la torre de parque• Habla solamente de sensores mecánicos• Incluida en contratos de suministro de aerogeneradores pero… cuantas veces se implementa en la práctica?
IEC61400-12-2 (2013):
• Novedad : incorpora los sensores instalados en la góndola• Habla solamente de sensores mecánicos• Muy poco usada en la práctica debido a su complejidad
IEC 61400-12-1 Ed. 2: nueva normativa (se espera que se publique a principios de 2017)
• Novedad: incorpora sensores ultrasónicos, sensores remotos (sódar y lídar) y otros • No parece razonable que exiga ‘retroactividad’ para aerogeneradores en operación diseñados según normativas anteriores• 2-3 años tiempo de implementación práctica?... Necesita ser publicada, entendida e incorporada en el diseño de
aerogeneradores para, finalmente, aplicarse a contratos de suministro entre fabricantes y operadores de parques
3 - Normativas IEC
En cualquier caso, lo esencial en sensores para el control de aerogeneradores:
1. Calibración (normalmente certificado MEASNET)2. Instalados de forma consistente en cada máquina
En general, los OEM suministran aerogeneradores probados en terrenos llanos y suelen dar garantía sobre producción total de parque, raramente sobre aerogeneradores de forma individual
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MECANICOS:
• Anemómetros (velocidad)
• Veletas (dirección)
Un buen sensor mecánico…
• … puede ofrecer una elevada precisión en las medidas
• … pero suelen ver reducidas sus prestaciones de funcionamiento debido a
• Vibraciones
• Rayos
• Arena y polvo (afectan gravemente a los rodamientos = fiabilidad de las medidas)
• … en determinadas condiciones (arena, salinidad,…) pueden durar menos de 1 año
Recalibración? Imprescindible recalibraciones periódicas (normativas IEC) pero…
se hace realmente ?. Coste extra significativo a tener en cuenta.
4 – Qué tipo de sensores?. Mecánicos?. Ultrasónicos?...
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ULTRASONICOS:
• ‘2 in 1’ : velocidad + dirección
• Diferentes tecnologías:
• ‘Time of flight’: miden diferencia de tiempo señal Emisor – Receptor
Requerimiento : distancia mínima Emisor - Receptor
• Resonancia acústica: miden diferencia de fase señal Emisor - Receptor
Requerimiento : pequeña cavidad (= diseño compacto = más fácil de calefactar)
Un buen sensor ultrasónico debe ofrecer…
• … alta disponibilidad de datos
• … fiabilidad + durabilidad a lo largo de varios años
• … funcionamiento en condiciones extremas (hielo, polvo, salinidad…)
• … bajo consumo + mínimo (o ningún) mantenimiento
• … alta relación señal-a-ruido (SNR) en las medidas + alta inmunidad EMI
Recalibración? Algunos ultrasónicos no precisan recalibración periódica
4 – Qué tipo de sensores?. Mecánicos?. Ultrasónicos?...
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• El fabricante (OEM) tiene mucho que decir al respecto
• Suele ser una buena opción a considerar...
... especialmente en parques offshore donde los costes de O&M son más elevados
Es necesario disponer de un sistema redundante ?
2 ultrasónicos
1 mecánico + 1 ultrasónico
2 ultrasónicos
2 mecánicos
4 – Qué tipo de sensores?. Mecánicos?. Ultrasónicos?...
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Problemas en sensores mecánicos (y en algunos ultrasónicos) cuando no están bien calefactados…
1 – HIELO: la formación de masas de hielo en sensores mecánicos y en la cavidad de algunos
ultrasónicos supone…
• Máquinas paradas (= pérdida de AEP)
• Medidas incorrectas e inconsistentes
• Riesgos de seguridad en personal O&M
2 – AVES:
4 – Qué tipo de sensores?. Mecánicos?. Ultrasónicos?...
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• GE decidió sustituir 4 sensores mecánicos (2 anemómetros
+ 2 veletas) por 1 sensor ultrasónico debido a problemas de congelación
Ejemplo de un parque eólico en Rumania:
• GAMESA ha desarrollado el Energy Thrust Program, que
permite obtener un 5% más de AEP en máquinas antiguas. El uso de sensores ultrasónicos juega un papel importante
Creciente interés en programas de ‘retrofit’ y de extensión de vida útil de aerogeneradores (LTE) por el uso de sensores ultrasónicos (= mejora en la producción). Algunos ejemplos…
4 – Qué tipo de sensores?. Mecánicos?. Ultrasónicos?...
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5 - Conclusiones
1 – Hay muchos parámetros que juegan un papel importante en el control de aerogeneradores:
alineación (yaw), pitch de palas, NTF, configuración controlador…pero es esencial disponer de datosde los sensores en la góndola. Se require una alta disponibilidad de datos (> 99,9%) en cualquiercondición meteorológica. Si no hay datos = máquinas paradas (seguridad) = impacto negativo CdR
2 – Normativas IEC para la verificación del comportamiento de aerogeneradores (curva de potencia):
• IEC61400-12-1 Ed.1 (2005): Torre de parque (sensores mecánicos)
• IEC61400-12-2 (2013): Sensores en la góndola (sensores mecánicos). Muy poco usada.
• IEC61400-12-1 Ed. 2 (2017): incorpora sensores ultrasónicos. Nueva normativa = Nuevos retos para la industria eólica (OEMs, fabricantes de sensores, operadores de parques, empresas de O&M, ISP, consultoría, sector financiero,…). Tiempo de implementación práctica en contratos : 2-3 años ?...
3 – Tipos de sensores de viento: los ultrasónicos son más consistentes que los mecánicos al no tener
partes móviles que se pueden degradar. Un buen sensor ultrasónico ofrece altas prestaciones encondiciones meteorológicas extremas : hielo, corrosión, salinidad,… Existen diferentes tecnologías:
• ‘Time of flight’ : mide diferencia en tiempo
• Resonancia acústica : mide diferencia en fase (cavidad reducida = diseño compacto = más fácil de calefactar)
4 – Creciente interés en programas de ‘retrofit’ y LTE (extensión de vida útil) de aerogeneradores por
el uso de sensores ultrasónicos (= mejora en la producción)
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