sensores de viento ultrasónicos para una mejor...

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

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

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

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

• 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

Sensores FT funcionando...

…incluso en condiciones extremas

1 - FT Technologies

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.

(*)

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 $$$

• 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

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

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?...

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?...

• 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?...

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?...

• 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?...

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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David PonsàDirector Zona Sur Europa

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Muchas gracias !