Energia eólica – Identificação de patologias em compontes de aerogeradores

Na primeira metade do século XX existiram algumas obras importantes, tanto na Europa como nos EUA, no âmbito da produção de energia eólica. No entanto, foi a partir dos anos 70, com a primeira crise do petróleo, que começou o interesse real em investigar novas formas de abastecimento alternativo, como a energia eólica. No final da década surgiram as primeiras turbinas eólicas comerciais, que em 1980 alcançaram os 55 kW.

Foi a partir dos anos 80 que a produção de energia eólica começou a crescer ininterruptamente e principalmente na última década do século XX, quando os avanços tecnológicos converteram esta fonte de energia numa alternativa viável às fontes de produção tradicional.

De acordo com o relatório de 2015 do Global Wind Energy Council, Espanha é um dos grandes produtores mundiais de energia eólica e o segundo produtor europeu (atrás da Alemanha). Conta com um grande número de parques eólicos e uma potência total instalada superior a 23.000 MW, prevendo-se que alcance os 35.700 MW em 2030.

Em Portugal, o primeiro parque eólico foi construído em 1986 na ilha de Porto Santo, na Região Autónoma da Madeira. Seguiram-se-lhe o Parque Eólico do Figueiral, na ilha de Santa Maria, nos Açores, em 1988, e em Portugal Continental, o Parque Eólico de Sines em 1992.

Portugal, enquanto oitavo produtor europeu, tem neste momento uma potência total instalada superior a 5.000 MW.

Com o evoluir desta fonte de energia, em 2001 foi criada na Dinamarca a Associação Mundial de Energia Eólica, sediada em Bona (Alemanha), com o objetivo de promover este tipo de energia a nível mundial. Hoje, os aerogeradores modernos de utilização comercial, a sua maioria com eixo horizontal, já alcançam os 180 metros de diâmetro e produzem potências até 8,0 MW no caso dos maiores modelos de instalação offshore.

DEFEITOS EM COMPONENTES DE AEROGERADORES

Uma das principais causas dos defeitos que ocorrem nos diversos componentes de aerogeradores é o efeito de fadiga produzido pelos ciclos de carga a que esses componentes estão sujeitos, sem prejuízo de outras causas que possam ter origem nos materiais de base ou nos procedimentos de fabricação e manutenção.

O ISQ desenvolveu um conjunto de procedimentos e detém uma larga experiência na identificação de defeitos críticos em diversos componentes de aerogeradores, em todas as fases do ciclo de vida, tanto em diagnóstico nas fases de fabrico como em campo (manutenção de aerogeradores em funcionamento). Adicionalmente aposta também numa forte componente de análise laboratorial e determinação dos critérios de aceitação, com vista à gestão da vida restante dos componentes inspecionados.

A seguir listam-se alguns dos defeitos (relação não exaustiva) que se podem encontrar em diversos componentes mecânicos dos aerogeradores e os respetivos métodos de inspeção utilizados para a sua deteção:

• Fissuras em Aluring Método de inspeção: Phased Array Ultrasonic Testing (PAUT)
• Desgaste e fissuras em rolamentos Método de inspeção: Endoscopia, PAUT e Ultrasonic Testing (UT)
• Rotura de pernos roscados Método de inspeção: visual
• Fissuras e fibras quebradas em materiais compósitos (fibras de vidro em pás dos aerogeradores) Método de inspeção: PAUT ou conventional UT
• Fissuras em Bastidores Método de inspeção: UT
• Fissuras em eixos Método de inspeção: UT

GESTÃO DA VIDA RESTANTE DOS AEROGERADORES

A avaliação detalhada do estado dos aerogeradores permite determinar a vida útil de cada um dos componentes e definir as operações de manutenção necessárias, otimizando o tempo de vida útil dos equipamentos em condições de funcionamento aceitáveis.

A gestão integrada das diversas valências de que o ISQ dispõe – Ensaios Não Destrutivos, Laboratório de Materiais, Análise de Falhas e Avarias, Cálculo de Vida Útil – permite definir um ciclo de gestão da vida restante dos aerogeradores:

• Especificação (alcance e métodos) das inspeções e ensaios mediante técnicas de END (Ensaios Não Destrutivos) e das amostras de materiais para análises em laboratório, necessários para avaliar a condição atual de cada um dos componentes.
• Realização das inspeções e de END e recolha de amostras para análise em laboratório.
• Realização das correspondentes análises de falhas e avarias, necessário para determinar as correspondentes causas e estabelecer as medidas corretivas oportunas;
• Avaliação do estado do aerogerador, onde são identificados os possíveis mecanismos de envelhecimento ativos e os respetivos pontos críticos;
• Com base nisso e no tipo de comportamento esperado para os distintos materiais, faz-se uma avaliação preditiva da vida residual esperada até à ocorrência de falhas terminais e sistemáticas;
• Avalia-se o risco das possíveis avarias e as respetivas consequências;
• Estabelecem-se recomendações de manutenção e operação para otimizar o tempo de vida útil dos aerogeradores

MANUTENÇÃO PREDITIVA DOS COMPONENTES

O futuro passa pela definição de sistemas que permitam a deteção e identificação precoce de defeitos nos componentes dos aerogeradores, combinando o uso de diferentes sensores para avaliar a condição operacional dos diversos componentes. O projeto CMSWind é disso um exemplo.

Diversos centros de investigação europeus estão a criar um projeto avançado de monitorização visando desenvolver equipamentos para monitorar o estado dos componentes rotativos dos aerogeradores, a fim de possibilitar a realização de manutenção preditiva e, com isso, aumentar a fiabilidade do aerogerador em pelo menos 50%. O sistema de monitorização combina a utilização de diversos sensores sem fio (wireless) para avaliar a condição operacional de todos os sistemas de transmissão, gerador, rolamentos e veio principal do aerogerador.

Os custos de operação e manutenção constituem uma parte considerável dos custos anuais totais de um aerogerador, que podem representar cerca de 20-25% do custo total por kWh produzido durante a vida útil do aerogerador. Contudo, a falha imprevisível de certos componentes, como as pás da turbina, a torre, o multiplicador, ou o gerador, pode elevar os custos de manutenção e reduzir a disponibilidade de aerogeradores. Como resultado, os fabricantes tentam reduzir os custos através do desenvolvimento de novos modelos de aerogeradores, com sistemas de monitorização que permitam reduzir a necessidade de intervenções e os tempos de inatividade, resultando no consequente alargamento da vida útil e no aumento da disponibilidade de aerogeradores.

Autor: Nuno Nicolau, Manager ISQ Espanha