À medida que o cenário energético international muda para fontes renováveis, os parques eólicos são uma parte basic da produção international de energia, fornecendo 8% do poder mundial em 2022. No entanto, a força que impulsiona as turbinas eólicas, o próprio vento, pode representar um risco significativo. Rajadas e vendavais fortes têm o potencial de causar grandes danos às turbinas eólicas, resultando em reparos caros, interrupções operacionais e falhas catastróficas.
Mitigar estes riscos é essential e, devido à escala dos parques eólicos modernos, a indústria está agora a recorrer a soluções mais conectadas e inteligentes, aproveitando a Web das Coisas (IoT).
Projetos de turbinas eólicas e sistemas principais
Turbinas eólicas (Figura 1) possuem uma janela de trabalho onde a energia fornecida pelo vento movimenta os componentes internos dentro de suas tolerâncias. Diversos recursos equipam as turbinas para manter a segurança e otimizar o desempenho. Isso inclui o seguinte:
- Controle de guinada, que permite alinhar ou desviar do vento
- Controle de passo para ajustar o ângulo das pás da turbina
- Freios de rotor que auxiliam na interrupção da rotação em emergências. As estimativas sugerem que as turbinas eólicas enfrentam paradas de emergência aproximadamente 500 a 1000 vezes durante sua vida.
A norma IEC 61400-1 da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC), que descreve os requisitos de projeto para turbinas eólicas, especifica que a construção moderna de turbinas eólicas deve permitir a resistência a ventos sustentados de 112 mph e rajadas de pico de três segundos de 156 mph. No entanto, as turbinas eólicas não são indestrutíveis (Figura 2). Instâncias de falhas catastróficas podem surgir quando as turbinas eólicas enfrentam ventos de velocidades mais altas, encontram rajadas extremas, furacões ou mesmo durante condições normais de vento, se já estiverem comprometidas por danos existentes.
Tecnologias que impulsionam a IoT em turbinas eólicas
A tecnologia IoT ajudou a transformar a gestão de turbinas eólicas e de desastres de um único processo autônomo e reativo para uma abordagem mais ampla, mais inteligente e proativa. O sucesso da IoT na prevenção de desastres eólicos depende de tecnologias de percepção, comunicação e análise, que desempenham papéis críticos na garantia da eficiência dos sistemas de monitoramento e manutenção.
A norma IEC 61400-1 da Comissão Eletrotécnica Internacional (IEC) especifica que as turbinas eólicas modernas devem suportar ventos sustentados de 112 mph e rajadas de pico de três segundos de 156 mph, delineando requisitos essenciais de projeto para turbinas eólicas.
Avanços em tecnologia de sensorescomo a miniaturização de componentes e o desenvolvimento de projetos com maior eficiência energética, tornaram possível a implantação de sensores até mesmo nos ambientes de turbinas eólicas mais remotos e desafiadores. Além disso, a integração de tecnologias de recolha de energia permite que sensores autónomos operem de forma autónoma durante longos períodos, reduzindo a necessidade de manutenção frequente.
Redes de Comunicação
Depois que os sensores da turbina coletam os dados, eles devem transmiti-los para um native central para análise. É aqui que entram em jogo as tecnologias avançadas de comunicação. Como as turbinas eólicas estão frequentemente em locais remotos, as tecnologias usadas em seus sistemas IoT são geralmente LTE/5G celular e LoRaWAN. Com taxas de dados mais altas e baixa latência, o 5G permite o monitoramento em tempo actual e a transmissão rápida de grandes volumes de dados, garantindo a resolução imediata de problemas detectados por sensores e, ao mesmo tempo, minimizando o risco de falha.
O 5G se destaca na transmissão de dados em alta velocidade, enquanto LoRaWAN oferece comunicação de longo alcance, tornando-o ultimate para parques eólicos remotos (como implantações offshore), onde a infraestrutura 5G pode ser impraticável. Em algumas regiões particularmente remotas, a comunicação por satélite também está a ser utilizada para garantir uma ligação fiável.
IA e ML
O advento das técnicas de inteligência synthetic (IA) e aprendizado de máquina (ML) ajudou a trazer inteligência aos dados aproveitados pelos sistemas IoT de turbinas eólicas. Isto permite que as empresas construam soluções em tempo actual que podem invocar métodos de intervenção críticos tanto para medidas de manutenção como para a implementação de atividades sofisticadas em todo o parque que podem ajudar a prevenir danos nas turbinas eólicas em condições meteorológicas extremas.
Melhorando a resiliência da turbina com IoT
O desafio de design “Join for Good” de 2023 da Nordic Semiconductor, patrocinado pela Mouser Electronics, incentivou os engenheiros a demonstrar o potencial da tecnologia sem fio de baixo consumo de energia para resolver problemas de sustentabilidade international.
O participante do desafio Pratyush Mallick desenvolveu um sistema de monitoramento remoto de baixo consumo de energia usando um sistema em pacote (SiP) compacto e integrado. O sistema oferece comunicação LTE de baixo consumo de energia para vários projetos de IoT celular de baixo consumo de energia e de dispositivo único e integra uma ampla gama de sensores. O projeto utilizou um modelo de turbina eólica para simular condições do mundo actual, fornecendo informações valiosas sobre a resiliência e os pontos de falha dos sistemas de energia eólica.
Ao simular diferentes condições de vento e monitorar a resposta das turbinas, o projeto de Mallick demonstrou como a IoT poderia melhorar a resiliência das turbinas eólicas contra condições climáticas extremas. Esta abordagem inovadora não só aumenta a fiabilidade dos sistemas de energia eólica, mas também contribui para esforços mais amplos de prevenção de desastres, garantindo que as turbinas permaneçam operacionais, mesmo em condições adversas.
Técnicas semelhantes também estão sendo usadas em muitos parques eólicos atuais. A Siemens Gamesa usa IoT e IA para monitorar as condições das turbinas eólicas em tempo actual. Além de analisar dados de sensores de turbinas para prever possíveis falhas, sua plataforma utiliza drones para capturar aproximadamente 400 imagens das três pás de uma turbina em apenas 20 minutos. Ao utilizar os serviços Azure AI da Microsoft, as imagens são cuidadosamente examinadas para diferenciar entre rachaduras ou sujeira superficial, oferecendo uma visão geral detalhada da condição da lâmina e dos reparos necessários. A estratégia proativa teve sucesso na melhoria da confiabilidade e eficiência das turbinas, demonstrando a eficácia da IoT na prevenção de desastres em turbinas eólicas.
Conclusão
À medida que a tecnologia IoT evolui, espera-se que o seu papel na prevenção de desastres em turbinas eólicas aumente. Avanços futuros podem apresentar algoritmos de IA mais avançados para previsões precisas e sensores aprimorados para monitoramento aprofundado.
À medida que as redes energéticas promovem uma maior sustentabilidade, a IoT e a IA permitir-nos-ão aumentar a fusão de fontes de energia renováveis, como a photo voltaic e a eólica, ajudando a garantir uma rede de rede fiável e sustentável, mesmo face a eventos climáticos extremos.