Este documento describe los procesos de inspección y mantenimiento de palas eólicas. Explica los tipos de daños comunes, métodos de inspección como ultrasonido e infrarrojos, y modelos de mantenimiento como correctivo, preventivo y predictivo. También cubre el proceso de fabricación de palas, materiales comunes y técnicas básicas de reparación.

1. Inspección y Mantenimiento de Palas Eólicas2010Jorge Reinoso González Bernardo Fernández MíguezPostgrado en Energía Eólica-UNED15/09/2010<br />PROYECTO FINAL POST-GRADO ENERGIA EOLICA UNED<br />Índice de Contenidos:<br />Introducción<br />Resumen del trabajo<br />Objetivos<br />Proceso de fabricación de palas de aerogeneradores<br />Modelos de Mantenimiento<br />Tipos y clasificación de daños<br />Métodos de inspección y detección de fallos<br />Sistema de protección contra rayos (Lightning)<br />Perdidas Aerodinámicas por Ensuciamiento (Double Stall)<br /> Consideraciones económicas<br /> Anexos<br /> Bibliografía<br />Introducción<br />El Cambio Climático es el mayor problema ambiental global al que nos enfrentamos en la actualidad. Este problema ha dejado de ser un asunto de científicos para convertirse en una preocupación de la ciudadanía y estar en la primera línea de la agenda política. No sólo se trata de un problema ambiental, sino que también se trata de un problema de desarrollo. Afecta a todo el planeta y tiene una enorme inercia. No se debe olvidar que el clima determina las condiciones de vida: las posibilidades de alimentación, la actividad económica en general y la seguridad de las poblaciones.<br />La disponibilidad de energía suficiente es un elemento esencial para el desarrollo de la Humanidad y constituye actualmente un problema esencial para todas las naciones, desde las más desarrolladas hasta las pobres. Abordar este problema exige el desarrollo de nuevos sistemas de generación, la optimización de los métodos de distribución de los productos energéticos y el uso racional y eficiente de los mismos. <br />Tres aspectos que conforman los pilares básicos de cualquier política energética, junto con el requerimiento del menor impacto ambiental posible. <br />El escenario energético actual implica unos sistemas de complejidad creciente donde las soluciones a utilizar deben ser continuamente revisadas a la luz de los nuevos resultados de la investigación energética y ésta, a su vez, debe abordar con la mayor intensidad posible proyectos concretos que permitan mejorar alguno de los cuatro aspectos citados: mayor capacidad de generación, mejor distribución, máximo ahorro y mínimo impacto ambiental.<br />Resumen del trabajo<br />El sector de la energía eólica ha tenido un crecimiento vertiginoso en los últimos años. España está entre los países punteros en el desarrollo de este tipo de energía.<br />Fabricantes de aerogeneradores y equipos auxiliares, promotores de parques eólicos y empresas dedicadas a la explotación de los mismos cada día requieren de la experiencia y la competencia técnica de personal de mantenimiento cualificado.<br />En este informe se describe una amplia variedad de tipos de daños ( fallos ), métodos y servicios de inspección, reparación, certificación y control de calidad para las palas de las turbinas eólicas instaladas en los parques de generación eléctrica. Mantener la continuidad operativa de estos equipos es un asunto de vital importancia para cada uno de los agentes que intervienen en este ámbito (promotores, inversores, utilities, clientes). Este trabajo se basa en las siguientes etapas de actuación:<br />Inspección del estado general del aerogenerador (con especial atención al estado de las palas) mediante técnicas de análisis de vibraciones, inspección visual en altura, prueba de impacto superficial, equipo fotográfico con teleobjetivo, ultrasonido, cámara endoscópica y cámara termográfica.<br />Mediante este tipo de inspección se conseguirá identificar posibles problemas antes de que se agraven (mantenimiento predictivo) así como comprobar el estado de los equipos antes del fin de la garantía.<br />Objetivos<br />-Maximizar la disponibilidad de los aerogeneradores para la producción y generación de beneficios.<br />-Preservar el valor de las instalaciones, optimizando el uso y el deterioro.<br />-Conseguir estas metas en la forma más económica posible y a largo plazo, cooperando en la generación de utilidades.<br />Proceso de fabricación de palas de aerogeneradores<br />Materiales de las palas de rotor <br />Las palas de rotor suelen construirse utilizando una matriz de mallas de fibra de vidrio impregnadas de un material como el poliéster (quot;
GRP = Glass fibre reinforced polyesterquot;
). El poliéster es endurecido después de que ha impregnado la fibra de vidrio. El Epoxi puede ser utilizado en lugar de poliéster. De esta forma la matriz base puede estar fabricada, total o parcialmente, de fibra de carbono, que es un material con alta resistencia más ligero, aunque más caro. En grandes palas de rotor también están siendo utilizados materiales laminares madera-epoxy. <br />1. Fabricación de la viga <br />Tomando como base materiales compuestos por fibra de vidrio y fibra de carbono, pre-impregnados con resina epoxy, se cortan distintas telas que se colocan en un molde y posteriormente se someten a un proceso de curado. <br />2. Fabricación de las conchas <br />Tras aplicar una capa de pintura que servirá como protección de la pala, la fibra de vidrio es utilizada para la fabricación de las conchas, siguiendo el mismo proceso de fabricación que la viga. <br />3. Ensamblaje<br />Una vez obtenidas las dos conchas, se procede al ensamblaje y pegado de la viga entre las dos conchas. <br />4. Curado<br />El conjunto ensamblado pasa nuevamente por el horno hasta formar una unidad compacta. <br />5. Desbarbado y pulido <br /> <br />Desmoldado el conjunto que constituye la pala, se pasa a la zona de acabado, donde se terminarán los bordes de ataque y salida de la pala, y se realizará una última revisión de ésta. <br />Modelos de Mantenimiento<br />El desgaste anual de una pala es comparable con el que sufriría el capó de un coche que transitara a 250 kilómetros por hora durante las 24 horas del día los 365 días del año.<br />¿Reparamos después de que se detecte la avería? MANTENIMIENTO CORRECTIVO<br />¿Realizamos una acción de mantenimiento a intervalos periódicos encaminada a evitar que se desarrolle la avería? MANTENIMIENTO PREVENTIVO<br />¿Empleamos medios que nos den información que permita predecir cuándo se va a desarrollar la avería para programar la acción de mantenimiento? <br />MANTENIMIENTO PREDICTIVO<br />Tres métodos de O&M, una combinación perfecta:<br />Método correctivo: se actúa ante una avería, a posteriori. Es un método simple, propicio para pequeños componentes. Si se aplica de manera generalizada puede haber grandes tiempos de parada y daños colaterales.<br />Método preventivo: mantenimiento en intervalos periódicos. Requiere poca inversión, pero son intervenciones demasiado frecuentes en el tiempo, por lo que terminan suponiendo un alto coste.<br />Método predictivo: recibimos información para predecir cuándo se va a producir una avería y, ante eso, programar la sustitución de la pieza. Conlleva también complejidad en transmisión de datos y en equipos humanos. También es de alto coste, aunque compensa por el ahorro en las reparaciones.<br />ADECUACIÓN DE LOS MODELOS DE MANTENIMIENTO<br />El MANTENIMIENTO CORRECTIVO es adecuado en sistemas cuya avería no entraña grandes costes de parada ni de reparación. No es el caso de los aerogeneradores. <br />El MANTENIMIENTO PREVENTIVO es adecuado en sistemas cuya avería entraña significativos costes de parada y/o de reparación; con la condición que estos sistemas trabajen de forma uniforme en el tiempo (régimen constante).<br />El MANTENIMIENTO PREDICTIVO por sus características se muestra como el más adecuado para aerogeneradores.<br />CONDITION MONITORING: MANTENIMIENTO PREDICTIVO<br />Además de tener identificados los modos de fallo y sus síntomas, tienen que tener definidos niveles de alarma (aviso ; fallo inminente) ajustados al caso. Normalmente han de afinarse tras un periodo de aprendizaje que será más acertado cuantos más aerogeneradores contemple.<br />La dependencia del comportamiento de los componentes con el nivel de carga del aerogenerador hace que los sistemas de condition monitoring tengan que tener acceso a información como la potencia, la velocidad de giro, la velocidad de viento, etc.<br />Producen una gran cantidad de datos. Deben organizarse en 2 niveles: un nivel procesado y resumido para el personal de control del parque ; un nivel ordenado pero no procesado para los analistas.<br />Los datos deben almacenarse para hacer estudios de tendencias y comparativas entre aerogeneradores.<br />Los Sistemas de CONDITION MONITORING realizan un seguimiento (monitorización) de parámetros de funcionamiento (condición) del aerogenerador para ante la evidencia de cambios en esos parámetros detectar posibles futuras averías en etapas muy iniciales.<br />Esta definición es muy amplia y puede englobar a la totalidad de técnicas, pero vamos utilizar el término CM para equipos comerciales autónomos compuestos de hardware (acelerómetros, galgas, contadores partículas, tarjetas de adquisición,…) y software propio.<br />Principales tecnologías de Condition Monitoring disponibles actualmente en eólica:Análisis de vibraciones del tren de potencia.<br />Contenido en partículas del aceite de la multiplicadora.<br />Deformaciones en palas.<br />Tipos y clasificación de daños<br />Rotura de pala en el borde de ataque<br />Defectos de brillo y/ó color.<br />Defectos superficiales de forma.<br />Erosión del borde de ataque<br />INTERVENCIÓN BÁSICO DE MANTENIMIENTO DE PALAS:<br />Reparación de pequeñas fisuras detectadas en inspecciones visuales con el objetivo de evitar la rotura.<br />Tratamiento superficial con recubrimiento de gel resistente: <br />Evita la aparición de fisuras.<br />Facilita la limpieza de la pala.<br />Resiste a la mayor parte de efectos de la sal, arena, luz solar, lluvia, humedad e insectos.<br />Daños en capa exterior.<br />Daños estructurales.<br />Borde de salida despegadoRotura por impacto de rayo<br />Métodos de inspección y detección de fallos<br />Inspección visual en altura:<br />En la siguiente tabla se muestra las diferentes partes de una pala de aerogenerador, con las secciones transversales enumeradas desde la base adyadente al buje hasta la punta. Es un registro dinámico en el cual se anotan el nombre del cliente, la fecha, nombre del inspector, nombre del parque eólico, números identificativos de la torre, pala, nº de serie, observaciones y se empieza a registrar el estado inicial de la inspección (situación encontrada) y la condición final después de la intervención del mantenedor, posee una simbología la cual representa un amplio abanico de posibilidades de desperfectos y daños.<br />INSPECCIÓN VISUAL EN ALTURA:Estado inicial de la pala en el momento de la inspección. Datos identificativos de la pala, cliente, torre, ubicación del parque, nº de referencia, fabricante, peso, longitud, fotografía, fecha de intervención.<br />TRABAJOS BASICOS DE MANTENIMIENTO<br />Limpieza con agua, jabón y pulido con lana 00<br />Saneado de las zonas defectuosas ( empastado, lijado y pintado)<br />Instalación y sellado con cinta de PVC en los últimos 8,5 mts del borde de ataque. Alternativamente podemos proponer pintar esta zona con gel coat o producto similar.<br />Realizar un pulido de la pala, por medio de la aplicación de pulimentos específicos y la utilización de herramienta adecuada para tal fin, para obtener un buen resultado final. El pulido, además de alisar la superficie, permite evitar que se adhieran a la superficie de la pala la suciedad y polvo, debido principalmente a su acción repelente del agua, proporcionando una capa sobre la misma que evita la adherencia de polvo y suciedad.<br />Se comprobará que el pararrayos queda totalmente visible, limpiando las manchas de polvo de poliéster que se hayan podido acumular al realizar la limpieza de las palas<br />DESPERFECTOS EN CAPA EXTERIOR<br />Los daños y defectos en la capa exterior deben ser siempre reparados.<br />Incluye rayazos, poros, microporos, burbujas, faltas de gel-coat, gomosidad del gel-coat, desgaste del gel-coat provocado por la erosión y los desperfectos en la cinta de protección del borde de ataque, si la tuviera.<br />Esquema de Trabajo<br />Delimitación de la zona de trabajo (enmascarado)<br />Lijado abrasivo Nº 6º zona defectuosa, incluido fresado de pequeñas oquedades hasta la completa desaparición del gel-coat defectuoso, teniendo especial cuidado en no dañar las fibras del laminado.<br />Limpieza y deshumidificación de la zona<br />Masillado (masilla epoxídica)<br />Lijado Nº 120 y Nº 320<br />Pintado (imprimación +pintura poliuretano bicomponente o top coat epoxi)<br />Matizado y pulido para limpieza, renovación y uniformad de los acabados.<br />Manta térmica (acelera el curado) Acabado final (borde de ataque recuperado)<br />PROTECCION DEL BORDE DE ATAQUE<br />Debido a la alta velocidad desarrollada en la punta de las palas se produce la erosión del gel-coat en el borde de ataque con la consiguiente degeneración de la capa de protección del laminado y la disminución en el rendimiento de la pala. En función de cómo se encuentre la superficie de la pala podremos utilizar dos maneras de proteger el borde de ataque:<br />aplicar una capa de gel coat en los últimos 8,5 mts en todo el borde de ataque<br />Colocación de un film protector. En reparaciones de campo colocaremos un film compuesto de vinilo (marca comercial 3M), en extremo de la pala, concretamente en los últimos 6 metros. <br />Esquema de Trabajo<br />El trabajo de gel coat se realizará poniendo cinta a ambos lados de la pala y pintando la zona curva de la misma. Luego se pulirá la superficie una vez seca.<br />La colocación del Film protector<br />Precortar el vinilo según plantilla<br />Limpiar y deshumidificar la zona de colocación<br />Aplicar solución de alcohol isopropolico para facilitar la instalación<br />Espatular toda la superficie para eliminar las posibles burbujas de aire<br />Aplicar sellante entre el borde del vinilo y la superficie de la pala<br />Ambas actuaciones 1) y 2) podrán combinarse en cada pala o a juicio de los operarios. Se utilizará la que se vea más adecuada en cada momento.<br />Al finalizar las intervenciones de mantenimiento correctivo en el aerogenerador se emite un informe como el mostrado a continuación:<br />Registro de Inspección y Reparación<br />Inspección con ultrasonido<br />Un ultrasonido es una onda acústica o sonora cuya frecuencia está por encima del espectro audible del oído humano (aproximadamente 20.000 Hz).<br />ULTRASONIDOS<br />• Ondas mecánicas (acústicas) de alta frecuencia (25 Khz -10 Mhz).<br />• Se utilizan para detectar defectos por debajo de la superficie, medir espesores y localizar defectos en el interior del material.<br />• A diferencia de las ondas electromagnéticas, las ondas ultrasónicas necesitan un medio para propagarse. (No se propagan en el vacío)<br />• Cuando las ondas ultrasónicas viajan a través de un medio, éste opone una resistencia que dificulta la propagación. Una medida de esta resistencia es la denominada impedancia acústica.<br />Z = ρ ⋅V<br />Z: Impedancia Acústica (gr/(s cm2)<br />ρ: densidad del medio (gr/cm3)<br />V: velocidad de propagación (cm/s)<br /> Equipo de Ultrasonidos:<br /> Generador de impulsos<br /> Palpadores<br /> Osciloscopio<br />La generación y detección de las ondas ultrasónicas para inspección está unida a un material transductor. Este material es un cristal piezoeléctrico. La piezoelectricidad es electricidad inducida por presión, propiedad característica de ciertos materiales cristalinos naturales como el cuarzo y materiales sintéticos como BaTiO3 y Li2SO4<br />Palpadores utilizados en Ensayos por Ultrasonidos<br />Fig. Izq.: Imagen de una inspección con ultrasonidos. Derecha: Diferentes tipos de palpadores<br />Medios Acoplantes<br />Las ondas ultrasónicas se transmiten con mucha dificultad en el aire, por tanto es necesario un medio de acople entre el palpador y la pieza a inspeccionar.<br />Entre los medios acoplantes utilizados, podemos destacar la grasa, parafina, aceite, agua, gelatina, etc.<br />Etapas del Ensayo por Ultrasonidos<br />1. Estudio de la pieza: geometría, material, estado superficial.<br />2. Elección del tipo de palpador, frecuencia, secuencia de barrido, etc.<br />3. Aplicación del medio acoplante más adecuado.<br />4. Calibración del equipo. (Calibrar el equipo con piezas patrón del mismo material a ensayar).<br />5. Realización del ensayo, haciendo un registro de los datos obtenidos.<br />Calibración<br />Como condición previa al proceso de inspección, es necesaria una comproba-ción del estado de funcionamiento del equipo.<br />Para ello se debe de disponer de bloques de calibración o piezas patrón.<br />Inspección con infrarrojos (Termografía) <br />La Termografía Infrarroja es una técnica que permite, a distancia y sin ningún contacto, medir y visualizar temperaturas de superficie con precisión. La Física permite convertir las mediciones de la radiación infrarroja en medición de temperatura, esto se logra midiendo la radiación emitida en la porción infrarroja del espectro electromagnético desde la superficie del objeto, convirtiendo estas mediciones en señales eléctricas. <br />La radiación infrarroja es la señal de entrada que la cámara termográfica necesita para generar una imagen de un espectro de colores, en el que cada uno de los colores, según una escala determinada, significa una temperatura distinta, de manera que la temperatura medida más elevada aparece en color blanco. Las termografías pueden ser aplicadas en cualquier situación donde un problema o condición pueda ser visualizado por medio de una diferencia de temperatura. <br />Una termografía puede tener aplicación en cualquier área siempre y cuando esta tenga que ver con variación de temperatura. Las cámaras termográficas han sido desarrolladas con tecnología Uncooled Focal Plane Arraydetector (UFPA) consistente de una matriz de dos dimensiones (320x24) formada por unos detectores conocidos como microbolómetros.<br />Las cámaras de infrarrojos se utilizan para revelar un aumento de calor local en la pala. Esto puede indicar, bien un área con humedecimiento estructural, es decir, un área donde el diseñador de la pala ha dispuesto, de forma deliberada, fibras que convierten la energía de flexión en calor con el fin de estabilizar la pala, o bien puede indicar un área de delaminación o un área que se está moviendo hacia el punto de rotura de las fibras, presencia de hielo interno. <br />Arriba-Izquierda 3. Foto que muestra la inspección pasiva de la parte central de la pala con una IR-cámara (infra red-camera).La imagen térmica en la figura arriba-derecha 4 muestra la distribución de la temperatura dentro de la pala del rotor poco después de pegar las dos mitades.Los fallos que se producen durante el encolado de las dos conchas se puede observar desde fueradela la pala, ya sea en el borde de ataque (ver fig 5. abajo) o en el borde de fuga. (flechas amarillas)<br />El fuerte viento y los cambios de dirección del mismo tienen un gran impacto en el material de la pala del rotor. Sobre todo la influencia constante de las cargas cíclicas que afectan a las fibras compuestas de su estructura, grietas y aparecerá un proceso de degradación que afectará a las palas.<br />Frecuentes cambios de las cargas provocadas por la turbulencia del viento y cambios de dirección de éste, producen diferencias de temperatura en las palas durante la rotación que indica la alta tensión o la relajación del estrés en las diferentes áreas de las palas de modo fluctuante (secuencias de tracción-compresión longitudinal y flexión por cada revolución del rotor). (Fig. 6).<br />Al lado de la distribución de la tensión, pequeñas grietas y faltas de aplicación de resina entre capas producirá calor por fricción debido a la excitación cíclica (Fig. 7, flechas rojas).<br />Figura 6: la imagen térmica del rotor mientras está en movimiento. Las zonas brillantes son más calientes que las zonas oscuras y muestran la emisión de calor debido a la carga mecánica (flechas azules).Figura 7: la imagen térmica del rotor mientras que estáen movimiento. Las áreas brillantes indican de-laminaciones producidas por el calor generado por la fricción de microfisuras.<br />La Termografía Pasiva y Activa es una técnica poderosa para la detección de diferentes defectos como de laminaciones, burbujas de aire en la fibra de vidrio reforzada y faltas de aplicación de resina entre capas, así como fallas estructurales. <br />Esta técnica puede aplicarse también en el taller justo después de la producción o en el parque eólico.<br />Algunas empresas ya comenzaron a utilizar la termografía pasiva para la detección de defectos de aplicación de pegamento durante la producción. Pero en el futuro cada vez más empresas comenzarán a inspeccionar cada pala para un control de calidad 100%. Sobre todo si las palas van a ser utilizadas para aplicaciones off-shore, caso en el que se debe evitar los elevados gastos indirectos que un solo defecto puede ocasionar.<br />Sistema de protección contra rayos (Lightning)<br />Debido al aumento de la penetración de la energía eólica en Europa y en particular en España, se hace necesario evaluar todos los posibles riesgos en estas instalaciones, considerando los impactos de rayo como uno de los mayores peligros. En la actualidad existe una normativa específica para la protección contra el rayo en aerogeneradores, en concreto la IEC 61400-24, basada en la IEC 61024. Este apartado presenta un análisis del tipo de descargas a las que puede verse sometido un aerogenerador y que será necesario conocer a la hora de diseñar un adecuado y efectivo sistema de protección contra el rayo.<br />Este sistema conduce el rayo desde ambas caras de la punta de la pala hasta la raíz y desde ahí a través de la nacelle y de la estructura de la torre hasta el sistema de puesta a tierra de las cimentaciones.<br />Source: LM GlasfiberWind blade manufacturer LM Glasfiber's lightning test procedure includes full-scale testing, shown here on a 35m/115 ft blade.<br />Es importante que durante el montaje de los alabes, asegurar que todas las juntas sean herméticas y fuertes, y que además, la calidad de la pala esté garantizada en todos sus componentes.<br />En la mayoría de los casos se realizaba solamente una inspección visual durante la producción de las palas. Actualmente la mayoría de las empresas fabricantes de palas realizan sistemáticamente mediciones de resistencia de 4 puntos en todas las palas que salen de las fábricas. Este método es muy preciso, ya que permite localizar fallas en las juntas de los conductores de rayos y rectificarlos en el lugar correcto del proceso de fabricación.<br />Este método de medición consiste en la medición de la resistencia óhmica en el área de los mili-ohmios, lo cual requiere el empleo de 4 conductores de medición en lugar de los 2 que normalmente se utilizan en la medición de resistencia. Al emplear 4 conductores, el instrumento mismo puede compensar la resistencia de los conductores de medición, lo cual naturalmente, no debe medirse. Los conductores de medición son normalmente mucho más delgados que un cable de pararrayos. De ese modo, la resistencia en los conductores de medición será mucho mayor que en la de un cable de pararrayos.<br />En las intervenciones de mantenimiento, una de las revisiones es la comprobación de la continuidad eléctrica del pararayos.<br />Perdidas Aerodinámicas por Ensuciamiento (Double Stall)<br />La pérdida de sustentación puede ser provocada si la superficie de la pala del rotor de un aerogenerador no es completamente uniforme y lisa. Una mella en la pala del rotor, o un trozo de cinta adhesiva, pueden ser suficientes para iniciar una turbulencia en la parte trasera, incluso si el ángulo de ataque es bastante pequeño.<br />Se denomina Stall a la pérdida de sustentación de una pala por cambios en su comportamiento aerodinámico, de la misma forma que cuando un avión vuela a una velocidad considerablemente baja, la sustentación de sus alas disminuye y entra en pérdida.<br />En el caso de las máquinas controladas por Pitch, el fenómeno de pérdida se produce por la rotación de la pala sobre su eje. En las máquinas controladas por pérdida pasiva (Stall controlled) a partir de una determinada velocidad de viento se comienza a producir pérdida aerodinámica progresiva manteniendo el par constante e independiente de la velocidad del viento. Esto es, como se ha mencionado, producido por el diseño específico de la pala.<br />La curva de potencia de una turbina es la respuesta en potencia generada por ese aerogenerador frente a todas las velocidades de viento.<br />Si no existiera pérdida aerodinámica, la gráfica seguiría ascendiendo conforme aumenta la velocidad del viento hasta producir daños severos en la estructura.<br />A la vista del gráfico se deduce que una máquina será tanto más eficiente cuanto mayor sea la pendiente y más a la izquierda se encuentre la zona de ascenso de la gráfica (producirá más potencia a menor viento) y cuanto más estable (horizontal) sea la zona de producción constante. <br />DoubleStall Es un fenómeno propio de las turbinas controladas por pérdida aerodinámica, aunque también afecta a las máquinas controladas por Pitch. Se produce, tal y como su nombre indica, cuando ocurre una segunda pérdida aerodinámica en la pala que no es fruto del diseño de ésta y que tiene como consecuencia la disminución de la energía extraída del viento por el rotor.<br />La siguiente curva de potencia muestra una turbina afectada por double stall junto con la curva de potencia teórica:<br />La acumulación de restos de insectos en el borde de ataque de las palas coincide con el entorno del punto 4 en el cual la velocidad es nula y no hay efecto arrastre del viento (remanso)<br />El área rayada muestra gráficamente el déficit de potencia como consecuencia de la pérdida de eficiencia sufrida por la turbina al experimentar el fenómeno descrito que, dependiendo del caso puede llegar hasta el 50 % de la producción teórica. Si bien hay un punto de inflexión en la gráfica donde se identifica el efecto, la pérdida real de producción se produce a lo largo de toda la gama de vientos, mostrado en forma de desplazamiento de la curva a la derecha. <br />Causas<br />Existen varias razones por las que se puede producir double stall, tales como un diseño defectuoso de la pala o acumulación de elementos extraños en la misma, como puede ser polvo, suciedad, restos de insectos, aceite o hielo entre otros, que modifican el perfil aerodinámico de la estructura induciendo a comportamientos extraños (nunca beneficiosos) en la transformación de la energía del viento en par de giro.<br />Desde hace algunos años, la hipótesis de la acumulación de restos de insectos en el borde de ataque de las palas viene tomando fuerza, en concreto desde la publicación de la tesis doctoral de Corten en 2001. En ella se hace un minucioso estudio experimental de cómo afecta al rendimiento la pérdida aerodinámica y la relaciona con la suciedad acumulada en las palas por este motivo. Es a partir de dicho estudio cuando comienzan a aparecer publicaciones en revistas de gran prestigio acerca de esta problemática, tales como Science y Nature.<br />Insectos voladores<br />Escarabajos voladores observados en las inmediaciones de las turbinas de Magallón-26 en el mes de mayo de 2005:<br />Cuando estas nubes de insectos voladores alcanzan el área barrida por el rotor, las palas impactan contra ellos acumulándose los restos en el borde de ataque, de la siguiente forma:<br />El aumento de rugosidad así provocado perjudica notablemente a la eficiencia aerodinámica de la pala. <br />Caso real. Parque Eólico Magallón 26<br />El parque eólico Magallón 26, situado entre las localidades de Magallón y Pozuelo de Aragón en la provincia de Zaragoza, viene sufriendo los efectos del double stall desde su puesta en funcionamiento en enero de 2004, como así lo atestiguan las curvas de potencia extraídas desde esta fecha hasta la actualidad.<br />Se ha llevado a cabo un seguimiento minucioso de la evolución de las pérdidas de potencia ocasionadas y de las posibles causas, llegándose a la conclusión de que se trata de acumulación de restos de insectos en el borde de ataque de las palas (otro tipo de suciedad como polvo o aceites contribuyen también a dicho efecto). Es pues un fenómeno recurrente en el tiempo, con alto grado de incertidumbre respecto a su aparición y de difícil prevención. Existen varios factores que avalan esta hipótesis como son:<br />Se detecta pérdida de potencia tras periodos secos y con vientos suaves: días soleados y con poca intensidad de viento son favorables para el vuelo de insectos, mosquitos y escarabajos voladores principalmente, atraídos por el color blanco de las turbinas, como muestra la imagen. Ocurre principalmente en la primavera tardía: coincidiendo con la eclosión de las larvas, se produce un incremento sustancial en el número de insectos voladores.<br />Tras una limpieza manual de las palas, la producción de la turbina se recupera: de esta forma se comprueba que la suciedad acumulada es la causa del problema. Se demuestra también que la suciedad acumulada corresponde a restos de insectos.<br />Fenómenos lluviosos recuperan la curva de potencia: el agua de lluvia actúa como limpiador natural de las palas, recuperando la aerodinámica de éstas y por consiguiente, la eficiencia de la turbina.<br />El Plan de Vigilancia Ambiental llevado a cabo en el parque eólico con una duración de cuatro años ha prestado especial atención a la evolución de la presencia de insectos voladores, constatando que durante los meses de primavera (marzo, abril y mayo) se produce un incremento notable de la densidad de vuelo de éstos. Este patrón coincide con la mayor afección anual a la curva de potencia de las máquinas y se cree que ambas situaciones están directamente relacionadas. <br />Estimación de consecuencias<br />Desde un punto de vista genérico, las implicaciones de la aparición de double stall debidas a este fenómeno son considerables. Haciendo uso de la experiencia acumulada en el funcionamiento del parque eólico Magallón 26, los cálculos económicos para un parque tipo de 1 MW de potencia serían los siguientes: <br />Potencia nominal:1.000 kWHoras equivalentes anuales:2.500 hProducción teórica:2.500.000 kWhPrecio:0,08 €/kWhIngresos teóricos:200.000 €/añoFenómeno Double Stall Pérdida media en curva de potencia:20 %Pérdida de producción:500.000 kWh Pérdida de ingresos:40.000 €/año por MW instalado<br />Es decir, asumiendo una pérdida media anual en la curva de potencia del 20 %, la producción puede mermarse hasta en medio millón de kilovatios-hora anuales (equivalente al consumo anual de 143 hogares), lo que supone una pérdida económica de hasta 40.000 euros al año.<br />Es necesario asimismo tener en consideración las complicaciones a la hora de realizar las previsiones diarias de producción y las posibles sanciones deribadas. Red Eléctrica de España necesita programar la producción de energía eléctrica con antelación en función de la demanda puntual al igual que la operadora del mercado intradiario (OMEL). Por todo ello, las consecuencias de la aparición de double stall son considerables. Se establece por tanto la prioridad de buscar soluciones a un problema que conlleva innumerables perjuicios no sólo debido a la pérdida de producción sino a la gestión de la producción eólica a nivel nacional, pues la incidencia del fenómeno es de carácter global. <br />Al respecto, cabe realizar una serie de consideraciones previas: <br />En cuanto a la limpieza: <br />La producción de las turbinas alcanza su valor óptimo tras una operación de limpieza.<br />Tan pronto como la suciedad vuelve a acumularse en las palas, la curva de potencia cae de nuevo.<br />En cuanto a la operación de limpieza manual: <br />Se requiere parada de la turbina durante al menos 4 horas.<br />Es necesario un mínimo de 3 operarios cualificados y equipamiento especializado.<br />Se realiza instalación de un sistema de elevación por poleas a través del rotor, en contacto físico con elementos móviles de la turbina.<br />Se requiere ausencia total de viento para la operación.<br />Presenta un alto coste.<br />Operación no exenta de riesgos.<br />La empresa propietaria de Magallón-26 comienza, desde los primeros meses de verano de 2004, a trabajar en el diseño de un sistema que imite un episodio lluvioso en relación a las palas de los aerogeneradores afectados, que obtenga resultados aceptables de limpieza minimizando las desventajas de la operación de limpieza manual. Este proyecto irá conformándose en lo que se ha denominado el Proyecto de Desarrollo BladeCleaning®, limpieza de palas.<br />Consideraciones económicas<br />Costes de operación y mantenimiento <br />La experiencia muestra que los costes de mantenimiento son generalmente muy bajos cuando las turbinas son completamente nuevas, pero que aumentan algo conforme la turbina va envejeciendo. <br />EL MANTENIMIENTO SISTEMÁTICO FRENTE A LAS TÉCNICAS PREDICTIVAS<br />Un error fundamental que es necesario poner de manifiesto es que las famosas curvas de probabilidad de fallo vs tiempo de funcionamiento no se corresponden con las tan conocidas ‘curvas de bañera’. En estas curvas se reconocían tres zonas:- Zona inicial, de baja fiabilidad, por averías infantiles- Zona de fiabilidad estable, o zona de madurez del equipo- Zona final, nuevamente de baja fiabilidad, o zona de envejecimiento.Como se daba por cierta esta curva para cualquier equipo, se suponía que transcurrido un tiempo (la vida útil del equipo), éste alcanzaría su etapa de envejecimiento, en el que la fiabilidad disminuiría mucho, y por tanto, la probabilidad de fallo aumentaría en igual proporción. De esta manera, para alargar la vida útil del equipo y mantener controlada su probabilidad de fallo era conveniente realizar una serie de tareas en la zona de envejecimiento, algo parecido a un ‘lifting’, para que la fiabilidad aumentara.<br />La estadística ha demostrado que, tras estudiar el comportamiento de los equipos en una planta industrial, el ciclo de vida de la mayoría de los equipos no se corresponde únicamente con la curva de bañera, sino que se diferencian 6 tipos de curvas:<br />Curiosamente, la mayor parte de los equipos no se comportan siguiendo la curva A o ‘curva de bañera’. Los equipos complejos se comportan siguiendo el modelo E, en el que la probabilidad de fallo es constante a lo largo de su vida, y el modelo F.<br />Los aerogeneradores daneses más antiguos (25-150 kW) tienen costes de reparación y mantenimiento de una media de alrededor del 3 por ciento de inversión inicial de la turbina. Las turbinas más nuevas son en promedio sustancialmente más grandes, lo que tendería a disminuir los costes de mantenimiento por kW de potencia instalada (no necesita revisar una gran turbina moderna más a menudo que otra pequeña). Para las máquinas más nuevas los rangos estimados son del 1,5 al 2 por ciento al año de la inversión inicial de la turbina.<br />La mayoría de costes de mantenimiento son una cantidad anual fija para el mantenimiento regular de las turbinas, aunque algunos prefieren utilizar en sus cálculos una cantidad fija por kWh producido, normalmente alrededor de 0,01 dólares americanos/kWh. El razonamiento sobre el que se apoya este método es que el desgaste y la rotura en la turbina generalmente aumentan con el aumento de la producción.<br />Las diferencias de costo en las intervenciones son dramáticas, especialmente cuando hace falta la grúa. Aquí cobra importancia el mantenimiento predictivo, para anticiparse a las fallas catastróficas y conseguir con antelación los equipos y materiales necesarios para la intervención.<br />Reparación en elevación vs. Desmontaje con grúa<br />CONCLUSIONES<br />1. La variabilidad de solicitaciones que soportan los aerogeneradores hacen indicado implantar técnicas de Mantenimiento Predictivo (MP).<br />2. La mayor potencia unitaria de los aerogeneradores (gamas MW) y la mayor fiabilidad de los sistemas de MP (mayor experiencia y desarrollos específicos para eólica) hacen concebible su uso (claramente en offshore).<br />3. Para que un tipo de averías sea gestionable con técnicas de MP se precisa: (i) conocer sus síntomas y (ii) capacidad para detectar los niveles de alerta con suficiente antelación para programar intervenciones.<br />4. El MP se puede abordar: (i) con Inspecciones del estado real de los componentes, (ii) con monitorización del comportamiento de los componentes (Condition Monitoring –CM) o (iii) midiendo solicitaciones y calculando el deterioro que experimentan los componentes que las soportan (Contadores de Fatiga).<br />5. Principales técnicas de CM que se aplican actualmente en eólica: análisis de vibraciones, contaminación por partículas en aceite y deformaciones en palas.<br />6. A partir de datos de SCADAs y/o de equipos específicos de CM se pueden construir Modelos Globales del aerogenerador: Modelos Físicos , Modelos No-Paramétricos ; que permiten predecir algunas variables de estado en función de otras, de manera que se pueda comparar la predicción con la medición. También pueden realizarse estudios comparativos entre diferentes poblaciones de aerogeneradores con sus datos históricos mediante Modelos Estadísticos.<br />7. Los Contadores de Fatiga en su formulación requieren de un tratamiento avanzado de ingeniería, pero una vez establecidos permiten de una manera sencilla obtener indicadores del deterioro de componentes en base a medidas sencillas como la velocidad media de viento.<br />8. El valor que aportan las técnicas de MP (sobre todo los sistemas de CM por su coste) depende del tamaño de los aerogeneradores, de la tasa esperada de averías y de los costes. Es recomendable estudiarlo para cada caso.<br />Anexos<br />-Agentes implicados en el mantenimiento de un parque eólico<br />ORGANIZACIÓN FUTURA del MANTENIMIENTO: EMPRESAS INDEPENDIENTES<br />-Conseguir autonomía respecto al fabricante para reducir costes.<br />-Subcontratas de mantenimiento.<br />-Multitud de empresas de diversos sectores en contratación económica quieren incorporarse.<br />-La competencia ayudaría a reducir los costes<br />-Tecnólogos centrados en tecnologías de más potencia<br />-Independencia tecnológica del fabricante y de los suministradores de servicios.<br />-Asegurar el suministro de repuesto.<br />Reparación en altura sin desmontar la palaReparación de una gran pala, se requirió una grúa de gran tonelaje para desmontarla de la góndola<br />CARACTERÍSTICAS DE LAS INSPECCIONES<br />Las INSPECCIONES se realizan en el propio aerogenerador. En ellas se comprueba el estado de los componentes.<br />Proporcionan la información más fiable del estado real del aerogenerador.<br />Pero… Consumen muchos recursos humanos.<br />Su realización suele implicar la parada del aerogenerador.<br />La mayor parte de la información es cualitativa lo que dificulta los estudios de tendencias.<br />Por tanto son de aplicación: Para seguimiento del deterioro de componentes que evolucionan lentamente (el aumento del deterioro es pequeño durante el periodo entre inspecciones).<br />Para comprobación de estado real del componente una vez que otros métodos (monitorización de estado o contadores de fatiga) han predicho que se ha alcanzado un nivel de deterioro significativo.<br />Durante los mantenimientos preventivos habituales del aerogenerador (1 –2 veces al año).<br />RESISTENCIA DE ROZAMIENTO (Df)<br />La Resistencia de Rozamiento se debe a la viscosidad del aire principalmente. (Viscosidad: Se llama viscosidad al rozamiento interno que presentan los fluidos al desplazarse, creando por lo tanto una resistencia al movimiento de dicho fluido).<br />Al desplazarse el perfil aerodinámico dentro del flujo, el aire en contacto directo con su superficie forma una película ó capa, llamada Capa Límite ó Superficial.<br />Esta capa se adhiere a la superficie reduciendo su velocidad ejerciendo una acción de frenado lo que determina la resistencia al avance por rozamiento superficial.<br />Esta resistencia aumenta con la rugosidad ó aspereza de la superficie, suciedad sobre la misma, mala unión ó un pésimo remachado, como también cuando se rasga, perfora ó se golpeara la piel de las palas.<br />Stall<br />Si el ángulo de ataque es pequeño, todo el flujo de aire sobre la pala se encuentra adherido a su superficie,<br />cumpliéndose que la velocidad de paso del aire es mayor por la cara superior, es decir, la presión es menor, por lo que se produce una fuerza de sustentación ascendente. Ahora bien, cuando el ángulo de ataque aumenta, al aumentar la velocidad del viento, por ejemplo, el flujo de aire sobre la cara superior comienza a separarse de la pala, creando una turbulencia que invierte la dirección del flujo en ese segmento.<br />La velocidad de paso del aire por la cara superior desciende bruscamente, por lo que la presión aumenta, rompiendo la diferencia de presiones que producía la sustentación, con la consiguiente pérdida de fuerza de rotación.<br />Omphlus lepturoides<br />Se ha identificado una especie de insecto cuyas características morfológicas y de comportamiento parecen tener una incidencia directa en el fenómeno estudiado.<br />Tras consultar con expertos entomólogos, se trata de un escarabajo volador, de la especie Omophlus lepturoides, de hábitos radicícolas (se alimenta de raíces), por lo tanto vive bajo el suelo hasta la eclosión, momento en que se hace volador con una vida media de una semana. Es atraído por colores vivos (blanco), vuela con vientos suaves y asciende hasta unas decenas de metros. Como se puede apreciar en la imagen, presenta unos élitros (cubierta de las alas) naranjas de cutícula gruesa; debido a esto, cuando uno de estos insectos colisiona con un rotor girando a gran velocidad, la rugosidad formada en la pala es considerable; la constante acumulación de restos de estos escarabajos en el borde de ataque contribuye de manera definitiva al fenómeno double stall.<br />EJEMPLOS DE MANTENIMIENTO PREVENTIVO<br />Bibliografía<br />Risø-R-1043(EN) “Double Stall”<br />Christian Bak, Helge Aagaard Madsen, Peter Fuglsang, Flemming Rasmussen<br />Risø National Laboratory, Roskilde-June 1998<br />Thermographic Inspection of Rotor Blades<br />Peter MEINLSCHMIDT, Jochen ADERHOLD,<br />Fraunhofer-Institute for Wood Research (WKI), Braunschweig, Germany<br />Lightning Strike Protection for Composite Structures <br />Composite structures are more vulnerable to damage than metal, but today's LSP products offer proven protection. Article From: High-Performance Composites July 2006, Ginger Gardiner Posted on: 7/1/2006 <br />Administración de Mantenimiento Industrial<br />E.T. Newbrough y personal de Albert Ramond y asociados – Editorial Diana - México <br />Sistemas Eólicos de Producción de Energía Eléctrica<br />Rodríguez, Burgos, Arnalte - Editorial Rueda S.L. – Madrid<br />Manual de Mantenimiento Industrial<br />L. C. Morrow – McGraw-Hill Book Company<br />Adaptación del Mantenimiento en Sistemas Eólicos<br />O&M de Parques Eólicos – NEO Energía<br />Mantenimiento Preventivo Basado en la Condición<br />Grupo de Trabajo de Explotación – Mantenimiento de Palas – Asociación Empresarial Eólica AEE<br />Propuesta de Actuación y Reparación de las Palas de los Aerogeneradores<br />RONERGY – Tui – Pontevedra. Cobertura de servicios para reparación<br />Explotación, Operación y Mantenimiento<br />Taller sobre Energía Eólica – 2009 - AEE<br />