Investigación de nuevas técnicas de mantenimiento de parques eólicos

Resumen

En los últimos años las energías renovables han sido propuestas como una solución al consumo de combustibles fósiles. En particular, la generación de energía eléctrica se ha incrementado de una forma espectacular en parques eólicos. Por todo esto, nuevas investigaciones que implementen la eficiencia de estos equipos y su mantenimiento correspondiente se hacen cada vez más necesarias. Por otra parte, para conocer la marcha de un proceso y decidir si debemos realizar algún tipo de actuación es necesario definir los principales parámetros que nos permitan evaluar los resultados que se están obteniendo en el área de mantenimiento. Para definir los datos más importantes se utilizan índices que han de ser precisos y cuantificados en base a la experiencia y la tasa de aprendizaje de las instalaciones estudiadas. Un indicador es un parámetro numérico que facilita la información sobre un factor crítico identificado en las instalaciones, en los procesos o en las personas respecto a la percepción de las mismas en cuanto a coste, calidad y plazos de desarrollo. Hay que tener cuidado en su elección puesto que corremos el riesgo de utilizar como tales una serie de números que no nos aporten ninguna información útil. En los últimos años se han realizado diferentes estudios en cuanto a la aplicación de estos indicadores al mantenimiento y, en particular, a su implantación en la producción de energía eólica. Esto es debido a que son unas instalaciones relativamente nuevas en las que no se tiene la experiencia necesaria para haber definido un sistema de mantenimiento óptimo de las mismas. Así mismo, puesto que la generación de energía en parques eólicos es dependiente de un factor natural y variable como es el viento, además de los índices que se puedan obtener de una instalación se hace necesario un análisis profundo del desarrollo de las gamas de mantenimiento y del comportamiento que tendrán los aerogeneradores con los futuros cambios metereológicos para conseguir una buena eficiencia en los parques eólicos. Se extrae de todo lo expuesto anteriormente que existe la necesidad de desarrollar unos algoritmos de predicción eficaces y así poder definir un nuevo procedimiento a seguir a la hora de mejorar el mantenimiento de parques eólicos por medio de gráficos de control y el control estadístico de procesos. Éste será el principal objetivo de esta tesis. La eficiencia energética sigue siendo a día de hoy un tema de gran interés para todos los sectores de la economía. En la presente tesis se ha obtenido una nueva metodología para la optimización del mantenimiento en parques eólicos basada en las diferentes técnicas de mantenimiento. Dentro del mantenimiento por diagnosis, se ha obtenido que el VBA es una herramienta de gran interés para el diseño de nuevas técnicas de software de ingeniería y para aplicar los métodos de aprendizaje. Igualmente, dentro del mantenimiento predictivo, se ha obtenido nuevos algoritmos de control basados en las condiciones climáticas para pronosticar averías y mejorar el mantenimiento de los sistemas de monitorización a distancia. De esta manera, ha sido seleccionado el análisis de la varianza (ANOVA) para definir los grupos de fallos bajo las mismas condiciones climáticas. Los resultados han mostrado una clara relación entre los grupos de averías del mantenimiento y las condiciones climáticas en las que ocurre. Por otra parte, esta tesis ha analizado las condiciones reales bajo un punto de vista de la calidad total con el fin de ayudar a mejorar el mantenimiento. El coste de mantenimiento de un parque eólico depende de las condiciones climáticas, por lo que se podrían predecir una vez que se conozcan las condiciones climáticas en el futuro. Trabajos previos de investigación han mostrado cierta tendencia a que el coste de mantenimiento de un parque eólico depende de las condiciones meteorológicas que podrían ser previstas una vez que se conozcan los patrones climáticos en el futuro. Para demostrar la verdadera relación entre el mantenimiento de parques eólicos y las condiciones climáticas se han analizado cuatro parques eólicos reales desde una perspectiva de calidad total. La experiencia de los operadores es un buen método para seleccionar los índices de mantenimiento del parque eólico derivados de los indicadores estándar. En este sentido, empleando el control estadístico de procesos de estos nuevos índices ha resultado ser un algoritmo adecuado para vigilar y controlar el rendimiento de parques eólicos. Además, una vez que se han observado nuevas tendencias en todos los índices, se pueden establecer las causas asignables para explicar las variaciones. Se llevó a cabo un análisis de correlación entre el valor mensual promedio de cada índice y la velocidad media del viento. Sólo el índice de costes de mantenimiento y el índice de coste de mantenimiento por hora han mostrado una clara relación con las condiciones climáticas. A pesar de que estos índices son adecuados para monitorizar y controlar el mantenimiento de parques eólicos, se debe de tener cuidado en la elección de estos debido al riesgo de la utilización de muchos datos que no proporcionen ninguna información útil. En este sentido, se ha revelado que los índices de porcentajes de reparación y mantenimiento preventivo y la tasa de porcentaje de los costes de reparación correctivas no son adecuados para el proceso de control estadístico de los parques eólicos. Los multiplicadores son una causa importante de averías en los parques eólicos. En la presente tesis, se ha obtenido una relación clara entre la producción de energía eólica de la turbina y la temperatura del multiplicador. En consecuencia, en este estudio se propone la aplicación de sistemas de control basado en las temperaturas óptimas de operación en estos elementos. En particular, se han utilizado los gráficos de control de las temperaturas de los multiplicadores sobre la base de datos reales de cada aerogenerador de un parque eólico real para comparar el valor medio de los mismos. Los resultados han mostrado una clara reducción en el tiempo de detección de fallos y una mejora en el mantenimiento de aerogeneradores. Otra ventaja de esta metodología es su velocidad de respuesta en comparación con el análisis de vibración normalmente empleada en estos estudios y la rentabilidad debida a sus sensores de temperatura de bajo coste. Dentro del mantenimiento proactivo en parques eólicos, los parques ya no son considerados meros elementos pasivos y las posibilidades de su contribución para ayudar a la transmisión de energía eléctrica deben de ser implementados. Aunque los aerogeneradores del tipo doblemente alimentados muestran cierta capacidad de modulación a nivel reactivo, la introducción por la Red Eléctrica Española de requisitos reglamentarios de reactiva implica una inversión en los sistemas de compensación externa. A partir de casos reales se ha concluido que se puede lograr una mejora del sistema de control con LonWorks, LCU y Scada en los actuales parques eólicos reales en cortos períodos de tiempo. Además, se ha estudiado el uso de condensadores entre las posibles opciones de control de potencia de reactiva con LCU. El método de trabajo ha permitido el cálculo del valor óptimo para cada condensador de la turbina eólica, así como el ajuste del condensador y la regulación dentro de un margen de potencia activa. De esta manera, se hace posible trabajar con diferentes configuraciones de nuevos algoritmos desarrollados que afectan al funcionamiento del condensador. En la presente tesis se ha muestreado la conversión de energía eólica durante un año natural al mismo tiempo que las condiciones climáticas. Como consecuencia de estos valores medios la conversión de energía eólica ha mostrado un valor máximo medio durante la temporada de invierno y un mínimo durante el verano como consecuencia de la velocidad del viento. Además, se ha obtenido un modelo 3D y probado bajo las condiciones previstas para el futuro. Los resultados han mostrado que la reducción de la potencia más alta alcanzará un valor del 9% para el año 2030 en primavera y del 7% en verano. En invierno y otoño, la reducción de la energía eólica será de alrededor del 6% de la potencia eólica actual. Por último, debemos recordar que la energía eólica puede aportar una contribución sustancial a los objetivos comunitarios de reducción de emisiones bajo el Protocolo de Kyoto. El viento podría cumplir con el 30% de la obligación de la Unión en 2030 si no se insiste lo suficiente en la investigación y desarrollo tecnológico y el desarrollo de productos. Por lo tanto, si tenemos en cuenta que hoy en día no hay aerogeneradores para el año 2030 debido al hecho de que la vida técnica útil de una turbina es de veinte años onshore y veinticinco años offshore ahora mismo, es el momento adecuado para considerar nuevas vías de desarrollo de turbinas para obtener rendimientos muy altos de producción de potencia.