Monitorización de reparaciones en palas eólicas

Oña García-Matres, Manuel de (2021). Monitorización de reparaciones en palas eólicas. Thesis (Master thesis), E.T.S.I. Industriales (UPM).

Description

Title: Monitorización de reparaciones en palas eólicas
Author/s:
  • Oña García-Matres, Manuel de
Contributor/s:
  • Muñoz Guijosa, Juan Manuel
Item Type: Thesis (Master thesis)
Masters title: Ingeniería Industrial
Date: 8 September 2021
Subjects:
Freetext Keywords: Pala eólica, Reparación, Monitorización de la salud estructural, Sensores de fibra óptica, Simulación
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Ingeniería Mecánica
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

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Abstract

humanidad. Es imprescindible que ocurra un cambio de paradigma en el mix energético mundial si queremos preservar el planeta en el que vivimos, y la energía eólica se postula como candidata a liderar este cambio por las enormes ventajas que conlleva su instalación. Sin embargo, en España, quinto país del mundo en potencia instalada onshore según datos del GWEC, el ritmo de instalación se ha ralentizado desde 2012 y la vida media del parque eólico es cada vez mayor. En 2020, el 36,4% de la potencia instalada tenía más de 15 años de antigüedad. Es evidente que, a medida que se produce el envejecimiento de los aerogeneradores, aumentan sus tasas de fallo, obligando a realizar un mantenimiento más exhaustivo para evitar costosas sustituciones. En el caso de las palas eólicas, actualmente se realizan reparaciones sobre defectos producidos tanto durante el proceso de fabricación como en servicio. No obstante, una vez concluido el trabajo de reparación, en la mayoría de los casos o no se realiza un seguimiento posterior o se llevan a cabo inspecciones preventivas rutinarias innecesarias y costosas. En este trabajo se propone una metodología para sensorizar mediante fibra óptica la superficie del parche y poder monitorizar el estado de salud de la reparación. Adicionalmente, se ha desarrollado un modelo de elementos finitos con el que poder definir un umbral de deformación a partir del cual, se debe parar la turbina e inspeccionar la reparación. El estudio de investigación se ha realizado en el Instituto Nacional de Técnica Aeroespacial (INTA) siguiendo una de las principales líneas del Área de Materiales Compuestos como es el uso de sensores de fibra óptica basados en redes de difracción de Bragg (FBGS) para diferentes aplicaciones del sector aeroespacial y militar. Este trabajo fin de máster se cimenta sobre los fundamentos expuestos por Félix Terroba en su tesis doctoral desarrollada en el mismo departamento. Además, la empresa Vestas se interesó en el proyecto y ha colaborado cediendo el material empleado típicamente en la fabricación de las palas eólicas y proponiendo la realización de un estudio sobre la influencia de la absorción de humedad en la calidad de la reparación. Este trabajo comienza con un análisis del estado del arte de las reparaciones en palas eólicas incluyendo tasas de fallo típicas, posibles zonas afectadas, los tipos de reparaciones y la idoneidad de cada una de ellas en función de la región de la pala eólica en la que se encuentra el defecto, así como una revisión del proceso de reparación in-situ. Adicionalmente, se explican los fundamentos teóricos que rigen la medición de deformaciones mediante sensores de fibra óptica. Posteriormente, se justifica el diseño de 6 paneles (3 monolíticos y 3 sándwich) representativos de los dos tipos de estructura que conforman una pala eólica. Se definen dos secuencias de laminación: M [±45/03/±45/03/±45] y S [±45/0/±45] para los paneles monolíticos y las pieles del sándwich, respectivamente. Todos los paneles se fabrican mediante laminación manual por vía húmeda de refuerzos de fibra de vidrio unidireccional y biaxial ±45 y resina epoxy. El núcleo utilizado ArmaForm GR100 es una espuma de polietilentereftalato (PET) de 15mm de espesor. Una vez fabricados todos los paneles, se provoca un daño controlado, se realiza una reparación de tipo scarf (en ángulo) y se pegan los sensores de fibra óptica sobre la superficie del parche. Por cada tipo de panel, se tendrán tres reparaciones en total, de las cuales una estará perfectamente pegada, mientras que en las dos restantes se forzarán despegues del 5 y del 10% con el objetivo de analizar si los sensores son capaces de detectar dichas delaminaciones tras ser sometidos a un ensayo de flexión por 4 puntos. Previamente a la realización de los ensayos, se realiza un modelo de elementos finitos para cada probeta con el objetivo de conocer el campo de deformaciones en la superficie de la reparación. A partir de esa información, se propone una distribución radial de 8 sensores, diferente a la empleada por Terroba en su tesis, capaz de predecir despegues superiores al 5% de la superficie total mediante la comparación continua entre las deformaciones medidas por dos sensores diametralmente opuestos: uno activo (situado en la zona despegada) y otro de referencia (situado en la zona pegada). La distribución radial de los FBGS permite detectar la delaminación independientemente de la dirección de la que provenga. Además, los resultados obtenidos con el modelo numérico se utilizan para optimizar el posicionamiento de los sensores. Una vez realizados los ensayos, se han comparado los resultados del modelo numérico con los datos experimentales. Aunque existe un error no despreciable entre ambos, el modelo permite establecer un umbral de deformación a partir del cual se puede afirmar que solamente el 90% de la superficie del parche está bien pegada, valor que se ha considerado como crítico para la integridad de la reparación. De esta forma, se demuestra la viabilidad de este sistema de monitorización y se propone una solución conceptual de aplicación real en un parque eólico en servicio. Por último, también se han fabricado una serie de probetas para ensayo de tracción con el objetivo de cuantificar la influencia de la absorción de humedad en la resistencia mecánica de probetas reparadas. Se fabricaron 4 paneles con la misma secuencia de laminación que los paneles monolíticos: uno sin reparar que serviría como referencia (T0), otro con una reparación realizada en seco correctamente (T), y los dos restantes se repararon tras exponer la superficie del panel a una cantidad de humedad conocida introduciéndolos en el interior de una cámara climática a 60 ºC y 85% HR durante una (TH) y tres (T3H) semanas. Finalmente, se realizaron los ensayos mecánicos y se compararon los resultados obtenidos.

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Item ID: 68698
DC Identifier: https://oa.upm.es/68698/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:68698
Deposited by: Manuel de Oña García-Matres
Deposited on: 02 Nov 2021 17:57
Last Modified: 22 Mar 2022 07:16
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