Turbine eoliche nel controllo del clima

Le turbine eoliche sono sistemi tecnicamente molto complessi in cui l'energia cinetica del vento viene catturata come energia di rotazione e trasferita a un generatore dove viene convertita in elettricità. Ciò richiede un gran numero di componenti elettronici, che sono installati nelle turbine eoliche dalla testa ai piedi. Di conseguenza, anche la corretta gestione termica è una questione importante. I dispositivi elettronici richiedono sempre condizioni di temperatura affidabili, non devono surriscaldarsi, ma non devono nemmeno funzionare al di sotto delle specifiche di temperatura consentite. La condensa può anche causare gravi danni all'elettronica. Inoltre, i sistemi offshore in particolare sono soggetti a condizioni ambientali difficili che devono essere prese in considerazione.

Gestione termica perfetta per le turbine eoliche

Lo Smart Sensor CSS 014 di STEGO è progettato per registrare in modo affidabile le temperature e l'umidità e trasmettere i dati tramite interfacce adeguate, in modo che gli operatori abbiano sempre una panoramica affidabile delle condizioni termiche e dei cambiamenti nelle turbine eoliche. I sensori creano una migliore situazione dei dati fornendo continuamente informazioni precise sulle condizioni climatiche all'interno del sistema. Su questa base, i componenti di climatizzazione possono essere controllati con precisione per regolare accuratamente la temperatura e l'umidità, garantendo condizioni operative ideali.

Grazie al controllo ottimizzato, i componenti sono sottoposti a minori sollecitazioni e sono protetti dai danni causati dalla condensa o dal surriscaldamento . Di conseguenza, la vita utile delle turbine eoliche si allunga e i guasti si riducono. Un minor numero di guasti si traduce a sua volta in minori costi di manutenzione e in una maggiore disponibilità del sistema, che in ultima analisi consente di risparmiare sui costi e garantire i profitti.

Il sensore intelligente CSS 014 di STEGO è stato sviluppato proprio per questo scopo in risposta alle esigenze di un produttore di turbine eoliche e, grazie alla sua efficienza e digitalizzazione generale, si è ora affermato in numerosi altri settori, tra cui l'infrastruttura di ricarica per la mobilità elettrica (vedi riquadro).

Energia eolica in crescita

Attualmente in Germania sono presenti 1.566 turbine eoliche offshore, suddivise in 29 parchi eolici situati al largo delle coste del Mare del Nord e del Baltico. Attualmente generano 8.465 MW di potenza nominale all'anno (al 2023) ^*1, pari a oltre 7.000 MW in più rispetto a dieci anni fa. (Nel Regno Unito la cifra è già di 14,7 GW e in Cina di 37,3 GW).

L'obiettivo del governo tedesco è di installare almeno 70 gigawatt di energia eolica offshore nelle acque tedesche entro il 2045 . Questi obiettivi di espansione sono stati addirittura adottati sotto forma di emendamento alla legge sull'energia eolica in mare (WindSeeG).

Mentre l'offshore è ancora al quarto posto in termini di produzione lorda di energia elettrica da fonti rinnovabili in Germania con 23,8 TWh, l'eolico onshore è in testa con 120,9 TWh ed è aumentato di oltre il 30% rispetto al 2021. ^*2

Secondo EnBW, tuttavia, per raggiungere gli obiettivi climatici entro il 2030, sarebbe necessario costruire ulteriori turbine eoliche da 10.000 MW in questo segmento. L'energia eolica è quindi uno dei pilastri più importanti quando si tratta di fornire elettricità verde. E la sua espansione sta facendo progressi sempre maggiori.

Sicurezza contro i guasti grazie a una diagnostica a distanza affidabile

Per garantire una produzione di energia sicura e affidabile, è importante monitorare l'elettronica sensibile delle turbine eoliche ed effettuare una manutenzione regolare: un'attività costosa, soprattutto quando si tratta di turbine offshore. Questo perché spesso sono di difficile accesso, sono difficili da raggiungere e le condizioni climatiche avverse in alto mare rendono il lavoro in queste zone una sfida.

I sistemi di monitoraggio delle condizioni vengono utilizzati per la diagnostica a distanza, al fine di mantenere i sistemi sotto costante controllo. La complessità dell'elettronica è quindi in costante aumento. Per proteggerli e prevenire guasti tecnici, i sensori intelligenti CSS 014 di STEGO fanno parte dei sistemi. Il sensore rappresenta l'evoluzione digitale nella gestione termica dei componenti elettronici. Misura i parametri importanti della temperatura da -40 °C a 80 °C e dell'umidità relativa da 0 a 100 % RH e consente quindi di trarre importanti conclusioni sul funzionamento del sistema. Se la temperatura nella turbina eolica è troppo alta o troppo bassa, il dispositivo segnala la necessità di intervenire, poiché importanti componenti e quindi funzioni rischiano di guastarsi. Grazie a un istogramma aggiuntivo di tutti i dati misurati, è sempre possibile avere una panoramica affidabile dello stato della turbina.

Flessibilità e facilità di integrazione grazie a IO-Link

STEGO ha scelto IO-Link come protocollo di comunicazione. Ciò significa che il sensore intelligente può essere facilmente parametrizzato per l'uso nelle turbine eoliche utilizzando un software di interfaccia su un PC. IO-Link garantisce inoltre flessibilità, in quanto i sensori e gli attuatori di diversi produttori possono essere facilmente integrati utilizzando interfacce standardizzate . Anche il cablaggio è ridotto al minimo grazie a IO-Link con cavi standardizzati, non schermati e con almeno tre conduttori. L'installazione è semplice e riduce i tempi e i costi.

I dati raccolti vengono trasmessi a un controllore di sistema di livello superiore tramite IO-Link. Oltre ai parametri di commutazione puri per la temperatura e l'umidità, l'utente ha a disposizione ulteriori "eventi" configurabili . La parola chiave è "dati a valore aggiunto". Poiché IO-Link consente l'accesso a dati diagnostici estesi e a parametri del dispositivo, il monitoraggio e la manutenzione possono essere adattati e ottimizzati individualmente a seconda dello scenario applicativo. La configurazione e la parametrizzazione centralizzata dei dispositivi facilita notevolmente la messa in servizio e le successive modifiche.

In sintesi, IO-Link combina la semplicità di installazione con la flessibilità, la maggiore disponibilità di dati e l'efficienza dei costi.

In alcuni sistemi, lo Smart Sensor viene utilizzato anche in versione 4-20 mA. Poiché STEGO opera da molti anni nel settore dell'energia eolica con i suoi prodotti per la gestione termica, lo Smart Sensor CSS 014 si inserisce perfettamente nel portafoglio composto da igrostato, ventilatore a filtro, termoventilatore, termostato e illuminazione a LED.

Protezione sostenibile dell'elettronica, anche nell'apparecchio stesso

L'unità sensore stessa è stata sviluppata in modo da adattarsi perfettamente alle difficili condizioni operative in alto mare. Gli esperti di gestione termica di STEGO hanno disaccoppiato termicamente il dispositivo e lo hanno incapsulato con una guarnizione circonferenziale, ottenendo un'elevata resistenza alle vibrazioni e una protezione IP57 nell'area del sensore. Il microcontrollore, il driver di interfaccia e l'unità di protezione EMC sono disposti in una disposizione ottimizzata dal punto di vista termico sulla scheda di circuito protettiva laccata del CSS 014, in modo da eliminare praticamente qualsiasi influenza sui valori misurati dovuta al calore residuo.

Non solo è possibile effettuare una diagnostica remota affidabile utilizzando i valori misurati, ma è anche possibile ottimizzare il controllo dell'intera turbina eolica e controllare singoli dispositivi come ventilatori, unità di raffreddamento e riscaldatori in base alle esigenze . Il sistema di controllo di livello superiore utilizza i dati trasferiti per decidere quali azioni devono essere eseguite. Ad esempio, gli attuatori possono essere controllati con precisione millimetrica per raggiungere lo stato operativo desiderato o per garantire i parametri ambientali desiderati.

Vantaggi rispetto al classico controllo a due punti

Il controllo di componenti di climatizzazione come riscaldatori e ventilatori tramite un sensore di temperatura e umidità in combinazione con un controllore di sistema offre notevoli vantaggi rispetto a un classico controllore a due punti: Mentre il regolatore a due punti si limita a passare da uno stato all'altro (on/off), il sistema controllato dal sensore consente una regolazione più precisa e continua della climatizzazione. In questo modo, il controllore del sistema può adattare il funzionamento dei componenti della climatizzazione in modo più preciso alla domanda effettiva. Si evitano accensioni e spegnimenti non necessari, riducendo il consumo energetico e prolungando la durata dei componenti.

Nel complesso, il sistema di controllo basato su sensori contribuisce a un funzionamento più efficiente, preciso e duraturo dei componenti . Si riducono anche le riparazioni necessarie, che rappresentano un fattore di costo significativo, soprattutto in alto mare. Naturalmente, lo Smart Sensor CSS 014 è adatto anche all'uso nelle turbine eoliche onshore. Le applicazioni e le funzioni rimangono le stesse. Nel settore offshore, la manutenzione remota gioca un ruolo più importante, semplicemente in termini di accessibilità dei parchi eolici in alto mare.

^*1 Statistiche, indagine di Deutsche WindGuard, "Stato di espansione dell'energia eolica offshore in Germania".

^*2 Indagine di BDEW; ZSW; Ufficio federale di statistica, rapporto annuale "L'approvvigionamento energetico 2023".

Utilizzo nell'infrastruttura di ricarica per la mobilità elettrica

Lo Smart Sensor CSS 014 di STEGO è molto efficiente dal punto di vista dei costi, quindi vale la pena utilizzarlo anche per applicazioni più piccole. Un esempio è l'infrastruttura di ricarica per l'aumento dell'elettromobilità. Durante il processo di ricarica si genera calore, che può portare a una grande differenza di temperatura tra l'interno della stazione di ricarica e la temperatura esterna. Questo può portare alla formazione di condensa all'interno della stazione di ricarica, che nel peggiore dei casi può causare il malfunzionamento dell'elettronica. Anche il surriscaldamento dovuto al calore disperso durante il processo di ricarica o a temperature ambientali troppo basse, soprattutto in inverno, può danneggiare i componenti elettronici.

Lo Smart Sensor CSS 014 assicura una gestione termica ideale in queste applicazioni. Misura continuamente la temperatura e l'umidità all'interno della colonna. In questo modo è possibile monitorare in modo affidabile le condizioni prevalenti nella stazione di ricarica e adottare tempestivamente le misure necessarie per evitare danni. In questo modo si evitano guasti, si riducono i costi operativi e si aumenta la disponibilità delle stazioni di ricarica.