. Probleme De Mentenanţă La Turbinele Eoliene Cu Ax Orizontal Georgiana Liliana Simion Carmen Anca Safta (1) [609521]

PROBLEME DE MENTENANȚĂ LA TURBINEL E
EOLIENE CU AX ORIZONTAL

Georgiana- Liliana SIMION , Carmen- Anca SAFTA

MAINTENANCE ISSUES OF
HORIZONTAL AXIS WIND TURBINE

This paper p resents the concepts of maintenance and especially the
maintenance of onshore wind turbines. There are several types of
maintenance, each of them trying to reduce the costs with repairs of wind
turbine and also the losses of energy production.
Keywords: maintenance, wind turbines
Cuvinte cheie: mentenanță, turbine eoliene

1. Introducere

Mentenanța reprezintă ansamblul tuturor acțiunilor tehnice și
organizatorice efectuate în scopul menținerii unui sistem tehnic în
funcțiune sau restabilirii funcționalității unui sistem în parametrii de
proiectare. În ultimul timp conceptele de mentenanță s -au dezvoltat , au
evoluat în sensul scăderii costurilor de mentenanță și creșterii timpului
de bună funcționare al unui sistem tehnic (sau produs), [1].
Primele politici de mentenanță dezvoltate au avut în vedere
intervenții le asupra sistemelor tehnice care funcționau până la oprirea
lor accidentală datorită uzurii instaurate sau datorită apariției unor defecțiuni. Acest tip de mentenanță este asociat conceptului de
mentenanță reactivă: se intervine doar atunci când apare defectul și nu
se caută cauza, [2]. Mentenanța corectivă are în vedere planificarea

activităților de reparații la intervale regulate de timp astfel încât starea
de funcționare a sistemului tehnic să se realizeze în parametri de
proiectare. Eficiența acestui timp de mentenanță depinde de costurile
implicate și nu de timpul în care sistemul este repus în funcțiune, [2, 3].
Programul de mentenanț ă preventivă are la bază o pla nificare a
operați ilor de reparații și întreținere construit pe baze statistice în
funcție de evoluția numărului de defecte pentru un sistem tehnic dat. Este cunoscută din literatura de specialitate reprezentarea statistică a
apariției defectelor la un sistem tehnic, în car e la punerea în funcțiune
șansele de defectare sunt mari datorită problemelor care apar la
instalare, pentru ca apoi să urmeze o perioadă de timp de funcționare
fără defect, numită ”durată de viață” sau ”ciclu de viață”. După această
perioadă probabilitatea defectării crește rapid, sistemul necesitând fie o retehnologizare pentru prelungirea duratei de viață, sau înlocuirea.
Conceptul de mentenanț ă predictivă are la bază monitorizarea
continuă a stării de funcționare a sistemului tehnic, cu intervenții directe
atunci când parametrii monitorizați nu sunt în limitele corecte de
funcționare. Prin acest tip de program de mentenanță se asigură o rată
de defectare scăzută și o creștere a duratei de viață.
Prin proiectare, durata de viață a unei turbine eoliene este de
20 ani, timp în care chiar în condiții meteorologice extreme o turbină
eoliană trebuie să fie fiabilă, funcționând în siguranță și optim, [4]. Dacă
consi derăm că disponibilitatea unei turbine eoliene într -un an de zile
este de 40 %, atunci în 20 de ani avem 70.103 ore de funcționare, [4].
Lucrar ea de față vine să sublinieze că turbinele eoliene sunt
sisteme tehnice la care programele de mentenanță trebuie alese cu
mult discernământ, cu prioritate pentru mentenanța preventivă și
predictivă, având la bază o profundă cunoaștere a elementelor de
proiectare și exploatare specifice turbinelor eoliene.

2. Evoluția capacității instalate în energie
eoliană în România

La sfârșitul anului 2016, capacitatea instalată la nivel mondial
în energie eoliană era de 487 GW din care 54 GW au fost instalați î n
2016 , [5]. Dinamica investițiilor în domeniul energiilor regenerabile, și
cu precădere cel eolian, este foarte mare așa cum se observă și din
figura 1. În peri oada 2011 -2016 puterea instalată în energie eoliană
este mai mult decât dublată.
În România prima turbină eoliană a fost instalată în anul 2004.
Legislația în vigo are și cadrul instituțional creat au dus la o dezvoltare

fără precedent a tehnologiilor de pr oducere a energiei eoliene. Astfel,
ANRE (www.anre.ro) , ca autoritate administrativă autonomă de
reglementare în domeniul energiei, emite un regulament de acordare
de subvenții sub form ă de certificate verzi pentru producătorii de
energie electrică din sur se eoliene ceea ce trezește interesul multor
investitori. În noiembrie 2008 se publică în Monitorul Oficial (nr. 577)
Legea 220, [7], privind stabilirea sistemului de promovare a producerii
energiei din surse regenerabile de energie. Legea prevedea că
sistemul de bonificare în România este bazat pe certificate verzi, plătite
de consumatorul final, pe baza cererii și a ofertei.

Fig. 1 Evoluția capacității instalate în ener gie eoliană la nivel mondial , [6]

Fig. 2 Evoluția capacității instalate în energie eoliană în România, [11]

Cu un potențial teoretic de 2000 MW estimat în zona Dobrogea
pe baza măsurătorilor pe o perioadă de 39 ani (1965 -2004), [8],
România se plasează pe locul 2 în Europa (după Scoția). Iar cu energia
eoliană teoretică estimată la 23 TWh anual, [9, 10], România este lider
de piață în sud-estul Europei. În aceste condiții anul 2012 a însemnat
un vârf absolut în ceea ce privește instalarea de noi capacități eoliene
în România. În figura 2 se obser vă o creștere de ≈2,31 ori capacitate
instalată în 2012 față de 2011.
Anul următor însă, aduce noi schimbări legislative în domeniul
producerii de energie electrică din surse regenerabile de energie.
Guvernul emite o Ordonanță de Urgență prin care amână o parte din
certificatele verzi acordate producătorilor de energie d in surse
regenerabile, ceea ce î nseamnă limitarea și chiar stoparea investițiilor
în industria de profil. Drept urmare, în ciuda condițiilor naturale favorabile producerii de energie electri că din energia vântului , a
interesului arătat de investitori, în România în an ii 2013 -2016, ritmul de
punere î n funcțiune de noi capacități de producție scade considerabil î n
raport cu perioada 2010- 2012, [11].

3. Cauzele d efectelor uzuale la turbine eoliene
cu ax orizontal

În procesul de operare și mentenanță al unei turbine eoliene
sunt implicate numeroase părți, printre care amintim producătorul și
proiectantul turbinei, beneficiarul, echipa de exploatare și mentenanță.
Exploatarea și mentenanța cu succes a turbinelor eoliene include un
program bine stabilit în ceea ce privește personalul ce urmează a fi
implicat, programarea lucrărilor, proceduri de siguranță și securitate în muncă și nu numai. În general, echipa de mentenanță c omunică și face
schimb de informații cu echipa de exploatare.
Exploatarea unui parc eolian include activități zilnice de
administrare cum ar fi monitorizarea performanțelor turbinelor, supravegherea operațiunilor pe care le desfășoară personalul din
echipele de mentenanță programarea echipelor de intervenție pentru
mentenanța periodică dar și pentru evenimente nepl anificate.
Numărul persoanelor angajate într -o echipă de mentenanță
pentru un parc eolian depinde în cea mai mare parte de dimensiunea
parcului eolian (număr de turbine eoliene) și mai puțin de capacitatea
instalată. P ersonalul din echipa de mentenanță trebuie s ă fie pregătit
din punct de vedere mecanic, electric dar să aibă și abilități de operare
pe calculator pentru analizar ea și procesarea datelor culese, [12]. În

conformitate cu cartea tehnică a turbinei, organizar ea activității de
mentenanță necesită crearea unei baze de date în care sunt trecute
toate evenimentele care apar la ansamblurile și subansamblurile de
piese, momentele de timp în care s -au făcut intervenții, timpul de
funcționare făr ă defecțiuni , coroborat cu parametrii zilnici de exploatare
și energia produsă.
Turbinele eoliene sunt echipamente care lucrează în condiții
meteorologice grele, cu valori extreme de vânt și temperatură . Una din
cauzele producerii de accidente, cu scoaterea din funcțiune a turbinei,
este viteza prea mare a vântului , în rafală, timp îndelungat. De
asemeni, studiul lui Reder și Melero, [13], arată că în funcție de valorile
vitezei vântului înregistrate prin sistemul SCADA se pot face estimări și
predicții privind comportarea turbinei eoliene. Astfel, ei au arătat că
pentru cutia de viteză defectele apar la viteze mari ale vântului și mai
puțin la variațiile de viteză.
O turbină eoliană are în componența sa ansambluri cu
subansambluri prezentate în tabelul 1 (Elementele constructive pentru
o turbină eoliană cu ax orizontal ) [14].
În graficul din f igura 3 sunt reprezentate frecvențele de
defectare pentru subsistemele turbinei eoliene, [15], coroborat cu
tabelul 1.

Fig. 3
Frecvența
apariției
defectelor pe
componente,
[15]

În literatura
de specia-litate sunt
specificate
componente
le cu fiabili-tate mai
scăzută și
cauzele
apariției defectelor. Câteva elemente sunt prezentate în continuare.

Tabelul 1

MODUL DE PUTERE Generator
Convertizor frecvență
Comutator de viteză
Transformator MV/LV
Bloc starter soft
Cabluri de alimentare
Protecții

ROTOR ȘI PALE Sistem control pale
Sistem frânare
Rotor
Pale
Butuc rotor
Rulmenți pale

SISTEM DE CONTROL ȘI
COMUNICAȚII Traductori
Regulator
Sistem comunicare
Sistem comunicare și control situații de
urgență
Sistem achiziție date

NACELĂ Sistem control rotație nacelă
Capac nacelă
Capac inferior nacelă

SISTEM DE ANTRENARE Cutie de viteză
Rulment principal
Rulmenți
Frână mecanică
Arbore generator
Arbore rotor
Alte elemente (silent blocks)

SISTEME AUXILIARE Sistem de răcire
Sistem de protecție electrică
Sistem de securitate
Sistem hidraulic
Sistem de înregistrare date meteo
Sistem de protecție contra incendiilor
Sisteme auxiliare de alimentare
Sisteme auxiliare de cabluri
Sisteme de averizare luminoasă
Alte sisteme

STRUCTURĂ Turn
Fundație

● Rotorul turbinei eoliene înregistrează la nivelul palelor
defecte de tipul fisurilor care duc, datorit ă solicitărilor la oboseală, la
ruperea lor. Formarea fisurilor este legată fie de procesul tehnologic de
realizare a palei, [4], fie datorită acțiunii vântului, înghețul ui, modificarea
rugozității suprafeței palei ca urmare a acțiunii abrazive a particulelor
de praf. Modificarea rugozității palelor produce și un dezechilibru al
maselor în mișcare de rotație ce are ca efect apariția unei forțe
centrifugale care se transmit e mai departe nacelei și turnului.
● Turnul turbinei eoliene este expus la defecte ce apar datorită
oboselii, formării de fisuri, diverselor influențe din mediul exterior (cum
ar fi ploaia înghețată).
● Sistemul de antrenare prezintă defecte la nivelul arborelui
rotorului turbinei ( fisuri, dezechilibre de masă), în lagăre (distrugere prin
frecare, suprasarcini, supraîncălzirea, corodarea suprafețelor,
distrugerea suprafețelor de rulare).
● Cutia de viteze este supusă unor defecte de tipul fisurilor,
eroziune, coroziune, supraîncălziri, distrugeri de suprafețe. Cauzele
acestor defecte pot fi funcționarea la suprasarcină datorită vitezelor
mari ale vântului, blocaje, cicluri de funcționare la oboseală, deformări geometrice, probleme de ungere, influențele m ediului ambient
(exemplu umiditate crescută).
● Generatorul electric este elementul constructiv cu o frecvență
de defectare de 4 %, asemănător cu structură turn și cutie de viteză,
figura 3. Deoarece deteriorarea sistemului de izolație al statorului este
un proces gradual ce poate conduce la avarierea izolației conductoarelor și în cazuri majore la topirea fierului statorului se
impune o monitorizare continuă

4. Programe de m entenanț ă la turbinele eoliene
cu ax orizontal

Ca sistem tehnic , turbina eoliană are un preț de fabricație încă
ridicat: turbinele eoliene sub 100 kW au prețuri care variază între 3.000
și 8.000 USD/kW; dacă sunt sub 10 kW prețul unei turbine variază între
50.000 și 80.000 USD iar pentru turbinele eoliene de mare putere prețul
continuă să fie peste un milion de USD pe MW instalat, [16 ].
De aceea nu îți poți permite ca investitor și operator să asiguri
mentenanța turbinei pe tipul de program de mentenanță corectivă sau
reactivă.
Se impune deci adoptarea unor programe de mentenanță
preventivă, executată la intervale predeterminate de timp și ,

recomandate de către producătorul echipamentului sau rezultate din
experiența de exploatare. Se are în vedere acțiunea de prevenire a
defectării unor elemente componente turbinei eoliene sau reducerea
probabilității de evoluție în timp a unor defecțiuni. Toate echipamentele
necesită operațiuni de mentenanță la diferite nivele de dificultate.
Câteva dintre activitățile de ment enanță preventivă specificate de
producători cuprind: verificarea periodică a cutiei de viteze, verificarea
lifturilor și a scării de acces în nacelă, verificarea stingătoarelor de
incendiu din nacelă, inspecții periodice lunare (ale palelor, ale
generator ului), verificarea sistemelor de alarmă, verificarea sistemelor
de ungere, verificarea sistemelor de răcire etc.

Fig. 4 Analiză cauză-defect, [17]

Fig. 5 Modul în care se poate asigura mentenanța turbinei eoliene, [18]
Orice activitate de mentenanță preventivă necesită stabilirea
unui arbore de defecțiuni pentru fiecare ansamblu constructiv al turbinei
eoliene sau pentru fiecare tip de defect semnalând cauzele care
generează defectul . În figura 4 se prezintă un grafic de defecte obișnuit
în tehnicile de analiză de risc și numit ”os de pește”, [17].

În general, mentenanța turbinelor eoliene este asigurată de
producător pe perioada de garanție. În urma ieșirii produsului din
garanție, sunt organizate licitații ce vizează firmele specializate în
domeniu pentru contractarea acestor servicii. De sigur, la aceste licitații poate participa și producătorul turbinei și în multe cazuri serviciile de
mentenanță continuă să fie asigurate de acesta, figura 5.

5. Concluzii

ș Defectarea componentelor unei turbine eoliene poate duce la
imposibilitatea funcționării întregului sistem sau la funcționarea acestuia
la un randament redus, ceea ce înseamnă pierderi financiare pentru
beneficiar .

ș Pentru a diminua rata de defectare a componentelor turbinei
eoliene este necesară adoptarea unui program de mentenanță
preventivă sau predictivă cu o analiză serioasă a cauzelor și defectelor
care pot să apară în funcționarea turbinei eoliene.

BIBLIOGRAFIE

[1] Nakajima, S., Introduction to TPM: Total Productive Maintenance ,
Productivity Pr; 1988.
[2] Martis , C., Hedesiu , H., Sisteme Electromecanice, Editura Mediamira, Cluj –
Napoca, 2007.
[3] Marinescu, A -D., Safta, C -A., Popescu, T -C., Probleme de mentenanță
specifice sistemelor de acționare hidraulică/ Specific issues for maintenance of
hydraulic drive systems , A XVI – a Conferință internațională multidisciplinară
„Profesorul Dorin Pavel – fondatorul hidroenergeticii românești” – Sebeș, (10-
11) iunie 2016, publicat î n "Știință și Inginerie", 2016, vol. 29, pa g 325 -334,
ISSN 2067- 7138.
[4] Ragheb, M., Safty of wind systems , http://mragheb.com/NPRE%20475%.
[5] * * * http://www.gwec.net/global -figures/graphs/
[6] * * * http://www.wwindea.org/information- 2/information/
[7] * * * Legea 220/2008 pentru stabilirea sistemului de promovare a producerii
energiei din surse regenerabile de energie, republicata 2010, Monitorul Oficial,
Partea I nr. 577 din 13 august 2010.
[8] Rusan , N., Wind Energy Potential In The East Of Romania, Rev. Roum.
Géogr./Rom. Journ. Geogr., 54, (1), p. 77 –88, 2010, Bucharest , 2010.
[9] Colesca , S.E., Ciocoiu , C.N., An overview of the Romanian renewable
energy secto", Renewable and Sustainable Energy Reviews 24, 2013, pp. 149–
158.

[10] Dragomir , G., et al. Wind energy in Romania: A review from 2009 to 2016 ,
Renewable and Sustainable Energy Reviews 64, 2016, pp. 129– 143.
[11] * * * http://rwea.ro/energia -eoliana/energia-eoliana- in-romania/
[12] Conover , K., VandenBosche, J., Rhoads , H., Smith , B., Review of
Operation and Maintenance Experience in the DOE -EPRI Wind Turbine
Verification Program in American Wind Energy Association’s Wind Power
2000, 30 April -5 May 2000, Palm Springs, California
[13] Reder , M.D., Melero, J. J., Assessing Wind Speed Effects on Wind
Turbine Reliability , https://windeurope.org/summit2016/conference/submit -an-
abstract/pdf/278391064920.pdf
[14] Reder , M.D., Gonzalez , E., Melero , J.J., Wind Turbine Failures – Tackling
current Problems in Failure Data Analysis , Journal of Physics: Conference
Series 753 (2016) 072027, doi:10.1088/1742- 6596/753/7/072027.
[15] Kaidis , C., Wind Turbine Reliability Prediction . A SCADA DATA
PROCESSING & RELIABILITY ESTIMATION TOOL (2013), Master of Science
in Wind Power Project Management Visby, Sweden.
[16] * * * http://www.windustry.org/how_much_do_wind_turbines_cost
[17] Verma , A., Kusiak , A., Fault Monitorin g of Wind Turbine Generator
Brushes: A Data-Mining Approach, J. Sol. Energy Eng 134(2), 021001 (Feb 27,
2012), doi:10.1115/1.4005624.
[18] Chaumel , J.L., Giraud , L., Ilinca , A, Occupational Health and Safety Risks
and Accidents Prevention Stretegies , 2015, Quebec .
[19] Bejan, M., În lumea unităților de măsură, ediția a doua revăzută și
adăugită, Editura Academiei Române, București 2005 și Editura AGIR, București, 2005.

Drd. Ing. Georgiana- Liliana SIMION
Universitatea Politehnică București, Facultatea de Energetică,
e-mail: simion.georgiana01@gmail.com

Prof. Dr. Ing. Carmen -Anca SAFTA
Universitatea Politehnică București, Facultatea de Energetică ,
e-mail: safta.carmenanca@gmail.com