Equipo de monitorización de ruido acústico en turbinas eólicas conforme a IEC 61400-11

“La eliminación de cables y la versatilidad del hardware se adaptan a las necesidades del proceso de adquisición de datos y permiten puestas en marcha de la campañas mucho más rápidas que con analizadores convencionales”

El Reto:

Desarrollar una plataforma para la caracterización de la potencia acústica y tonalidades emitidas por turbinas eólicas conforme al procedimiento definido por la norma internacional IEC-61400/11. 

Esto implica el uso de métodos de medición adecuados a la evaluación de emisión de ruido en lugares cerca de la máquina, con el fin de evitar errores debido a propagación del sonido, pero lo suficientemente lejos para permitir suponer el tamaño de fuente finita.

La Solución:

Desarrollar AWTA_61400/11, que es una plataforma que integra sobre un PC industrial una tarjeta USB NI 9234 y 3 estaciones NI WSN-3226 conectadas respectivamente al micrófono, la estación meteorológica y a los parámetros de operación de la turbina. Se incluye una aplicación en LabVIEW capaz de sincronizar y procesar la información en alta frecuencia del micrófono junto con la evolución más lenta de los parámetros de operación del aerogenerador y sus condiciones ambientales y se dota al conjunto de la autonomía y robustez necesaria para trabajar en entornos expuestos.

Introducción

La norma internacional de medida de ruido IEC-61400/11 incluye una descripción precisa del procedimiento de medida, tanto en lo referente a señales a monitorizar como en la ubicación de los sensores de medida. En dicho procedimiento se establece que se deberá ubicar un mástil meteorológico con señales ambientales en frente del aerogenerador a una distancia entre dos y cuatro veces el diámetro del rotor respecto de la base de la turbina, lo cuál basado en las máquinas actuales equivale a una distancia de entre 200 y 400 metros. De igual forma se deberán monitorizar señales de operación de la propia turbina, a través de los sensores cableados a la base de la torre, y por último ubicar un punto de medida de nivel de presión sonora de aguas debajo de la turbina a una distancia aproximada a la suma de la altura de la torre y la pala. 

Dependiendo de los modelos puede llegar a suponer nuevamente distancias de hasta 180 metros. En resumen el equipo de monitorización acústica está conformada por instrumentación distribuida en tres ubicaciones separadas entre ellas entorno a 600 metros con dos puntos de monitorización lenta (base del aerogenerador y mástil meteorológico) y una posición de monitorización rápida de nivel sonoro que deben estar sincronizados para referir el ruido del aerogenerador a las condiciones de operación y ambientales. 

Instrumentación y arquitectura de hardware

Conforme a lo solicitado en norma se dispone de un mástil extensible y portátil de 10 metros de altura sobre el que se localizan alimentados por un panel solar los siguientes sensores y electrónica de acondicionamiento correspondiente: (ver tabla 1). Los parámetros de operación de la turbina son registrados sobre el ground del aerogenerador. Para ello se coloca en su interior, alimentados desde red dos nodos inalámbricos que permiten la lectura de hasta ocho señales descriptivas del comportamiento de la turbina, de las cuales las siguientes son obligadas por norma: (ver tabla 2).

Por último la unidad de gestión del software y almacenamiento de datos se configura sobre un pc industrial colocado en una maleta estanca, con batería de ion litio de 7Ah y autonomía para 8 horas de operación y localizada aguas debajo de la turbina próxima a la posición de medida del nivel de presión sonora. En dicha maleta se conecta el gateway NI WSN-9791. 

Aunque como punto de partida solo se ha utilizado un único micrófono, existe la posibilidad, tanto para análisis de direccionalidad, como para optimizar el sector válido de medida en base a la dirección del viento, de colocar hasta 4 micrófonos sobre la misma tarjeta de adquisición. El sistema incluye también las antenas direccionales necesarias para el correcto trasiego de datos entre nodos y gateway así como un punto de acceso para conexión local inalámbrica al PC industrial y un router 3G para su gestión remota Por último, se hace notar que las cadenas de medida completas de todos los parámetros registrados han sido calibradas según ENAC en los distintos laboratorios autorizados para ello. 

Software de adquisición y tratamiento

AWTA_61400/11 incluye un desarrollo en LabVIEW completo con un interfaz de usuario que permite parametrizar la adquisición y controlar los resultados obtenidos durante la misma así como exportar sus resultados para el análisis posterior. Además de la gestión de proyectos, bases de datos y archivos asociados, estos son los principales módulos del interfaz: 

Configuración.

Se permite seleccionar las señales que serán parte de la monitorización. Etiquetar señales, escalarlas y asignarlas a canales de hardware son algunas de las operaciones que el usuario puede realizar en este modulo. Parámetros del tipo de máquina y set up de la medida son también introducidos por el usuario en este menú.

Calibración

Se ha desarrollado un módulo para verificar conforme establece la norma, que el micrófono y su sensibilidad responden correctamente frente a un patrón de verificación acústica que emite 94dBA de ruido de amplio espectro y que deberá ser utilizado al principio y final de la campaña

Test

Previo al inicio de la campaña y almacenamiento de datos, se permite visualizar gráficamente la evolución de cada uno de los canales para comprobar la estabilidad y valores de las misma

Monitorización

Es el interfaz principal para el proceso de adquisición de datos. El usuario puede visualizar en tiempo real ya sea mediante gráficas o tablas la evolución de la campaña. Así se tiene acceso a los espectros en tercios de octava y banda estrecha, niveles equivalentes, condiciones de operación y cualquier otra señal adquirida. Se visualizan tanto los valores instantáneos como los promediados según establece la norma y se pueden crear gráficos dinámicos que correlacionan canales para verificar en tiempo real que el comportamiento es el esperado. Se dispone de tres botones para preclasificar los datos según sean medidas de operación, medidas de ruido de fondo, o medidas invalidadas por agentes externos. De igual forma se permite al usuario comprobar la completitud de los datos registrados conforme a la binarización establecida, tanto para medidas de ruido de fondo como de operación.

Visualización y gestión de datos

Una vez completada la medición, se pueden visualizar los datos adquiridos de forma análoga a lo permitido durante la adquisición. Como resultado de la campaña, se genera una base de datos en SQLite con toda la información pretratada de cada canal sobre la que se enrutan archivos TDMS con la señal en bruto de cada micrófono así como sus espectros ya calculados para su posterior análisis. Dicha base de datos puede exportarse a formatos de texto de la forma más útil para el usuario y su posterior análisis.

Conclusión

AWTA_61400/11 permite a Aresse desarrollar medidas en campo para caracterizar el comportamiento acústico de turbinas eólicas de manera ágil y precisa. La eliminación de cables y la versatilidad del hardware se adaptan a las necesidades del proceso de adquisición de datos y permiten puestas en marcha de la campañas mucho más rápidas que con analizadores convencionales. El comportamiento y la precisión del sistema, comparado con otras plataformas de medida tanto en cámara anecoica como en campo, ha resultado satisfactorio, siendo hoy AWTA_61400/11 la plataforma estándar de Aresse para la monitorización de ruido en turbinas eólicas.