A procura global de energia renovável continua a impulsionar o fabrico de turbinas eólicas. Construir torres eólicas e naceles que resistam a décadas de stress requer equipamento e processos que não deixam margem para erros. O trabalho vai desde a moldagem de placas de aço em bruto em secções de torres até à montagem da maquinaria complexa no interior de uma nacela. Cada etapa tem as suas próprias exigências técnicas, e se alguma delas for mal executada, acaba por se traduzir em custos de manutenção ou, pior ainda, em falhas estruturais.
O fabrico de torres eólicas começa com a obtenção do aço correto
O fabrico de torres eólicas começa com grandes placas de aço que têm de se transformar em secções cónicas ou cilíndricas. As tolerâncias aqui são apertadas porque qualquer desvio se compõe à medida que as secções se empilham durante a montagem. A laminagem de chapas de aço forma estas secções e a maquinaria tem de lidar com chapas espessas e largas sem introduzir deformações ou curvaturas inconsistentes.
Uma vez formadas as secções, as linhas de soldadura das torres eólicas assumem o controlo. A soldadura por arco submerso (SAW) domina esta fase porque proporciona elevadas taxas de deposição e penetração profunda, ambas necessárias para unir aço espesso. A manta de fluxo na SAW também protege o banho de solda da contaminação atmosférica, o que é importante para as soldas que enfrentarão cargas cíclicas constantes das forças do vento.
A soldadura automatizada de torres eólicas tornou-se uma prática corrente. A soldadura manual destas grandes secções introduz variabilidade que se manifesta no controlo de qualidade, e as exigências físicas dos soldadores que trabalham em superfícies curvas durante longos períodos criam problemas de consistência. A automatização resolve ambas as questões.
O controlo de qualidade das secções de torres eólicas envolve ensaios não destrutivos em várias fases. A inspeção ultra-sónica pode detetar falhas subsuperficiais que a inspeção visual não detecta. Cada solda que passa na inspeção representa um ponto de falha potencial a menos durante a vida operacional da torre.
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O fabrico de naceles exige precisão em vários tipos de componentes
A nacelle situa-se no topo da torre e contém tudo o que converte o vento em eletricidade. O equipamento de montagem da nacela tem de acomodar componentes que variam drasticamente em termos de tamanho, peso e requisitos de precisão.
O fabrico de cubos de turbinas eólicas produz a peça que liga as pás ao sistema de transmissão. Os cubos sofrem enormes momentos de flexão à medida que as pás rodam, pelo que a qualidade da fundição e a maquinação subsequente determinam se o cubo sobrevive à sua vida útil. A produção da caixa de velocidades enfrenta exigências semelhantes, uma vez que a caixa tem de manter um alinhamento preciso entre as engrenagens sob cargas e temperaturas variáveis.
O forjamento do veio principal cria um dos componentes individuais mais pesados da nacela. O próprio processo de forjamento estabelece a estrutura do grão que determina a resistência à fadiga, e a maquinação subsequente deve atingir tolerâncias apertadas sem introduzir tensões residuais que possam iniciar fissuras.
As técnicas de soldadura da nacela variam consoante o componente. Algumas juntas necessitam de uma penetração profunda para obter resistência estrutural, enquanto outras requerem uma entrada mínima de calor para evitar a distorção de superfícies maquinadas com precisão. O trabalho de integração de componentes na nacela junta tudo, com tolerâncias de alinhamento medidas em fracções de milímetro para componentes que pesam várias toneladas.
A automação muda o que a produção de componentes eólicos pode alcançar
A automatização remodelou a produção de componentes para energia eólica de formas que vão para além da simples substituição de mão de obra. A robótica na produção de componentes eólicos lida com tarefas que exigem um posicionamento perigoso ou uma precisão repetitiva que cansa os trabalhadores humanos.
O corte CNC de secções de torres eólicas produz resultados consistentes em centenas de cortes. A programação capta os parâmetros de corte óptimos uma vez e depois reproduz-os exatamente. Esta consistência é importante porque as variações na qualidade do corte afectam o ajuste para as operações de soldadura subsequentes.
Os sistemas de energia eólica de manuseamento automático de materiais movimentam componentes demasiado pesados para serem manuseados manualmente e demasiado valiosos para se correr o risco de cair. Uma secção da torre que se danifica durante o manuseamento representa semanas de tempo de produção perdido. Os sistemas automatizados reduzem este risco, ao mesmo tempo que melhoram o rendimento, eliminando os estrangulamentos nas fases de manuseamento.
A eficiência da produção de turbinas eólicas melhora quando a automatização liga operações anteriormente separadas. O fabrico digital de componentes eólicos permite uma monitorização em tempo real que detecta os problemas antes que estes se propaguem pelas fases de produção subsequentes.
| Caraterística | Soldadura manual | Soldadura automatizada |
|---|---|---|
| Consistência | Variável, dependente do operador | Alta, controlada por máquina |
| Velocidade | Mais lento | Mais rápido |
| Precisão | Inferior | Mais alto |
| Custo do trabalho | Elevado | Inferior (por unidade) |
| Segurança | Risco mais elevado | Risco mais baixo |
| Repetibilidade | Baixa | Elevado |
A qualidade da soldadura determina a duração das turbinas eólicas
A integridade estrutural das turbinas eólicas depende de soldaduras que funcionem em condições que a maioria das estruturas soldadas nunca enfrentam. As secções das torres sofrem milhões de ciclos de carga ao longo da sua vida operacional, à medida que as velocidades do vento variam. A soldadura de fundações eólicas offshore acrescenta a exposição corrosiva à água salgada ao quadro de tensões.
A fiabilidade da soldadura de precisão de turbinas eólicas resulta do controlo de todas as variáveis que afectam a qualidade da soldadura. A preparação da junta, a temperatura de pré-aquecimento, a temperatura de interpasse, a velocidade de deslocação e a composição do gás de proteção influenciam o resultado final. Os sistemas automatizados podem manter estes parâmetros dentro de intervalos mais apertados do que a soldadura manual normalmente consegue.
Os ensaios de soldadura não destrutivos detectam defeitos antes de os componentes saírem da fábrica. Os testes ultra-sónicos detectam descontinuidades internas. A inspeção radiográfica revela porosidade e inclusões. A inspeção por partículas magnéticas detecta fissuras superficiais e quase superficiais. Cada método tem pontos fortes para determinados tipos de falhas, pelo que os programas de qualidade abrangentes utilizam várias técnicas.
A vida útil à fadiga dos componentes do vento depende tanto da geometria da soldadura como da sua solidez. As concentrações de tensão nos pontos de soldadura podem iniciar fissuras mesmo em soldaduras que passem todos os testes de qualidade. Os tratamentos pós-soldadura, como a retificação ou o peening, podem melhorar o desempenho à fadiga, reduzindo estas concentrações de tensão.
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Mover componentes maciços cria o seu próprio conjunto de problemas
Os componentes da energia eólica ultrapassam os limites do que as infra-estruturas de transporte podem suportar. A logística de torres eólicas em terra envolve secções de torres que podem exceder os limites de largura das estradas, requerem avaliações do peso das pontes e necessitam de reboques especializados que possam fazer curvas sem danificar a carga ou a estrada.
O transporte de componentes eólicos offshore aumenta a complexidade da logística marítima. Os navios devem ser capazes de carregar, fixar e descarregar componentes que pesam centenas de toneladas. As janelas meteorológicas limitam a programação, uma vez que os levantamentos pesados não podem ser efectuados em alto mar.
A gestão da cadeia de abastecimento das turbinas eólicas coordena dezenas de fornecedores em vários países. Um atraso na entrega das pás pode desativar um navio de instalação que custa dezenas de milhares de dólares por dia. Planeamento de projectos A construção de parques eólicos deve incluir contingências nos calendários, mantendo os projectos economicamente viáveis.
A montagem dos componentes eólicos no local requer equipamento de elevação pesado e um posicionamento preciso. Os parafusos da fundação devem estar alinhados com os orifícios da base da torre. As secções da torre têm de encaixar sem forçar. A colocação da nacela deve alcançar o alinhamento exigido pelos componentes da transmissão. O equipamento que facilita o manuseamento eficiente em cada fase reduz o tempo e o risco.
Perguntas frequentes sobre o fabrico de componentes eólicos
Que técnicas de soldadura funcionam melhor para secções de torres eólicas?
A soldadura por arco submerso é adequada para a maioria das juntas de secções de torres eólicas porque deposita o metal de solda rapidamente, ao mesmo tempo que consegue a penetração que o aço espesso exige. A camada de fluxo que dá o nome à SAW também produz soldaduras limpas com o mínimo de salpicos. Para posições ou configurações de juntas onde a SAW não consegue chegar, a soldadura por arco de metal a gás e a soldadura por arco com núcleo fluxado constituem alternativas. A automatização robotizada executa estes processos com a consistência que a soldadura manual tem dificuldade em igualar nos volumes de produção.
Como é que os fabricantes verificam a integridade dos componentes da nacele?
A verificação começa com a certificação do material e continua ao longo de todas as fases de fabrico. As peças fundidas são submetidas a uma inspeção radiográfica para detetar a contração interna ou a porosidade. As peças forjadas são submetidas a testes ultra-sónicos para confirmar que o processo de forjamento produziu material sólido em toda a sua extensão. As superfícies maquinadas são submetidas a uma inspeção dimensional em relação às tolerâncias que garantem o ajuste e a função adequados. Os conjuntos soldados são submetidos aos mesmos ensaios não destrutivos aplicados às secções da torre. A análise de elementos finitos e os ensaios de fadiga física validam que os projectos sobreviverão às tensões operacionais antes do início da produção.
O que é que dificulta o aumento da produção de componentes eólicos?
Os aumentos de volume expõem os pontos fracos que a produção a baixa velocidade pode contornar. Um procedimento de soldadura que funciona quando um operador qualificado tem tempo para ajustar os parâmetros pode falhar quando a pressão da produção exige tempos de ciclo mais rápidos. As cadeias de fornecimento que fornecem quantidades adequadas para a construção de protótipos podem não ser dimensionadas para suportar taxas de produção completas. O equipamento que suporta levantamentos pesados ocasionais pode não sobreviver a ciclos de trabalho contínuos. Os fabricantes que escalam com sucesso investem na automatização, no desenvolvimento de fornecedores e em equipamento classificado para produção em vez de volumes de protótipos.
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