Claire Swedberg
Uma equipe internacional de empresas de tecnologia desenvolveu uma solução de sensor acústico baseado na Internet das Coisas (IoT) que mede o som das pás das turbinas eólicas para identificar ou prever possíveis danos ou a necessidade de manutenção. A empresa sul-africana de soluções de IoT Lattech Systems está trabalhando com o provedor de sensores acústicos Ping e a empresa de conectividade IoT u-blox. A solução foi projetada para reduzir o custo de reparo ou substituição de pás de turbina, identificando problemas automaticamente antes que eles se tornem críticos ou interrompam a geração de energia. Os parceiros estimam que o sistema, composto por dois sensores e conectividade IoT, pode reduzir os custos de um parque eólico em 25% para reparos de pás e 30% para substituição.
A Lattech Systems projeta e fabrica soluções de telemetria para conectar os equipamentos das empresas com sua infraestrutura de monitoramento ou gerenciamento. O mais recente desafio que a empresa está enfrentando envolve o gerenciamento de alguns dos equipamentos mais remotos, mas críticos, ou seja, turbinas em parques eólicos em todo o mundo. As lâminas das turbinas estão sujeitas a tensão e danos potenciais, de acordo com Truhann van der Poel, fundador da Lattech. As peças podem se soltar, corroer ou ser danificadas pelo clima, diz ele, acrescentando: “Pode acontecer todo tipo de coisa que afeta a eficiência da turbina eólica”.
Por esse motivo, as empresas enviam inspetores ou pessoal de manutenção para os parques eólicos, geralmente uma ou duas vezes por ano, para inspecionar as pás e garantir que estejam funcionando corretamente. Às vezes, os drones também podem realizar essa tarefa. Quando os engenheiros chegam ao local para inspeções, eles geralmente escalam as turbinas, um processo que traz riscos à segurança. Quando eles completam seu relatório e saem do local, pode levar meses até que eles retornem. Se o dano ocorrer nesse ínterim, não há ninguém para diagnosticá-lo.
Assim, o primeiro alerta que um parque eólico pode receber seria uma interrupção no serviço da turbina. A essa altura, diz van der Poel, o reparo poderia ser bastante caro. A substituição da lâmina pode custar entre US$ 200.000 e US$ 1,5 milhão, enquanto os reparos de danos, dependendo da gravidade, podem custar US$ 4.000 a US$ 50.000. Uma maneira de identificar possíveis problemas é por meio do som, acrescenta ele, já que as lâminas com defeito podem ser audíveis. Portanto, a Ping e a Lattech Systems desenvolveram uma solução de manutenção preditiva que usa o som para identificar mudanças na operação.
Ping é especialista na manipulação e classificação do som. Para esta solução, a empresa aproveitou um microfone e desenvolveu algoritmos embutidos em um dispositivo sensor com esse microfone, para caracterizar os sons que a lâmina faz enquanto gira. Para transmitir dados sem fio de locais remotos, a Lattech Systems trabalha com o u-blox, que fornece conectividade IoT por meio de um componente integrado ao módulo de energia e comunicação (PCM) LS091 da Lattech em um invólucro à prova de intempéries. O módulo SARA-R412M da U-blox, integrado ao dispositivo, pode transmitir via LTE-M, NB-IoT ou 2G.
A caixa é feita de material de policarbonato reforçado e um painel solar personalizado coleta a energia solar. Ele vem com uma pequena bateria interna e pode coletar energia suficiente para alimentar o sensor e o processo de telecomunicações 24 horas por dia, sete dias por semana. Isso significa que o sistema não necessita de fonte externa de energia, o que é um ponto importante, segundo as empresas, pois enquanto a turbina é um gerador de energia, sua energia não é acessível a sensores.
Para implantar o sistema, os trabalhadores em um local eólico simplesmente conectariam duas peças (conectadas por cabos) à base da turbina. Ambas as peças vêm com um imã para facilitar a aplicação. Os funcionários podem montar o dispositivo em cada turbina em menos de um minuto, relatam as empresas. “Esta é uma instalação fácil”, diz van der Poel, e é de baixo risco. “Você não precisa de ferramentas especializadas. Basta colocá-lo lá e deixá-lo.”
Uma vez instalado o sistema, este começa a transmitir diretamente para o software. Os microfones podem então capturar sons e transmitir análises baseadas nesses sons para o dispositivo Lattech, que encaminha os dados coletados por meio de uma rede IoT. As informações são encaminhadas via tecnologia da Thingstream (uma empresa u-blox) para a plataforma de nuvem IoT da Thingstream por meio de uma rede celular pública disponível.
Cada vez que o blade passa pelo sensor Ping, o sensor registra os dados e usa inteligência artificial para caracterizar o som e estabelecer o status de manutenção do dispositivo, como operar normalmente ou potencialmente exigir atenção. A análise do som pode ser especialmente desafiadora, observam as empresas, devido às variáveis criadas por diferentes tipos de lâminas, ambientes diferentes e altura das lâminas. À medida que os dados se acumulam, eles criam um valor de manutenção que o sistema pode identificar e fazer download. A solução então encaminha os parâmetros baixados de volta para o dispositivo Lattech.
“Então, nosso trabalho”, explica van der Poel, “é ler esses valores de manutenção continuamente e relatar isso na nuvem”. O SIM global Thingstream no dispositivo Lattech também pode transmitir via LoRaWAN para um gateway local ou por meio de uma rede celular, como LTE-M, NB-IoT ou 2G. A tecnologia está atualmente sendo testada em parques eólicos na Austrália, bem como em um local de turbinas eólicas offshore no Mar do Norte, perto do Reino Unido.
A Ping já havia construído essa solução com outra empresa de telemetria, mas o dispositivo não conseguiu obter energia suficiente para operar totalmente em áreas onde o Sol pode ficar obscurecido por dias. A Lattech Systems optou por um serviço de comunicação mais eficiente, diz Neil Hamilton, chefe global de vendas de serviços da u-blox, enquanto fornece funcionalidade bidirecional através da unidade u-blox. Em outras palavras, o parque eólico pode enviar dados para o dispositivo, bem como receber dados dele, incluindo novo firmware ou instruções para transmissão. “Nós usamos Thingstream para transmissão bidirecional”, afirma van der Poel
Espera-se que uma futura geração do produto apresente toda a eletrônica, incluindo um microfone e um sensor acústico, além de transmissão de energia e IoT, em um único dispositivo que pode ser montado em turbinas. “Isso os tornará ainda mais fáceis de instalar e mais econômicos”, diz van der Poel, “porque há menos cabos”. Ele espera que essa geração esteja disponível ainda este ano. A empresa pode fabricar os dispositivos via impressão 3D, facilitando a criação de dispositivos personalizados para empresas. O futuro dispositivo também acomodará mais sensores para que o sistema seja capaz de detectar outras condições, como umidade do subsolo e níveis de temperatura, por meio de sondas.
Para a solução atual de turbina eólica, o sistema pode monitorar a tensão da bateria e a temperatura do dispositivo, bem como a acústica. Os dados também podem fornecer análises, como identificar quando a integridade do blade pode estar diminuindo lentamente e compartilhar informações legíveis por humanos em painéis para indicar que existe um problema, além de exigir ou não uma resposta imediata. Os dados coletados podem ser usados para fornecer cronogramas de manutenção, reparos urgentes ou outros serviços.
De acordo com van der Poel, a rede IoT pode enviar pacotes de dados relativamente pequenos à distância com baixo consumo de energia. O sistema u-blox opera na maioria dos países, diz ele, tornando-o relativamente barato para uso na maioria dos locais. Para economizar energia, a solução normalmente liga o sensor de áudio a cada poucas horas e analisa os resultados, e transmite esses resultados periodicamente, fornecendo vários conjuntos de dados diariamente. Uma mudança catastrófica na acústica de uma lâmina provocaria um alerta em tempo real. O dispositivo vem com um acelerômetro para que a Lattech possa detectar se ele cai ou corre o risco de cair devido a uma inclinação.
A tecnologia é o resultado de uma inovação considerável por parte dos engenheiros da Ping, relata van der Poel. Um dos maiores desafios foi desenvolver um gabinete que pudesse garantir que os microfones e o algoritmo não detectassem ou identificassem incorretamente outros sons, como o vento. A forma redonda ajuda a proteger os microfones do ruído de áudio gerado pela natureza. O outro desafio envolveu a análise de dados necessária para detectar os sons normais esperados de todos os tipos de blades e identificar quando um novo blade foi instalado.
A capacidade do sistema IoT de operar com a maioria das redes celulares disponíveis globalmente é relativamente única, diz Hamilton. O Thingstream pode pegar os dados e enviá-los com eficiência a um custo fixo, permitindo previsibilidade do ponto de vista do custo, bem como a capacidade de transmitir em duas direções. Os dados do Thingstream são totalmente criptografados, acrescenta ele, fornecendo um nível de segurança à medida que são transmitidos pelas redes públicas das operadoras de celular. “Isso é absolutamente único no momento”, afirma Hamilton.