I robot striscianti e i droni volanti rilevano le pale del vento danneggiate

Robot, droni e sensori aiutano nelle ispezioni ora e potrebbero essere completamente automatizzati in un futuro non troppo lontano.

I droni e i robot striscianti dotati di speciali scanner potrebbero aiutare le pale eoliche a rimanere in servizio più a lungo, il che potrebbe ridurre il costo dell'energia eolica in un momento in cui le pale diventano più grandi, più costose e più difficili da trasportare. A tal fine, i ricercatori del DoE's Blade Reliability Collaborative e del Sandia National Laboratory hanno lavorato su come ispezionare in modo non invasivo le pale del vento per individuare eventuali danni nascosti, pur essendo più veloci e più dettagliati rispetto alle tradizionali ispezioni umane con telecamere.

Le pale eoliche sono le più grandi strutture composite monoblocco costruite al mondo, anche più grandi di qualsiasi aereo, e spesso vengono messe su macchine in luoghi remoti. Una pala è soggetta a fulmini, grandine, pioggia, umidità e altre forze mentre attraversa un miliardo di cicli di carico durante la sua vita, ma non si può semplicemente farla atterrare in un hanger per la manutenzione.

L'ispezione e la riparazione di routine, tuttavia, è fondamentale per mantenere le pale delle turbine in servizio, dice Paquette. Tuttavia, gli attuali metodi di ispezione non sempre si danneggiano abbastanza presto. Sandia sta attingendo all'esperienza della ricerca avionica e robotica per cambiare questa situazione. Catturando i danni prima che diventino visibili, riparazioni più piccole e meno costose possono riparare la pala e prolungarne la vita utile, dice Paquette.

In un progetto, Sandia ha equipaggiato un robot strisciante con uno scanner che cerca danni all'interno delle pale del vento. In una seconda serie di progetti, Sandia ha accoppiato i droni con sensori che utilizzano il calore della luce solare per rilevare i danni.

Tradizionalmente, l'industria eolica ha avuto due approcci principali per ispezionare le pale eoliche, dice Paquette. La prima opzione è quella di mandare qualcuno con una macchina fotografica e un teleobiettivo. L'ispettore si sposta da una pala all'altra scattando foto e cercando danni visibili, come crepe ed erosione. La seconda opzione è simile, ma invece di stare a terra l'ispettore si cala giù per una torre di pale eoliche o manovra una piattaforma su una gru su e giù per la pala.

In queste ispezioni visive, si vedono solo danni superficiali. Spesso però, quando si vede una crepa all'esterno di una lama, il danno è già abbastanza grave. Si tratta di una riparazione costosa o potrebbe anche essere necessario sostituire la lama.

Queste ispezioni sono state popolari perché sono convenienti, ma non riescono a catturare i danni prima che si trasformino in un problema più grande, dice Paquette. I robot e i droni striscianti di Sandia hanno lo scopo di rendere l'ispezione interna non invasiva delle pale eoliche un'opzione praticabile per il settore.

Sandia e i suoi partner International Climbing Machines e Dophitech hanno costruito un robot strisciante ispirato alle macchine che ispezionano le dighe. Il robot può muoversi da un lato all'altro e su e giù per una lama di vento, come se qualcuno dipingesse un cartellone pubblicitario. Le telecamere a bordo scattano immagini ad alta fedeltà per rilevare i danni alla superficie, così come piccole demarcazioni che possono segnalare danni più grandi, sotto la superficie. Durante il movimento, il robot usa anche una bacchetta per scansionare la pala alla ricerca di danni utilizzando immagini a ultrasuoni a matrice di fase.

Lo scanner funziona in modo molto simile alle macchine ad ultrasuoni utilizzate dai medici per vedere all'interno dei corpi, tranne che in questo caso rileva i danni interni alle lame. I cambiamenti in queste firme ad ultrasuoni vengono analizzati automaticamente per indicare i danni.

Dennis Roach, scienziato senior di Sandia e capo del progetto dei cingoli robotici, afferma che un'ispezione a ultrasuoni a matrice di fase può rilevare i danni a qualsiasi strato all'interno delle spesse lame in materiale composito.

L'impatto o la sollecitazione eccessiva dovuta alla turbolenza crea danni al sottosuolo che non sono visibili. L'idea è quella di trovare il danno prima che diventi di dimensioni critiche e che possa essere riparato con riparazioni meno costose che riducono anche i tempi di fermo della lama. Vogliamo evitare qualsiasi guasto o la necessità di rimuovere una lama.

Roach prevede i cingoli robotizzati come parte di un metodo di ispezione e riparazione unico per le pale eoliche.

Immaginate una squadra di riparazione su una piattaforma che sale su una pala eolica con il robot che striscia in avanti. Quando il robot trova qualcosa, gli ispettori possono far marcare al robot il punto in modo che la posizione del danno al sottosuolo sia evidente. Il team di riparazione rimuove il danno e ripara il materiale composito. Questo one-stop shopping di ispezione e riparazione permette alla lama di tornare rapidamente in servizio.

Sandia ha anche lavorato con diverse piccole imprese in una serie di progetti per equipaggiare i droni con telecamere a infrarossi che utilizzano il calore della luce solare per rilevare i danni nascosti alle pale del vento. Questo metodo, chiamato termografia, rileva i danni fino a mezzo pollice di profondità all'interno della lama.

Abbiamo sviluppato un metodo che riscalda la lama al sole, e poi rotola o lancia la lama fino a quando non è all'ombra. La luce del sole si diffonde nella lama e si equalizza. Quando il calore si diffonde, ci si aspetta che la superficie della lama si raffreddi. Ma i difetti tendono a disturbare il flusso di calore, lasciando la superficie soprastante e i difetti caldi. La telecamera a infrarossi rileva quei punti caldi e li etichetta come danni rilevati.

Esistono dispositivi termografici a terra attualmente utilizzati per altri settori industriali, come la manutenzione degli aeromobili. Poiché le telecamere sono montate su droni per questa applicazione, è necessario fare delle concessioni, dice Ely.

Non si vuole qualcosa di costoso su un drone che potrebbe schiantarsi, e non si vuole un power hog. Quindi, usiamo telecamere a infrarossi molto piccole che si adattano ai nostri criteri e poi usiamo immagini ottiche e lidar per fornire ulteriori informazioni.

Il Lidar, che è come un radar ma utilizza la luce visibile al posto delle onde a radiofrequenza, misura il tempo necessario alla luce per viaggiare da e verso un punto per determinare la distanza tra gli oggetti. I ricercatori, ispirandosi al programma della NASA per l'atterraggio su Marte, hanno utilizzato un sensore Lidar e hanno sfruttato il movimento dei droni per raccogliere immagini a super risoluzione. Un drone che ispeziona una pala eolica si muove mentre prende le immagini, e questo movimento permette di raccogliere immagini in super risoluzione.

Si utilizza il movimento per riempire ulteriori pixel. Se avete una macchina fotografica o un lidar da 100 x 100 pixel e scattate una foto, quella risoluzione è tutto ciò che avrete. Ma se vi muovete mentre scattate le foto, di una quantità di sub-pixel, potete riempire questi spazi vuoti e creare una mesh più fine. I dati di diversi fotogrammi possono essere messi insieme per ottenere un'immagine in super risoluzione.

L'utilizzo di lidar e di immagini a super risoluzione consente inoltre ai ricercatori di individuare con precisione i punti in cui la lama è danneggiata, e lidar può anche misurare l'erosione sui bordi della lama.

Le ispezioni autonome di ponti e linee elettriche sono già realtà, e Paquette ritiene che diventeranno anch'esse parti importanti per garantire l'affidabilità delle pale eoliche.

L'ispezione autonoma sarà un'area enorme, e ha davvero senso nel settore eolico, date le dimensioni e la posizione delle pale. Invece di una persona che ha bisogno di camminare o guidare da una pala all'altra per cercare danni, immaginate se le ispezioni fossero automatizzate.

Paquette dice che c'è spazio per una varietà di metodi di ispezione, dalle semplici ispezioni con telecamera a terra ai droni e ai cingolati che lavorano insieme per determinare la salute di una lama.

Posso immaginare che ogni impianto eolico abbia un drone o una flotta di droni che decollano ogni giorno, volano intorno alle turbine eoliche, fanno tutte le loro ispezioni, e poi tornano a caricare i loro dati. Poi l'operatore dell'impianto eolico entra e guarda attraverso i dati, che saranno già stati letti dall'intelligenza artificiale che cerca le differenze nelle pale delle ispezioni precedenti e nota i potenziali problemi. L'operatore dispiegherà quindi un cingolo robotizzato sulla pala con danni sospetti per ottenere un aspetto più dettagliato e pianificare le riparazioni. Sarebbe un progresso significativo per l'industria.