Droni e robot striscianti dotati di una speciale tecnologia di scansione potrebbero aiutare le pale eoliche a rimanere in servizio più a lungo, che può aiutare a ridurre il costo dell'energia eolica in un momento in cui le pale stanno diventando più grandi, più costoso e difficile da trasportare, Dicono i ricercatori dei Sandia National Laboratories.

Nell'ambito del lavoro collaborativo per l'affidabilità della lama del Dipartimento dell'energia, finanziato dall'Ufficio per le tecnologie dell'energia eolica, I ricercatori di Sandia hanno collaborato con le aziende energetiche per sviluppare macchine che ispezionano in modo non invasivo le pale eoliche alla ricerca di danni nascosti, pur essendo più veloci e più dettagliate rispetto alle ispezioni tradizionali con telecamere.

"Le pale eoliche sono le strutture composite monoblocco più grandi costruite al mondo, persino più grandi di qualsiasi aeroplano, e spesso vengono installati su macchine in località remote, "dice Joshua Paquette, un ingegnere meccanico nel programma di energia eolica di Sandia. "Una lama è soggetta a fulmini, salve, piovere, umidità e altre forze durante l'esecuzione di un miliardo di cicli di carico durante la sua vita, ma non puoi semplicemente atterrarlo in una gruccia per la manutenzione."

Ispezione e riparazione di routine, anche se, è fondamentale per mantenere in servizio questi megablade, dice Paquette. Però, gli attuali metodi di ispezione non sempre rilevano i danni abbastanza presto.

Sandia sta attingendo all'esperienza della ricerca avionica e robotica per cambiare le cose. Prendendo il danno prima che diventi visibile, riparazioni più piccole ed economiche possono riparare la lama e prolungarne la durata, lui dice.

• In un progetto, Sandia ha dotato un robot strisciante di uno scanner che cerca danni all'interno delle pale eoliche.
• In una seconda serie di progetti, Sandia ha abbinato i droni a sensori che utilizzano il calore della luce solare per rilevare i danni.

Ispezione, riparare le pale eoliche sul campo rappresenta una grande sfida

Tradizionalmente, l'industria eolica ha avuto due approcci principali per l'ispezione delle pale eoliche, dice Paquette. La prima opzione è inviare qualcuno con una fotocamera e un teleobiettivo. L'ispettore si sposta da lama a lama 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 da una torre di pale eoliche o manovra una piattaforma su una gru su e giù per la pala.

"In queste ispezioni visive, vedi solo danni superficiali, "dice Paquette. "Spesso però, quando puoi vedere una crepa all'esterno di una lama, il danno è già abbastanza grave. Stai assistendo a una riparazione molto costosa o potresti persino dover sostituire la lama."

Queste ispezioni sono state popolari perché sono convenienti, ma perdono l'opportunità di prendersi un danno prima che diventi un problema più grande, dice Paquette. I robot e i droni striscianti di Sandia mirano a rendere l'ispezione interna non invasiva delle pale eoliche un'opzione praticabile per il settore.

Il robot strisciante trova danni nascosti

Sandia e i partner International Climbing Machines e Dophitech hanno costruito un robot strisciante ispirato alle macchine che ispezionano le dighe. Il robot può spostarsi da un lato all'altro su e giù di una pala eolica, come qualcuno che falcia un prato. Le telecamere di bordo forniscono in tempo reale, immagini ad alta fedeltà per rilevare danni alla superficie, così come piccole demarcazioni che possono segnalare più grandi, danno del sottosuolo. Mentre si muove, il robot utilizza anche una bacchetta per scansionare la lama alla ricerca di danni utilizzando l'imaging ultrasonico phased array.

Lo scanner funziona in modo molto simile alle macchine ad ultrasuoni utilizzate dai medici per vedere all'interno dei corpi, tranne in questo caso rileva danni interni alle lame restituendo una serie di segnali. I cambiamenti in queste firme ultrasoniche possono essere analizzati automaticamente per indicare danni.

Dennis Roach, scienziato senior di Sandia e responsabile del progetto cingolato robotico, afferma che un'ispezione ultrasonica phased array può rilevare danni a qualsiasi strato all'interno dello spesso, lame composite.

"L'impatto o lo stress eccessivo della turbolenza possono creare danni al sottosuolo che non sono visivamente evidenti, " Dice Roach. "L'idea è cercare di trovare il danno prima che raggiunga dimensioni critiche e consentire riparazioni meno costose che diminuiscano i tempi di fermo della lama. Vogliamo anche evitare guasti o la necessità di rimuovere una lama".

Roach immagina i cingoli robotici come parte di una soluzione di ispezione e riparazione completa per le pale eoliche.

"Immagina una squadra di riparazione su una piattaforma che sale su una pala eolica con il robot che striscia davanti, " dice Roach. "Quando il robot trova qualcosa, ispettori remoti possono fare in modo che il robot segni il punto in modo che la posizione del danno sotto la superficie sia evidente. Il team di riparazione eliminerà il danno e riparerà il materiale composito. Questo one-stop shopping di ispezione e riparazione consente di rimettere in servizio rapidamente la lama."

I droni usano il calore della luce solare per rivelare danni alla lama

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

"Abbiamo sviluppato un metodo per riscaldare la lama al sole, e poi gettalo all'ombra, " L'ingegnere meccanico Sandia Ray Ely dice. "La luce del sole si diffonde nella lama e si livella. Mentre quel calore si diffonde, ti aspetti che la superficie della lama si raffreddi. Ma i difetti tendono a interrompere il flusso di calore, lasciando la superficie sopra calda. La telecamera a infrarossi leggerà quindi quei punti caldi per rilevare i danni".

I sistemi di termografia a terra sono attualmente utilizzati per altri settori, come la manutenzione degli aerei. Poiché le telecamere sono montate su droni per questa applicazione, bisogna fare concessioni, dice Eli.

"Non vuoi qualcosa di costoso su un drone che potrebbe schiantarsi, e tu non vuoi un power hog, " disse Ely. "Allora, usiamo telecamere a infrarossi davvero piccole che soddisfano i nostri criteri e utilizziamo immagini ottiche e lidar per fornire ulteriori informazioni."

Lidar, che è come il radar ma con la luce invece delle onde a radiofrequenza, misura quanto tempo impiega la luce per tornare a un punto per determinare la distanza tra gli oggetti. Prendendo ispirazione dal programma lander Mars della NASA, i ricercatori hanno utilizzato un sensore lidar e hanno sfruttato il movimento dei droni per raccogliere immagini ad alta risoluzione.

"Descrivo scherzosamente la super-risoluzione come un detective in un film poliziesco televisivo quando dicono a un tecnico di 'migliorare, migliorare' un'immagine su un computer."

Un drone che ispeziona una pala eolica si muove mentre riprende le immagini, e quel movimento rende possibile raccogliere un'immagine ad altissima risoluzione.

"Usi il movimento per riempire pixel aggiuntivi, " Dice Ely. "Se hai una fotocamera o un lidar da 100 per 100 pixel e scatti una foto, quella risoluzione è tutto ciò che avrai. Ma se ti muovi mentre scatti foto, di una quantità di sub-pixel, puoi riempire quegli spazi vuoti e creare una maglia più fine. I dati di diversi fotogrammi possono essere messi insieme per un'immagine ad altissima risoluzione".

L'utilizzo di immagini lidar e super-risoluzione consente inoltre di tracciare con precisione dove si trova il danno su una lama, e lidar può essere utilizzato anche per misurare l'erosione sui bordi della lama.

Le ispezioni autonome sono il futuro

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

"L'ispezione autonoma sarà un'area enorme, e ha davvero senso nell'industria eolica, date le dimensioni e la posizione delle lame." Dice Paquette. "Invece di una persona che ha bisogno di camminare o guidare da una lama all'altra per cercare danni, immagina se il processo di ispezione fosse automatizzato."

Paquette afferma che c'è spazio per una varietà di soluzioni e metodi di ispezione, da una semplice ispezione con telecamera a terra, a droni e crawler, tutti 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, volare intorno alle turbine eoliche, fare tutte le loro ispezioni, e poi torna indietro e carica i loro dati, " dice Paquette. "Poi l'operatore dell'impianto eolico entrerà e esaminerà i dati, che sarà già stato letto dall'intelligenza artificiale che cerca differenze nelle lame rispetto a precedenti ispezioni e rileva potenziali problemi. L'operatore quindi distribuirà un robot cingolato sulla lama con sospetto danno per ottenere un aspetto più dettagliato e pianificare le riparazioni. Sarebbe un progresso significativo per il settore".