Roboter, Drohnen und Sensoren helfen jetzt schon bei Inspektionen und könnten in nicht allzu ferner Zukunft vollständig automatisiert werden.

Drohnen und kriechende Roboter, ausgestattet mit speziellen Scannern, könnten dazu beitragen, dass Windräder länger im Einsatz bleiben. Das könnte die Kosten für Windenergie senken – gerade jetzt, wo Rotorblätter immer größer, teurer und schwieriger zu transportieren sind. Zu diesem Zweck arbeiten Forscher des Blade Reliability Collaborative des Energieministeriums und des Sandia National Laboratory an Methoden zur nichtinvasiven Untersuchung von Windrädern auf versteckte Schäden. Dabei soll die Untersuchung schneller und detaillierter sein als bei herkömmlichen menschlichen Inspektionen mit Kameras.

Rotorblätter für Windkraftanlagen sind die größten einteiligen Verbundkonstruktionen der Welt, größer sogar als jedes Flugzeug. Sie werden oft an Maschinen in abgelegenen Gebieten montiert. Ein Rotorblatt ist Blitz, Hagel, Regen, Feuchtigkeit und anderen Einflüssen ausgesetzt und durchläuft im Laufe seiner Lebensdauer Milliarden von Lastwechseln. Man kann es jedoch nicht einfach zur Wartung in einen Hangar werfen.

Regelmäßige Inspektionen und Reparaturen seien jedoch entscheidend für die Funktionsfähigkeit von Turbinenschaufeln, so Paquette. Allerdings würden mit den derzeitigen Inspektionsmethoden Schäden nicht immer rechtzeitig erkannt. Sandia nutzt daher Expertise aus der Avionik- und Robotikforschung, um dies zu ändern. Indem Schäden erkannt würden, bevor sie sichtbar würden, könnten kleinere und kostengünstigere Reparaturen die Schaufeln reparieren und ihre Lebensdauer verlängern, so Paquette.

In einem Projekt stattete Sandia einen kriechenden Roboter mit einem Scanner aus, der in Windkraftanlagen nach Schäden sucht. In einer zweiten Projektreihe kombinierte Sandia Drohnen mit Sensoren, die die Wärme des Sonnenlichts zur Schadenserkennung nutzen.

Traditionell verfolgt die Windindustrie zwei Hauptansätze zur Inspektion von Rotorblättern, so Paquette. Die erste Möglichkeit besteht darin, einen Mitarbeiter mit Kamera und Teleobjektiv loszuschicken. Der Prüfer geht von Rotorblatt zu Rotorblatt, macht Fotos und sucht nach sichtbaren Schäden wie Rissen und Erosion. Die zweite Möglichkeit ist ähnlich, allerdings seilt sich der Prüfer nicht am Boden ab, sondern seilt sich von einem Rotorblattturm ab oder manövriert eine Kranplattform am Rotorblatt auf und ab.

Bei diesen Sichtprüfungen sind nur oberflächliche Schäden erkennbar. Oftmals ist der Schaden jedoch bereits erheblich, wenn an der Außenseite einer Klinge ein Riss sichtbar wird. Eine teure Reparatur oder sogar ein Austausch der Klinge ist die Folge.

Diese Inspektionen erfreuen sich aufgrund ihrer günstigen Kosten großer Beliebtheit, können aber Schäden nicht erkennen, bevor sie sich zu einem größeren Problem entwickeln, so Paquette. Sandias kriechende Roboter und Drohnen sollen die nichtinvasive Inneninspektion von Windkraftanlagen zu einer praktikablen Option für die Branche machen.

Sandia und seine Partner International Climbing Machines und Dophitech haben einen kriechenden Roboter entwickelt, der von den Maschinen zur Staudamminspektion inspiriert ist. Der Roboter kann sich seitlich und auf und ab eines Windrads bewegen, wie jemand, der eine Plakatwand bemalt. Integrierte Kameras erfassen hochauflösende Bilder, um Oberflächenschäden sowie kleine Markierungen zu erkennen, die auf größere Schäden im Untergrund hinweisen können. Während der Bewegung scannt der Roboter das Rotorblatt mithilfe eines Ultraschall-Phased-Array-Sensors auf Schäden.

Der Scanner funktioniert ähnlich wie Ultraschallgeräte, mit denen Ärzte ins Körperinnere blicken, erkennt hier aber innere Schäden an Klingen. Veränderungen in diesen Ultraschallsignaturen werden automatisch analysiert, um Schäden anzuzeigen.

Dennis Roach, leitender Wissenschaftler bei Sandia und Projektleiter für Roboterraupen, sagt, dass eine Phased-Array-Ultraschallprüfung Schäden in jeder Schicht innerhalb der dicken Verbundblätter erkennen kann.

Stöße oder Überbeanspruchung durch Turbulenzen verursachen unsichtbare Schäden unter der Oberfläche. Ziel ist es, Schäden zu erkennen, bevor sie eine kritische Größe erreichen und mit kostengünstigeren Reparaturen behoben werden können, die auch die Ausfallzeiten der Rotorblätter verkürzen. Wir wollen Ausfälle oder den Ausbau eines Rotorblatts vermeiden.

Roach sieht die Roboterraupen als Teil einer zentralen Methode zur Inspektion und Reparatur von Windrotorblättern.

Stellen Sie sich ein Reparaturteam auf einer Plattform vor, das ein Windrad erklimmt, während der Roboter vorankriecht. Findet der Roboter etwas, können die Inspektoren die Stelle markieren, sodass der Untergrundschaden deutlich sichtbar ist. Das Reparaturteam schleift den Schaden ab und repariert das Verbundmaterial. Dank dieser Komplettlösung aus Inspektion und Reparatur ist das Rotorblatt schnell wieder einsatzbereit.

Sandia arbeitete außerdem mit mehreren kleinen Unternehmen an einer Reihe von Projekten zusammen, um Drohnen mit Infrarotkameras auszustatten. Diese nutzen die Wärme des Sonnenlichts, um versteckte Schäden an Windrädern zu erkennen. Diese Methode, die sogenannte Thermografie, erkennt Schäden bis zu einer Tiefe von einem halben Zoll im Rotorblatt.

Wir haben eine Methode entwickelt, bei der das Rotorblatt in der Sonne erhitzt und anschließend gerollt oder geneigt wird, bis es im Schatten liegt. Sonnenlicht dringt in das Rotorblatt ein und gleicht die Temperatur aus. Während die Wärme diffundiert, kühlt die Rotorblattoberfläche voraussichtlich ab. Fehler stören jedoch den Wärmefluss, sodass die darüber liegende Oberfläche und die Fehler heiß bleiben. Die Infrarotkamera erkennt diese Hotspots und kennzeichnet sie als erkannten Schaden.

Bodengestützte Thermografiegeräte werden derzeit auch in anderen Branchen eingesetzt, beispielsweise in der Flugzeugwartung. Da die Kameras für diese Anwendung auf Drohnen montiert werden, seien hier jedoch Abstriche nötig, so Ely.

Man möchte keine teuren Geräte an einer Drohne haben, die abstürzen könnten, und man möchte auch keinen Stromfresser. Deshalb verwenden wir sehr kleine IR-Kameras, die unseren Kriterien entsprechen, und nutzen dann optische Bilder und Lidar, um zusätzliche Informationen zu liefern.

Lidar, ein Radarsensor, der sichtbares Licht anstelle von Radiofrequenzwellen nutzt, misst die Zeit, die Licht benötigt, um zu einem Punkt und wieder zurück zu gelangen und so die Entfernung zwischen Objekten zu bestimmen. Inspiriert vom Marslandeprogramm der NASA nutzten die Forscher einen Lidar-Sensor und nutzten die Drohnenbewegungen, um hochauflösende Bilder zu erfassen. Eine Drohne, die ein Windrad inspiziert, bewegt sich während der Bildaufnahme, und diese Bewegung ermöglicht die Erfassung hochauflösender Bilder.

Sie nutzen die Bewegung, um zusätzliche Pixel einzufügen. Wenn Sie eine 100 x 100 Pixel große Kamera oder ein Lidar haben und ein Bild aufnehmen, ist diese Auflösung alles, was Sie haben. Wenn Sie sich jedoch während der Aufnahme um einen Subpixel-Bereich bewegen, können Sie diese Lücken füllen und ein feineres Netz erstellen. Die Daten mehrerer Einzelbilder können zu einem Bild mit Superauflösung zusammengefügt werden.

Mithilfe von Lidar und hochauflösender Bildgebung können Forscher außerdem genau verfolgen, wo das Blatt beschädigt ist. Zudem kann Lidar die Erosion an den Blattkanten messen.

Autonome Inspektionen von Brücken und Stromleitungen sind bereits Realität und Paquette ist davon überzeugt, dass sie auch bei der Gewährleistung der Zuverlässigkeit von Windkraftanlagen eine wichtige Rolle spielen werden.

Autonome Inspektionen werden ein riesiges Gebiet sein und sind in der Windindustrie angesichts der Größe und Lage der Rotorblätter wirklich sinnvoll. Stellen Sie sich vor, Inspektionen würden automatisiert ablaufen, anstatt dass ein Mensch von Rotorblatt zu Rotorblatt laufen oder fahren müsste, um nach Schäden zu suchen.

Paquette sagt, dass es Raum für eine Vielzahl von Inspektionsmethoden gibt, von einfachen bodengestützten Kamerainspektionen bis hin zur Zusammenarbeit von Drohnen und Raupenfahrzeugen, um den Zustand eines Rotorblatts zu bestimmen.

Ich kann mir vorstellen, dass jedes Windkraftwerk über eine Drohne oder eine ganze Drohnenflotte verfügt, die täglich startet, die Windturbinen umkreist, alle Inspektionen durchführt und anschließend ihre Daten hochlädt. Anschließend kommt der Anlagenbetreiber und sichtet die Daten, die bereits von künstlicher Intelligenz ausgewertet wurden. Diese sucht nach Abweichungen zu früheren Inspektionen und erkennt potenzielle Probleme. Anschließend setzt der Betreiber einen Roboter-Crawler auf dem mutmaßlich beschädigten Rotorblatt ein, um einen genaueren Blick zu werfen und Reparaturen zu planen. Das wäre ein bedeutender Fortschritt für die Branche.