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

Drohnen und Kriechroboter, die mit speziellen Scannern ausgestattet sind, könnten dazu beitragen, dass Rotorblätter länger in Betrieb bleiben, was die Kosten für Windenergie in einer Zeit senken könnte, in der Rotorblätter immer größer, teurer und schwerer zu transportieren sind. Zu diesem Zweck haben Forscher der Blade Reliability Collaborative des DoE und des Sandia National Laboratory an Möglichkeiten gearbeitet, Windblätter nichtinvasiv auf versteckte Schäden zu untersuchen und dabei schneller und detaillierter zu sein als herkömmliche menschliche Inspektionen mit Kameras.

Windflügel sind die größten einteiligen Verbundkonstruktionen der Welt, sogar größer als jedes Flugzeug, und sie werden oft an abgelegenen Orten auf Maschinen montiert. Ein Rotorblatt ist Blitzen, Hagel, Regen, Feuchtigkeit und anderen Kräften ausgesetzt und durchläuft im Laufe seiner Lebensdauer eine Milliarde Lastzyklen, aber man kann es zur Wartung nicht einfach in einem Aufhänger landen.

Laut Paquette sind routinemäßige Inspektionen und Reparaturen jedoch von entscheidender Bedeutung, um die Turbinenschaufeln in Betrieb zu halten. Allerdings erkennen aktuelle Inspektionsmethoden Schäden nicht immer früh genug. Um das zu ändern, greift Sandia auf die Expertise aus der Avionik- und Robotikforschung zurück. Indem Schäden erkannt werden, bevor sie sichtbar werden, können kleinere und kostengünstigere Reparaturen die Klinge reparieren und ihre Lebensdauer verlängern, sagt er.

In einem Projekt hat Sandia einen Kriechroboter mit einem Scanner ausgestattet, der nach Schäden im Inneren von Windflügeln sucht. In einer zweiten Projektreihe kombinierte Sandia Drohnen mit Sensoren, die die Wärme des Sonnenlichts nutzen, um Schäden zu erkennen.

Traditionell verfolgt die Windindustrie zwei Hauptansätze zur Inspektion von Windflügeln, sagt Paquette. Die erste Möglichkeit besteht darin, jemanden mit einer Kamera und einem Teleobjektiv hinauszuschicken. Der Inspektor geht von Blatt zu Blatt, macht Fotos und sucht nach sichtbaren Schäden wie Rissen und Erosion. Die zweite Option ist ähnlich, aber anstatt auf dem Boden zu stehen, seilt sich der Inspektor von einem Rotorblattturm ab oder manövriert eine Plattform auf einem Kran am Rotorblatt auf und ab.

Bei diesen Sichtprüfungen erkennt man lediglich oberflächliche Schäden. Wenn Sie jedoch einen Riss an der Außenseite einer Klinge erkennen, ist der Schaden oft schon ziemlich groß. Sie stehen vor einer teuren Reparatur oder müssen möglicherweise sogar die Klinge austauschen.

Diese Inspektionen erfreuen sich großer Beliebtheit, weil sie erschwinglich sind, aber sie können Schäden nicht erkennen, bevor sie zu einem größeren Problem werden, sagt Paquette. Sandias kriechende Roboter und Drohnen zielen darauf ab, die nichtinvasive interne Inspektion von Windflügeln zu einer praktikablen Option für die Branche zu machen.

Sandia und seine Partner International Climbing Machines und Dophitech haben einen Kriechroboter gebaut, der von den Maschinen inspiriert ist, die Dämme inspizieren. Der Roboter kann sich auf einem Windblatt von einer Seite zur anderen sowie auf und ab bewegen, so wie jemand, der eine Werbetafel bemalt. Bordkameras machen hochauflösende Bilder, um Oberflächenschäden sowie kleine Markierungen zu erkennen, die auf größere Schäden unter der Oberfläche hinweisen können. Während der Bewegung scannt der Roboter mit einem Stab die Klinge mittels Phased-Array-Ultraschallbildgebung auf Beschädigungen.

Der Scanner funktioniert ähnlich wie Ultraschallgeräte, mit denen Ärzte das Innere von Körpern untersuchen, außer dass er in diesem Fall innere Schäden an den Klingen erkennt. Veränderungen dieser Ultraschallsignaturen werden automatisch analysiert, um auf Schäden hinzuweisen.

Dennis Roach, leitender Wissenschaftler bei Sandia und Projektleiter für Roboterraupen, sagt, dass eine Phased-Array-Ultraschallprüfung Schäden an jeder Schicht im Inneren der dicken Verbundschaufeln erkennen kann.

Durch Aufprall oder Überbeanspruchung durch Turbulenzen entstehen Schäden unter der Oberfläche, die nicht sichtbar sind. Die Idee besteht darin, Schäden zu finden, bevor sie eine kritische Größe erreichen und durch kostengünstigere Reparaturen behoben werden können, die auch die Ausfallzeiten der Rotorblätter verringern. Wir möchten Ausfälle oder die Notwendigkeit, eine Klinge zu entfernen, vermeiden.

Roach stellt sich die Roboterraupen als Teil einer umfassenden Inspektions- und Reparaturmethode für Windflügel vor.

Stellen Sie sich ein Reparaturteam vor, das auf einer Plattform an einem Windflügel hochklettert, während der Roboter vorankriecht. Wenn der Roboter etwas findet, können die Inspektoren den Roboter die Stelle markieren lassen, damit der Ort des Schadens unter der Oberfläche offensichtlich ist. Das Reparaturteam schleift den Schaden ab und repariert den Verbundwerkstoff. Dank dieser Komplettlösung für Inspektion und Reparatur ist die Klinge schnell wieder einsatzbereit.

Sandia arbeitete auch mit mehreren kleinen Unternehmen in einer Reihe von Projekten zusammen, um Drohnen mit Infrarotkameras auszustatten, die die Wärme des Sonnenlichts nutzen, um versteckte Schäden an Windblättern zu erkennen. Diese als Thermografie bezeichnete Methode erkennt Schäden bis zu einer Tiefe von einem halben Zoll im Inneren der Klinge.

Wir haben eine Methode entwickelt, die das Blatt in der Sonne erhitzt und es dann rollt oder neigt, bis es im Schatten liegt. Sonnenlicht diffundiert in die Klinge und gleicht es aus. Wenn diese Wärme diffundiert, ist zu erwarten, dass sich die Oberfläche der Klinge abkühlt. Aber Fehler neigen dazu, den Wärmefluss zu stören, sodass die darüber liegende Oberfläche und die Fehler heiß bleiben. Die Infrarotkamera erkennt diese heißen Stellen und kennzeichnet sie als erkannten Schaden.

Derzeit werden bodengestützte Thermografiegeräte auch in anderen Branchen eingesetzt, beispielsweise in der Flugzeugwartung. Da die Kameras für diesen Einsatzzweck auf Drohnen montiert seien, müssten Zugeständnisse gemacht werden, sagt Ely.

Sie wollen nichts Teures an einer Drohne haben, das abstürzen könnte, und Sie wollen keinen Stromfresser. Wir verwenden also wirklich kleine IR-Kameras, die unseren Kriterien entsprechen, und verwenden dann optische Bilder und Lidar, um zusätzliche Informationen bereitzustellen.

Lidar, das wie Radar ist, aber sichtbares Licht anstelle von Hochfrequenzwellen verwendet, misst, wie lange Licht braucht, um von und zu einem Punkt zu gelangen, um die Entfernung zwischen Objekten zu bestimmen. Inspiriert durch das Mars-Landeprogramm der NASA nutzten die Forscher einen Lidar-Sensor und nutzten die Drohnenbewegung, um hochauflösende Bilder zu sammeln. Eine Drohne, die ein Windblatt inspiziert, bewegt sich, während sie Bilder aufnimmt, und diese Bewegung ermöglicht die Aufnahme hochauflösender Bilder.

Sie nutzen die Bewegung, um zusätzliche Pixel auszufüllen. Wenn Sie eine 100-x-100-Pixel-Kamera oder ein Lidar haben und ein Bild aufnehmen, ist diese Auflösung alles, was Ihnen zur Verfügung steht. Wenn Sie sich jedoch beim Aufnehmen von Bildern um einen Subpixelbetrag bewegen, können Sie diese Lücken füllen und ein feineres Netz erstellen. Die Daten mehrerer Frames können zu einem hochauflösenden Bild zusammengefügt werden.

Mithilfe von Lidar und hochauflösender Bildgebung können Forscher außerdem genau verfolgen, wo die Schaufel beschädigt ist, und Lidar kann auch die Erosion an Schaufelkanten messen.

Autonome Inspektionen von Brücken und Stromleitungen sind bereits Realität, und Paquette glaubt, dass sie auch zu wichtigen Bestandteilen der Gewährleistung der Zuverlässigkeit von Windflügeln werden werden.

Autonome Inspektion wird ein riesiges Gebiet sein, und angesichts der Größe und Position der Rotorblätter macht sie in der Windindustrie wirklich Sinn. Anstatt dass eine Person von Rotorblatt zu Rotorblatt gehen oder fahren muss, um nach Schäden zu suchen, stellen Sie sich Inspektionen vor wurden automatisiert.

Laut Paquette gibt es Raum für eine Vielzahl von Inspektionsmethoden, von einfachen bodengestützten Kamerainspektionen bis hin zu Drohnen und Raupenfahrzeugen, die zusammenarbeiten, um den Zustand eines Rotorblatts zu bestimmen.

Ich kann mir vorstellen, dass jede Windkraftanlage über eine Drohne oder eine Drohnenflotte verfügt, die jeden Tag abhebt, um die Windkraftanlagen herumfliegt, alle Inspektionen durchführt und dann zurückkommt und ihre Daten hochlädt. Dann kommt der Betreiber der Windkraftanlage und sieht sich die Daten an, die bereits von einer künstlichen Intelligenz gelesen wurden, die nach Unterschieden bei den Rotorblättern bei früheren Inspektionen sucht und mögliche Probleme feststellt. Anschließend setzt der Bediener eine Roboterraupe auf dem Rotorblatt mit Verdacht auf Schäden ein, um eine detailliertere Betrachtung zu erhalten und Reparaturen zu planen. Es wäre ein erheblicher Fortschritt für die Branche.