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

Drohnen und mit speziellen Scannern ausgestattete Roboter könnten die Lebensdauer von Windkraftanlagenflügeln verlängern und so die Kosten der Windenergie senken – gerade in einer Zeit, in der die Flügel immer größer, teurer und schwieriger zu transportieren sind. Forscher des Blade Reliability Collaborative des US-Energieministeriums und des Sandia National Laboratory arbeiten daher an Methoden zur zerstörungsfreien Inspektion von Windkraftanlagenflügeln auf versteckte Schäden. Diese Inspektionen sollen schneller und detaillierter sein als herkömmliche manuelle Kamerainspektionen.

Windkraftanlagenflügel sind die größten einteiligen Verbundkonstruktionen der Welt, sogar größer als jedes Flugzeug, und werden oft an Anlagen in abgelegenen Gebieten montiert. Ein Flügel ist Blitzschlag, Hagel, Regen, Feuchtigkeit und anderen Kräften ausgesetzt und durchläuft während seiner Lebensdauer eine Milliarde Lastzyklen. Er kann aber nicht einfach zur Wartung in einem Hangar abgestellt werden.

Regelmäßige Inspektion und Reparatur sind laut Paquette jedoch entscheidend für den Betrieb von Turbinenschaufeln. Die derzeitigen Inspektionsmethoden erkennen Schäden allerdings nicht immer früh genug. Sandia nutzt daher Expertise aus der Avionik- und Robotikforschung, um dies zu ändern. Indem Schäden erkannt werden, bevor sie sichtbar werden, können kleinere und kostengünstigere Reparaturen die Schaufel instand setzen und ihre Lebensdauer verlängern, so Paquette.

In einem Projekt rüstete Sandia einen kriechenden Roboter mit einem Scanner aus, der nach Schäden im Inneren von Windkraftanlagenflügeln sucht. In einer zweiten Projektreihe kombinierte Sandia Drohnen mit Sensoren, die die Wärme des Sonnenlichts nutzen, um Schäden zu erkennen.

Traditionell verfolgt die Windenergiebranche laut Paquette zwei Hauptansätze zur Inspektion von Windkraftanlagenflügeln. Die erste Möglichkeit besteht darin, einen Prüfer mit Kamera und Teleobjektiv auszuschicken. Dieser geht von Flügel zu Flügel, fotografiert die Flügel und sucht nach sichtbaren Schäden wie Rissen und Erosion. Die zweite Möglichkeit ist ähnlich, nur dass der Prüfer sich nicht am Boden befindet, sondern von einem Windkraftanlagenturm abseilt oder eine Plattform an einem Kran entlang des Flügels manövriert.

Bei diesen Sichtprüfungen sind nur oberflächliche Schäden erkennbar. Oft ist der Schaden jedoch bereits erheblich, wenn man einen Riss an der Außenseite einer Klinge sieht. Dann steht eine teure Reparatur an oder die Klinge muss unter Umständen sogar ausgetauscht werden.

Diese Inspektionen sind aufgrund ihrer Kostengünstigkeit beliebt, können aber Schäden nicht erkennen, bevor sie sich zu einem größeren Problem ausweiten, so Paquette. Die von Sandia entwickelten Roboter und Drohnen sollen die zerstörungsfreie interne Inspektion von Windkraftanlagenflügeln zu einer praktikablen Option für die Branche machen.

Sandia und seine Partner International Climbing Machines und Dophitech haben einen kriechenden Roboter entwickelt, der von Inspektionsmaschinen für Staudämme inspiriert ist. Der Roboter kann sich seitlich und auf und ab an einem Windkraftanlagenflügel bewegen, ähnlich wie jemand eine Werbetafel bemalt. Bordkameras liefern hochauflösende Bilder, um Oberflächenschäden sowie kleine Markierungen zu erkennen, die auf größere, tiefer liegende Schäden hindeuten können. Während der Fahrt scannt der Roboter den Flügel außerdem mit einem Stab mittels Phased-Array-Ultraschallbildgebung auf Beschädigungen.

Der Scanner funktioniert ähnlich wie Ultraschallgeräte, die Ärzte zur Untersuchung des Körperinneren verwenden, nur dass er in diesem Fall innere Schäden an Klingen erkennt. Veränderungen in diesen Ultraschallsignalen werden automatisch analysiert, um Schäden anzuzeigen.

Dennis Roach, leitender Wissenschaftler bei Sandia und Projektleiter für den Roboter-Raupenroboter, erklärt, dass eine Phased-Array-Ultraschallprüfung Schäden in jeder Schicht innerhalb der dicken Verbundwerkstoffschaufeln erkennen kann.

Durch Turbulenzen verursachte Stöße oder Überbeanspruchungen führen zu unsichtbaren Schäden unter der Oberfläche. Ziel ist es, diese Schäden zu erkennen, bevor sie ein kritisches Ausmaß erreichen, damit sie mit kostengünstigen Reparaturen behoben werden können, wodurch gleichzeitig die Ausfallzeiten der Rotorblätter reduziert werden. Wir wollen jegliche Ausfälle oder den Ausbau eines Rotorblatts vermeiden.

Roach sieht die Roboter-Raupenfahrzeuge als Teil einer Komplettlösung für die Inspektion und Reparatur von Windkraftanlagenflügeln.

Stellen Sie sich ein Reparaturteam vor, das auf einer Plattform an einem Windkraftanlagenflügel hochfährt, während ein Roboter vorausfährt. Sobald der Roboter eine Beschädigung entdeckt, kann er diese markieren, um die Lage des Untergrundschadens deutlich zu machen. Das Reparaturteam entfernt den Schaden und repariert das Verbundmaterial. Durch diese Komplettlösung aus Inspektion und Reparatur kann der Flügel schnell wieder in Betrieb genommen werden.

Sandia arbeitete zudem 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 Windkraftanlagenflügeln zu erkennen. Dieses Verfahren, die sogenannte Thermografie, erkennt Schäden bis zu einer Tiefe von 1,27 cm im Inneren des Flügels.

Wir haben ein Verfahren entwickelt, bei dem das Rotorblatt in der Sonne erhitzt und anschließend gedreht oder geneigt wird, bis es im Schatten liegt. Das Sonnenlicht dringt in das Blatt ein und verteilt sich gleichmäßig. Man erwartet, dass sich die Oberfläche des Rotorblatts durch die Wärmeverteilung abkühlt. Fehler im Material können jedoch den Wärmefluss stören, sodass die Oberfläche oberhalb der Fehlerstellen heiß bleibt. Die Infrarotkamera erkennt diese heißen Stellen und kennzeichnet sie als Beschädigung.

Für andere Branchen, wie beispielsweise die Flugzeugwartung, werden bereits bodengestützte Thermografiegeräte eingesetzt. Da die Kameras für diese Anwendung auf Drohnen montiert werden, müssen laut Ely Kompromisse eingegangen werden.

Man möchte keine teure Ausrüstung an einer Drohne, die abstürzen könnte, und auch keinen Stromfresser. Deshalb verwenden wir sehr kleine Infrarotkameras, die unseren Kriterien entsprechen, und ergänzen diese durch optische Bilder und Lidar-Daten, um zusätzliche Informationen zu erhalten.

Lidar, ähnlich wie Radar, nutzt sichtbares Licht anstelle von Radiowellen. Es misst die Laufzeit des Lichts von einem Punkt zum anderen und bestimmt so die Entfernung zwischen Objekten. Inspiriert vom Mars-Landerprogramm der NASA, verwendeten die Forscher einen Lidar-Sensor und nutzten die Drohnenbewegung, um hochauflösende Bilder zu erfassen. Eine Drohne, die ein Windrad inspiziert, bewegt sich während der Bildaufnahme, und diese Bewegung ermöglicht die Aufnahme der hochauflösenden Bilder.

Sie nutzen die Bewegung, um zusätzliche Pixel zu ergänzen. Wenn Sie eine Kamera oder einen Lidar mit 100 x 100 Pixeln verwenden und ein einzelnes Bild aufnehmen, steht Ihnen nur diese Auflösung zur Verfügung. Bewegen Sie sich jedoch während der Aufnahme um weniger als einen Pixel, können Sie die Lücken füllen und ein feineres Raster erzeugen. Die Daten mehrerer Einzelbilder lassen sich dann zu einem hochauflösenden Bild zusammensetzen.

Mithilfe von Lidar und hochauflösender Bildgebung können Forscher außerdem genau verfolgen, wo die Rotorblätter beschädigt sind, und Lidar kann auch die Erosion an den Rotorblattkanten messen.

Autonome Inspektionen von Brücken und Stromleitungen sind bereits Realität, und Paquette glaubt, dass sie auch ein wichtiger Bestandteil der Gewährleistung der Zuverlässigkeit von Windkraftanlagenflügeln werden.

Die autonome Inspektion wird ein riesiges Gebiet sein und ist angesichts der Größe und des Standorts der Rotorblätter in der Windenergiebranche wirklich sinnvoll. Stellen Sie sich vor, anstatt dass eine Person von Rotorblatt zu Rotorblatt gehen oder fahren muss, um nach Schäden zu suchen, würden die Inspektionen automatisiert ablaufen.

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 stelle mir vor, dass jede Windkraftanlage über eine oder mehrere Drohnen verfügt, die täglich starten, die Windkraftanlagen umfliegen, alle Inspektionen durchführen und anschließend die Daten hochladen. Der Betreiber der Windkraftanlage sichtet dann die Daten, die bereits von künstlicher Intelligenz ausgewertet wurden. Diese sucht nach Unterschieden an den Rotorblättern im Vergleich zu früheren Inspektionen und markiert potenzielle Probleme. Anschließend setzt der Betreiber einen Roboter an dem Rotorblatt mit dem vermuteten Schaden ein, um eine detailliertere Untersuchung durchzuführen und die Reparatur zu planen. Dies wäre ein bedeutender Fortschritt für die Branche.