Actualmente, los robots, drones y sensores ayudan en las inspecciones y podrían automatizarse por completo en un futuro no muy lejano.

Los drones y robots terrestres equipados con escáneres especiales podrían prolongar la vida útil de las palas de los aerogeneradores, lo que abarataría la energía eólica en un momento en que las palas son cada vez más grandes, caras y difíciles de transportar. Con este fin, investigadores del Programa Colaborativo para la Fiabilidad de las Palas del Departamento de Energía y del Laboratorio Nacional Sandia han estado trabajando en métodos no invasivos para inspeccionar las palas de los aerogeneradores y detectar daños ocultos, de forma más rápida y detallada que las inspecciones manuales tradicionales con cámaras.

Las palas eólicas son las estructuras compuestas de una sola pieza más grandes del mundo, incluso mayores que cualquier avión, y a menudo se instalan en aerogeneradores ubicados en lugares remotos. Una pala está expuesta a rayos, granizo, lluvia, humedad y otras fuerzas, y soporta mil millones de ciclos de carga durante su vida útil; sin embargo, no se puede simplemente guardarla en un hangar para su mantenimiento.

Sin embargo, la inspección y reparación rutinarias son fundamentales para mantener las palas de las turbinas en servicio, afirma Paquette. No obstante, los métodos de inspección actuales no siempre detectan los daños con la suficiente antelación. Sandia está aprovechando su experiencia en investigación de aviónica y robótica para cambiar esta situación. Al detectar los daños antes de que se hagan visibles, se pueden realizar reparaciones más pequeñas y económicas que permiten reparar la pala y prolongar su vida útil, explica.

En un proyecto, Sandia equipó un robot rastreador con un escáner que busca daños en el interior de las palas de aerogeneradores. En una segunda serie de proyectos, Sandia combinó drones con sensores que utilizan el calor de la luz solar para detectar daños.

Tradicionalmente, la industria eólica ha utilizado dos métodos principales para inspeccionar las palas de los aerogeneradores, explica Paquette. El primero consiste en enviar a un inspector con una cámara y un teleobjetivo. El inspector se desplaza de pala en pala tomando fotografías y buscando daños visibles, como grietas y erosión. El segundo método es similar, pero en lugar de permanecer en el suelo, el inspector desciende en rappel por la torre del aerogenerador o maniobra una plataforma sobre una grúa a lo largo de la pala.

En estas inspecciones visuales, solo se ven daños superficiales. Sin embargo, cuando por fin se aprecia una grieta en la superficie de la hoja, el daño suele ser bastante grave. En ese caso, la reparación será costosa o incluso habrá que reemplazar la hoja.

Estas inspecciones han sido populares por su asequibilidad, pero no detectan los daños antes de que se conviertan en un problema mayor, afirma Paquette. Los robots y drones de Sandia tienen como objetivo hacer de la inspección interna no invasiva de las palas eólicas una opción viable para la industria.

Sandia y sus socios International Climbing Machines y Dophitech construyeron un robot rastreador inspirado en las máquinas que inspeccionan presas. El robot puede moverse lateralmente y verticalmente sobre una pala eólica, como si pintara una valla publicitaria. Las cámaras integradas capturan imágenes de alta fidelidad para detectar daños superficiales, así como pequeñas marcas que podrían indicar daños mayores en el subsuelo. Mientras se desplaza, el robot también utiliza una sonda para escanear la pala en busca de daños mediante imágenes ultrasónicas de matriz en fase.

El escáner funciona de forma muy similar a las máquinas de ultrasonido que usan los médicos para ver el interior del cuerpo, solo que en este caso detecta daños internos en las cuchillas. Los cambios en estas señales ultrasónicas se analizan automáticamente para indicar daños.

Dennis Roach, científico senior de Sandia y líder del proyecto de robots rastreadores, afirma que una inspección ultrasónica de matriz en fase puede detectar daños en cualquier capa dentro de las gruesas palas compuestas.

El impacto o la sobrecarga provocada por la turbulencia genera daños subsuperficiales no visibles. El objetivo es detectar estos daños antes de que alcancen un tamaño crítico y puedan repararse con métodos menos costosos que, además, reducen el tiempo de inactividad de las palas. Queremos evitar cualquier fallo o la necesidad de desmontar una pala.

Roach concibe los robots rastreadores como parte de un método integral de inspección y reparación de palas eólicas.

Imagínese un equipo de reparación en una plataforma que asciende por una pala eólica con un robot avanzando delante. Cuando el robot detecta un problema, los inspectores pueden marcar el punto para que la ubicación del daño subterráneo sea evidente. El equipo de reparación elimina el daño y repara el material compuesto. Este servicio integral de inspección y reparación permite que la pala vuelva a estar operativa rápidamente.

Sandia también colaboró ​​con varias pequeñas empresas en una serie de proyectos para equipar drones con cámaras infrarrojas que utilizan el calor de la luz solar para detectar daños ocultos en las palas de aerogeneradores. Este método, llamado termografía, detecta daños de hasta media pulgada de profundidad en el interior de la pala.

Desarrollamos un método que calienta la hoja al sol y luego la gira o inclina hasta que queda a la sombra. La luz solar se difunde en la hoja y se distribuye uniformemente. A medida que se difunde el calor, se espera que la superficie de la hoja se enfríe. Sin embargo, las imperfecciones tienden a interrumpir el flujo de calor, dejando la superficie superior y las imperfecciones calientes. La cámara infrarroja detecta estos puntos calientes y los etiqueta como daños detectados.

Actualmente existen dispositivos de termografía terrestre que se utilizan en otros sectores, como el mantenimiento de aeronaves. Dado que para esta aplicación las cámaras se montan en drones, es necesario hacer concesiones, explica Ely.

No queremos un dron con componentes caros que puedan estrellarse, ni que consuman mucha energía. Por eso, utilizamos cámaras infrarrojas muy pequeñas que cumplen con nuestros requisitos y, además, usamos imágenes ópticas y lidar para obtener información adicional.

El lidar, similar al radar pero que utiliza luz visible en lugar de ondas de radiofrecuencia, mide el tiempo que tarda la luz en viajar de un punto a otro para determinar la distancia entre objetos. Inspirándose en el programa de aterrizaje de la NASA en Marte, los investigadores utilizaron un sensor lidar y aprovecharon el movimiento de un dron para obtener imágenes de superresolución. Un dron que inspecciona una pala eólica se mueve mientras toma imágenes, y ese movimiento permite obtener imágenes de superresolución.

El movimiento se utiliza para rellenar píxeles adicionales. Si dispone de una cámara o un lidar de 100 x 100 píxeles y toma una sola fotografía, esa será la resolución máxima que obtendrá. Sin embargo, si se mueve mientras toma fotografías, aunque sea mínimamente (a nivel de subpíxel), puede rellenar los huecos y crear una malla más fina. Los datos de varios fotogramas se pueden combinar para obtener una imagen de superresolución.

El uso de lidar e imágenes de superresolución también permite a los investigadores rastrear con precisión dónde se produce el daño en la pala, y el lidar también puede medir la erosión en los bordes de la pala.

Las inspecciones autónomas de puentes y líneas eléctricas ya son una realidad, y Paquette cree que también se convertirán en elementos importantes para garantizar la fiabilidad de las palas eólicas.

La inspección autónoma va a ser un área de gran importancia, y tiene mucho sentido en la industria eólica, dado el tamaño y la ubicación de las palas. En lugar de que una persona tenga que caminar o conducir de pala en pala para buscar daños, imagine si las inspecciones estuvieran automatizadas.

Paquette afirma que existe margen para una variedad de métodos de inspección, desde simples inspecciones con cámaras terrestres hasta drones y robots que trabajan conjuntamente para determinar el estado de una pala.

Me imagino que cada parque eólico contaría con un dron o una flota de drones que despegarían diariamente, sobrevolarían las turbinas, realizarían todas las inspecciones y luego regresarían para subir los datos. Posteriormente, el operador del parque eólico revisaría los datos, que ya habrían sido procesados ​​por inteligencia artificial para detectar diferencias en las palas con respecto a inspecciones anteriores y detectar posibles problemas. A continuación, el operador desplegaría un robot rastreador sobre la pala con el daño sospechoso para realizar una inspección más detallada y planificar las reparaciones. Representaría un avance significativo para el sector.