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

Los drones y robots móviles equipados con escáneres especiales podrían prolongar la vida útil de las palas eólicas, lo que reduciría el coste de 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 Blade Reliability Collaborative del Departamento de Energía de EE. UU. y del Laboratorio Nacional Sandia han estado trabajando en métodos no invasivos para inspeccionar las palas eólicas en busca de daños ocultos, de forma más rápida y precisa que las inspecciones tradicionales realizadas por humanos con cámaras.

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

Según Paquette, la inspección y reparación rutinarias son fundamentales para mantener las palas de las turbinas en servicio. Sin embargo, los métodos de inspección actuales no siempre detectan los daños a tiempo. Sandia está aprovechando la experiencia en investigación de aviónica y robótica para cambiar esta situación. Al detectar los daños antes de que sean visibles, se pueden realizar reparaciones más pequeñas y económicas para arreglar la pala y prolongar su vida útil, explica.

En un proyecto, Sandia equipó un robot móvil con un escáner que busca daños en las palas de los 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. La primera opción consiste en enviar a alguien con una cámara y un teleobjetivo. El inspector recorre las palas tomando fotos y buscando daños visibles, como grietas y erosión. La segunda opción es similar, pero en lugar de estar en el suelo, el inspector desciende en rápel por la torre de control o maniobra una plataforma elevadora sobre la pala.

En estas inspecciones visuales, solo se observan daños superficiales. Sin embargo, a menudo, cuando se aprecia una grieta en la superficie de la hoja, el daño ya es bastante grave. Esto implica una reparación costosa o incluso la necesidad de reemplazar la hoja.

Estas inspecciones han sido populares por su bajo costo, pero no permiten detectar los daños antes de que se conviertan en un problema mayor, explica Paquette. Los robots y drones de Sandia buscan convertir la inspección interna no invasiva de las palas de los aerogeneradores en una opción viable para la industria.

Sandia y sus socios International Climbing Machines y Dophitech construyeron un robot oruga inspirado en las máquinas que inspeccionan las presas. El robot puede moverse lateralmente y verticalmente sobre las palas de un aerogenerador, como si pintara una valla publicitaria. Cámaras integradas capturan imágenes de alta fidelidad para detectar daños en la superficie, así como pequeñas marcas que podrían indicar daños más profundos. Mientras se desplaza, el robot también utiliza una sonda para escanear las palas en busca de daños mediante imágenes ultrasónicas de matriz de fases.

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

Dennis Roach, científico sénior de Sandia y líder del proyecto del robot explorador, afirma que una inspección ultrasónica de matriz de fases puede detectar daños en cualquier capa dentro de las gruesas palas compuestas.

El impacto o la sobrecarga causada por la turbulencia generan daños subsuperficiales invisibles. El objetivo es detectar estos daños antes de que alcancen un tamaño crítico y puedan repararse con métodos menos costosos que, además, reduzcan el tiempo de inactividad de las palas. Queremos evitar cualquier fallo o la necesidad de desmontar una pala.

Roach concibe los robots oruga como parte de un método integral de inspección y reparación de palas de aerogeneradores.

Imagínese un equipo de reparación en una plataforma subiendo por una pala de aerogenerador con el robot avanzando por delante. Cuando el robot detecta algún problema, los inspectores pueden marcar la zona 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 los 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 pala al sol y luego la hace girar o inclinar hasta que quede a la sombra. La luz solar se difunde en la pala y se distribuye uniformemente. A medida que el calor se difunde, se espera que la superficie de la pala 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 las cámaras se montan en drones para esta aplicación, es necesario hacer ciertas concesiones, explica Ely.

No queremos componentes caros en un dron que puedan estrellarse, ni que consuman mucha energía. Por eso, utilizamos cámaras infrarrojas muy pequeñas que cumplen con nuestros requisitos, y luego empleamos 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 desde y hacia un punto para determinar la distancia entre objetos. Inspirándose en el programa de aterrizaje en Marte de la NASA, los investigadores utilizaron un sensor lidar y aprovecharon el movimiento de un dron para obtener imágenes de superresolución. Un dron que inspecciona una pala de aerogenerador se mueve mientras toma imágenes, y ese movimiento permite obtener imágenes de superresolución.

El movimiento se utiliza para rellenar píxeles adicionales. Si se dispone de una cámara o un sistema LiDAR de 100 x 100 píxeles y se toma una sola fotografía, esa será toda la resolución disponible. Sin embargo, si se realiza un movimiento mínimo mientras se toman fotografías, se pueden rellenar esos 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 está dañada 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 de los aerogeneradores.

La inspección autónoma se convertirá en 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, imagínese si las inspecciones estuvieran automatizadas.

Paquette afirma que hay margen para diversos métodos de inspección, desde sencillas inspecciones con cámaras terrestres hasta el uso conjunto de drones y vehículos oruga 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 regresarían para cargar 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 e identificar posibles problemas. A continuación, el operador desplegaría un robot móvil sobre la pala con posibles daños para realizar una inspección más detallada y planificar las reparaciones. Sería un avance significativo para la industria.