Los robots, drones y sensores ayudan con las inspecciones ahora y podrían automatizarse completamente en un futuro no muy lejano.

Los drones y robots reptantes equipados con escáneres especiales podrían ayudar a que las palas eólicas permanezcan en servicio durante más tiempo, lo que podría reducir el coste de la energía eólica en un momento en que las palas son cada vez más grandes, más caras y más difíciles de transportar. Con este fin, investigadores del Blade Reliability Collaborative del Departamento de Energía y del Laboratorio Nacional Sandia han estado trabajando en métodos para inspeccionar las palas eólicas de forma no invasiva en busca de daños ocultos, a la vez que son más rápidos y detallados que las inspecciones humanas tradicionales con cámaras.

Las palas eólicas son las estructuras compuestas de una sola pieza más grandes del mundo, incluso más grandes que cualquier avión, y a menudo se instalan en máquinas en ubicaciones remotas. Una pala está expuesta a rayos, granizo, lluvia, humedad y otras fuerzas mientras soporta mil millones de ciclos de carga durante su vida útil, pero no se puede simplemente aterrizar en un hangar para su mantenimiento.

Sin embargo, la inspección y reparación rutinarias son cruciales para mantener los álabes de la turbina en servicio, afirma Paquette. Sin embargo, los métodos de inspección actuales no siempre detectan los daños con la suficiente rapidez. Sandia está aprovechando la experiencia en investigación en aviónica y robótica para cambiar esto. Al detectar los daños antes de que sean visibles, reparaciones más pequeñas y económicas pueden reparar el álabes y prolongar su vida útil, afirma.

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

Tradicionalmente, la industria eólica ha utilizado dos enfoques principales para inspeccionar las palas, afirma Paquette. La primera opción consiste en enviar a alguien con una cámara y un teleobjetivo. El inspector se desplaza de pala en pala tomando fotos y buscando daños visibles, como grietas y erosión. La segunda opción es similar, pero en lugar de permanecer de pie, el inspector desciende en rápel por una torre de pala o maniobra una plataforma sobre una grúa para subir y bajar la pala.

En estas inspecciones visuales, solo se observan daños superficiales. Sin embargo, a menudo, cuando se detecta una grieta en el exterior de una cuchilla, el daño ya es bastante grave. Se enfrenta a una reparación costosa o incluso a la posibilidad de tener que reemplazar la cuchilla.

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

Sandia y sus socios, International Climbing Machines y Dophitech, construyeron un robot reptante inspirado en las máquinas que inspeccionan presas. El robot puede desplazarse lateralmente y hacia arriba y hacia abajo por una pala eólica, como si pintara una valla publicitaria. Las cámaras integradas capturan imágenes de alta fidelidad para detectar daños superficiales, así como pequeñas demarcaciones que podrían indicar daños mayores en el subsuelo. Mientras se mueve, el robot también utiliza una varilla para escanear la pala en busca de daños mediante imágenes ultrasónicas de matriz en fase.

El escáner funciona de forma muy similar a los ecógrafos que utilizan los médicos para examinar el interior de los cuerpos, salvo que en este caso detecta daños internos en las palas. Los cambios en estas firmas ultrasónicas se analizan automáticamente para indicar daños.

Dennis Roach, científico senior de Sandia y líder del proyecto de orugas robóticas, dice que una inspección ultrasónica de matriz en fase puede detectar daños en cualquier capa dentro de las gruesas hojas compuestas.

El impacto o la sobrecarga causada por la turbulencia provocan daños subsuperficiales invisibles. La idea es detectar los daños antes de que alcancen un tamaño crítico y puedan solucionarse con reparaciones menos costosas que, además, reduzcan el tiempo de inactividad de las palas. Queremos evitar cualquier fallo o la necesidad de desmontar una pala.

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

Imagine a un equipo de reparación en una plataforma subiendo por una pala eólica con el robot avanzando lentamente. Cuando el robot encuentra algo, los inspectores pueden indicarle que marque el punto para que la ubicación del daño subterráneo sea evidente. El equipo de reparación rectifica el daño y repara el material compuesto. Esta inspección y reparación integral permite que la pala vuelva a estar en servicio 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 gira o inclina hasta que queda a la sombra. La luz solar se difunde en la pala y se iguala. A medida que el calor se difunde, es de esperar 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 esos puntos calientes y los etiqueta como daño detectado.

Existen dispositivos termográficos terrestres que se utilizan actualmente en otras industrias, como el mantenimiento de aeronaves. Dado que las cámaras se montan en drones para esta aplicación, es necesario hacer concesiones, afirma Ely.

No queremos un dron caro que pueda estrellarse ni un gran consumidor de energía. Por eso, utilizamos cámaras infrarrojas muy pequeñas que se ajustan a nuestros criterios y, además, usamos imágenes ópticas y lidar para obtener información adicional.

El lidar, similar a un radar, utiliza luz visible en lugar de ondas de radiofrecuencia y mide el tiempo que tarda la luz en viajar hasta 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 alta resolución. Un dron que inspecciona una pala de viento se mueve mientras toma imágenes, y ese movimiento permite obtener imágenes de alta resolución.

El movimiento se usa para rellenar píxeles adicionales. Si se tiene una cámara o un lidar de 100 x 100 píxeles y se toma una sola foto, esa resolución es la única que se tendrá. Pero si se mueve mientras se toman fotos, con una precisión de subpíxeles, se pueden rellenar esos espacios 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 súper resolución 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 partes importantes para garantizar la confiabilidad de las palas eólicas.

La inspección autónoma será un área enorme, y realmente tiene 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 una pala a otra para buscar daños, imagine si las inspecciones estuvieran automatizadas.

Paquette dice que hay espacio para una variedad de métodos de inspección, desde simples inspecciones con cámaras terrestres hasta drones y rastreadores trabajando juntos para determinar el estado de una pala.

Me imagino que cada parque eólico contará con un dron o una flota de drones que despeguen a diario, sobrevuelen los aerogeneradores, realicen todas sus inspecciones y luego regresen para cargar los datos. El operador del parque eólico entrará y revisará los datos, que ya habrán sido analizados por inteligencia artificial que busca diferencias en las palas con respecto a inspecciones anteriores y detecta posibles problemas. El operador desplegará un robot rastreador sobre la pala con posible daño para obtener una visión más detallada y planificar las reparaciones. Sería un avance significativo para la industria.