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

Los drones y los robots rastreros equipados con escáneres especiales podrían ayudar a que las palas eólicas permanezcan en servicio por más tiempo, lo que podría reducir el costo de la energía eólica en un momento en que las palas son cada vez más grandes, más caras y más difíciles de transportar. Con ese fin, los investigadores de Blade Reliability Collaborative del DoE y el Laboratorio Nacional Sandia han estado trabajando en formas de inspeccionar de forma no invasiva las palas eólicas en busca de daños ocultos y, al mismo tiempo, ser más rápido y detallado que las inspecciones humanas tradicionales con cámaras.

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

Sin embargo, la inspección y reparación de rutina son fundamentales para mantener las palas de la turbina en servicio, dice Paquette. Sin embargo, los métodos de inspección actuales no siempre detectan los daños lo suficientemente pronto. Sandia está aprovechando la experiencia de la investigación en aviónica y robótica para cambiar eso. Al detectar los daños antes de que sean visibles, reparaciones más pequeñas y más económicas pueden reparar la hoja y extender su vida útil, afirma.

En un proyecto, Sandia equipó un robot rastrero 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 tenido dos enfoques principales para inspeccionar las palas eólicas, dice Paquette. La primera opción es enviar a alguien con una cámara y un teleobjetivo. El inspector pasa de una hoja a otra tomando fotografías y buscando daños visibles, como grietas y erosión. La segunda opción es similar, pero en lugar de pararse en el suelo, el inspector desciende en rápel por una torre de pala eólica o maniobra una plataforma en una grúa hacia arriba y hacia abajo por la pala.

En estas inspecciones visuales, sólo se ven daños superficiales. Sin embargo, a menudo, cuando se puede ver una grieta en el exterior de una hoja, el daño ya es bastante grave. Estás ante una reparación costosa o incluso es posible que tengas que reemplazar la cuchilla.

Estas inspecciones han sido populares porque son asequibles, pero no pueden detectar daños antes de que se conviertan en un problema mayor, dice Paquette. Los robots rastreros y los drones de Sandia tienen como objetivo hacer que la inspección interna no invasiva de las palas eólicas sea una opción viable para la industria.

Sandia y sus socios International Climbing Machines y Dophitech construyeron un robot de rastreo inspirado en las máquinas que inspeccionan represas. El robot puede moverse de un lado a otro y de arriba a abajo por una pala de viento, como si alguien pintara un cartel publicitario. Las cámaras a bordo toman imágenes de alta fidelidad para detectar daños en la superficie, así como pequeñas demarcaciones que pueden indicar daños más grandes en el subsuelo. Mientras se mueve, el robot también usa una varita para escanear la hoja en busca de daños mediante imágenes ultrasónicas de matriz en fase.

El escáner funciona de manera muy similar a las máquinas de ultrasonido utilizadas por los médicos para ver el interior de los cuerpos, excepto que en este caso detecta daños internos en las cuchillas. Los cambios en estas firmas ultrasónicas se analizan automáticamente para indicar daños.

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

El impacto o la tensión excesiva causada por la turbulencia crea daños en el subsuelo que no son visibles. La idea es encontrar daños antes de que alcancen un tamaño crítico y puedan repararse con reparaciones menos costosas que también reduzcan el tiempo de inactividad de la hoja. Queremos evitar fallos o la necesidad de retirar alguna cuchilla.

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

Imagínese a un equipo de reparación en una plataforma subiendo por una pala de viento con el robot arrastrándose delante. Cuando el robot encuentra algo, los inspectores pueden pedirle que marque el lugar para que la ubicación del daño subterráneo sea evidente. El equipo de reparación elimina los daños y repara el material compuesto. Esta ventanilla única de inspección y reparación permite que la hoja vuelva a estar en servicio rápidamente.

Sandia también trabajó 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 del viento. Este método, llamado termografía, detecta daños de hasta media pulgada de profundidad dentro de la hoja.

Desarrollamos un método que calienta la hoja al sol y luego la enrolla o inclina hasta que queda a la sombra. La luz del sol se difunde hacia la hoja y se iguala. A medida que ese calor se difunde, se espera que la superficie de la hoja se enfríe. Pero los defectos tienden a interrumpir el flujo de calor, dejando la superficie de arriba y los defectos calientes. La cámara de infrarrojos detecta esos puntos calientes y los etiqueta como daños detectados.

Actualmente existen dispositivos de termografía terrestres que se utilizan para otras industrias, como el mantenimiento de aeronaves. Como las cámaras se montan en drones para esta aplicación, hay que hacer concesiones, afirma Ely.

No quieres algo caro en un dron que pueda estrellarse, y no quieres un acaparador de energía. Entonces, usamos cámaras IR realmente pequeñas que se ajustan a nuestros criterios y luego usamos imágenes ópticas y lidar para proporcionar información adicional.

Lidar, que es como un radar pero utiliza luz visible en lugar de ondas de radiofrecuencia, mide cuánto tiempo tarda la luz en viajar hacia y desde 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 los drones para recopilar imágenes de súper resolución. Un dron que inspecciona una pala de viento se mueve mientras toma imágenes, y ese movimiento permite recopilar imágenes de súper resolución.

Utiliza el movimiento para rellenar píxeles adicionales. Si tiene una cámara o lidar de 100 por 100 píxeles y toma una fotografía, esa resolución es todo lo que tendrá. Pero si te mueves mientras tomas fotografías, en una cantidad de subpíxeles, puedes llenar esos espacios y crear una malla más fina. Los datos de varios fotogramas se pueden juntar para obtener una imagen de súper resolución.

El uso de imágenes LIDAR y 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 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, imagínese si las inspecciones fueron automatizados.

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

Puedo imaginarme que cada planta eólica tenga un dron o una flota de drones que despeguen todos los días, vuelen alrededor de las turbinas eólicas, realicen todas sus inspecciones y luego regresen y carguen sus datos. Luego, el operador de la planta eólica entrará y revisará los datos, que ya habrán sido leídos por la inteligencia artificial que busca diferencias en las palas de inspecciones anteriores y observa posibles problemas. Luego, el operador desplegará un rastreador robótico en la pala con daños sospechosos para obtener una visión más detallada y planificar las reparaciones. Sería un avance significativo para la industria.