Les robots, les drones et les capteurs facilitent désormais les inspections et pourraient être entièrement automatisés dans un avenir pas trop lointain.

Les drones et les robots rampants équipés de scanners spéciaux pourraient aider les pales éoliennes à rester en service plus longtemps, ce qui pourrait réduire le coût de l'énergie éolienne à une époque où les pales deviennent plus grandes, plus chères et plus difficiles à transporter. À cette fin, les chercheurs du Blade Reliability Collaborative du DoE et du Sandia National Laboratory ont travaillé sur des moyens d'inspecter de manière non invasive les pales de vent à la recherche de dommages cachés, tout en étant plus rapides et plus détaillées que les inspections humaines traditionnelles avec des caméras.

Les pales d'éoliennes sont les plus grandes structures composites monobloc construites au monde, encore plus grandes que n'importe quel avion, et elles sont souvent installées sur des machines dans des endroits éloignés. Une pale est soumise à la foudre, à la grêle, à la pluie, à l'humidité et à d'autres forces lorsqu'elle subit un milliard de cycles de charge au cours de sa durée de vie, mais vous ne pouvez pas simplement la poser dans un hangar pour l'entretien.

Cependant, une inspection et une réparation de routine sont essentielles au maintien en service des aubes de turbine, explique Paquette. Cependant, les méthodes d’inspection actuelles ne détectent pas toujours les dommages assez tôt. Sandia s'appuie sur l'expertise de la recherche en avionique et en robotique pour changer cela. En détectant les dommages avant qu'ils ne deviennent visibles, des réparations plus petites et moins coûteuses peuvent réparer la lame et prolonger sa durée de vie, dit-il.

Dans un projet, Sandia a équipé un robot rampant d'un scanner qui recherche les dommages à l'intérieur des pales du vent. Dans une deuxième série de projets, Sandia a associé des drones à des capteurs qui utilisent la chaleur du soleil pour détecter les dommages.

Traditionnellement, l’industrie éolienne a eu deux approches principales pour inspecter les pales d’éoliennes, explique Paquette. La première option consiste à envoyer quelqu'un avec un appareil photo et un téléobjectif. L'inspecteur se déplace de lame en lame, prend des photos et recherche les dommages visibles, tels que les fissures et l'érosion. La deuxième option est similaire, mais au lieu de se tenir au sol, l'inspecteur descend en rappel sur une tour de pales éoliennes ou manœuvre une plate-forme sur une grue de haut en bas de la pale.

Lors de ces inspections visuelles, vous ne constatez que des dommages superficiels. Mais souvent, au moment où vous remarquez une fissure à l’extérieur d’une lame, les dégâts sont déjà assez graves. Vous envisagez une réparation coûteuse ou vous devrez peut-être même remplacer la lame.

Ces inspections sont populaires parce qu'elles sont abordables, mais elles ne permettent pas de détecter les dommages avant qu'ils ne se transforment en un problème plus grave, explique Paquette. Les robots et drones rampants de Sandia visent à faire de l'inspection interne non invasive des pales de vent une option viable pour l'industrie.

Sandia et ses partenaires International Climbing Machines et Dophitech ont construit un robot rampant inspiré des machines qui inspectent les barrages. Le robot peut se déplacer d'un côté à l'autre et de haut en bas d'une pale de vent, comme quelqu'un qui peint un panneau d'affichage. Les caméras embarquées prennent des images haute fidélité pour détecter les dommages en surface, ainsi que les petites démarcations qui peuvent signaler des dommages souterrains plus importants. Pendant le déplacement, le robot utilise également une baguette pour scanner la lame à la recherche de dommages à l'aide d'une imagerie ultrasonique multiéléments.

Le scanner fonctionne un peu comme les appareils à ultrasons utilisés par les médecins pour voir l'intérieur des corps, sauf que dans ce cas, il détecte les dommages internes aux lames. Les modifications de ces signatures ultrasonores sont automatiquement analysées pour indiquer les dommages.

Dennis Roach, scientifique principal de Sandia et responsable du projet de chenille robotique, affirme qu'une inspection par ultrasons multiéléments peut détecter des dommages sur n'importe quelle couche à l'intérieur des pales épaisses et composites.

L'impact ou la contrainte excessive due aux turbulences crée des dommages souterrains qui ne sont pas visibles. L’idée est de détecter les dommages avant qu’ils n’atteignent une taille critique et puissent être réparés avec des réparations moins coûteuses qui réduisent également les temps d’arrêt des pales. Nous voulons éviter toute panne ou la nécessité de retirer une lame.

Roach envisage les chenilles robotiques dans le cadre d’une méthode unique d’inspection et de réparation des pales d’éoliennes.

Imaginez une équipe de réparation sur une plate-forme remontant une pale de vent avec le robot rampant devant. Lorsque le robot trouve quelque chose, les inspecteurs peuvent lui demander de marquer l'endroit afin que l'emplacement des dommages souterrains soit évident. L'équipe de réparation corrige les dégâts et répare le matériau composite. Ce guichet unique d’inspection et de réparation permet à la lame d’être remise en service rapidement.

Sandia a également travaillé avec plusieurs petites entreprises dans une série de projets visant à équiper les drones de caméras infrarouges qui utilisent la chaleur du soleil pour détecter les dommages cachés des pales de vent. Cette méthode, appelée thermographie, détecte les dommages jusqu'à un demi-pouce de profondeur à l'intérieur de la lame.

Nous avons développé une méthode qui chauffe la lame au soleil, puis la fait rouler ou la lancer jusqu'à ce qu'elle soit à l'ombre. La lumière du soleil se diffuse dans la lame et s'égalise. Au fur et à mesure que cette chaleur se diffuse, vous vous attendez à ce que la surface de la lame refroidisse. Mais les défauts ont tendance à perturber le flux de chaleur, laissant la surface au-dessus et les défauts chauds. La caméra infrarouge détecte ces points chauds et les qualifie de dommages détectés.

Il existe des appareils de thermographie au sol actuellement utilisés pour d'autres industries, comme la maintenance aéronautique. Comme les caméras sont montées sur des drones pour cette application, des concessions doivent être faites, explique Ely.

Vous ne voulez pas quelque chose de cher sur un drone qui pourrait s'écraser, et vous ne voulez pas non plus d'énergie. Nous utilisons donc de très petites caméras IR qui correspondent à nos critères, puis nous utilisons des images optiques et lidar pour fournir des informations supplémentaires.

Le Lidar, qui ressemble au radar mais utilise la lumière visible au lieu des ondes radiofréquences, mesure le temps qu'il faut à la lumière pour se déplacer vers et depuis un point afin de déterminer la distance entre les objets. S'inspirant du programme Mars Lander de la NASA, les chercheurs ont utilisé un capteur lidar et ont profité du mouvement du drone pour collecter des images en super-résolution. Un drone inspectant une pale de vent se déplace pendant qu’il prend des images, et ce mouvement permet de collecter des images en super-résolution.

Vous utilisez le mouvement pour remplir des pixels supplémentaires. Si vous disposez d'un appareil photo ou d'un lidar de 100 x 100 pixels et que vous prenez une photo, cette résolution est tout ce que vous aurez. Mais si vous vous déplacez pendant que vous prenez des photos, d'une quantité inférieure au pixel, vous pouvez combler ces lacunes et créer un maillage plus fin. Les données de plusieurs images peuvent être reconstituées pour une image super-résolution.

L’utilisation du lidar et de l’imagerie super-résolution permet également aux chercheurs de suivre avec précision l’endroit où la lame est endommagée, et le lidar peut également mesurer l’érosion sur les bords de la lame.

Les inspections autonomes des ponts et des lignes électriques sont déjà une réalité, et Paquette estime qu'elles deviendront également des éléments importants pour garantir la fiabilité des pales éoliennes.

L'inspection autonome va représenter un domaine immense, et elle est vraiment logique dans l'industrie éolienne, compte tenu de la taille et de l'emplacement des pales. Au lieu qu'une personne doive marcher ou conduire d'une pale à l'autre pour rechercher des dommages, imaginez si les inspections étaient automatisés.

Paquette dit qu'il existe de la place pour une variété de méthodes d'inspection, depuis les simples inspections par caméra au sol jusqu'aux drones et aux chenilles travaillant ensemble pour déterminer l'état d'une pale.

Je peux imaginer que chaque centrale éolienne dispose d'un drone ou d'une flotte de drones qui décollent tous les jours, survolent les éoliennes, effectuent toutes leurs inspections, puis reviennent et téléchargent leurs données. Ensuite, l'exploitant de la centrale éolienne entrera et examinera les données, qui auront déjà été lues par l'intelligence artificielle qui recherche les différences entre les pales par rapport aux inspections précédentes et note les problèmes potentiels. L'opérateur déploiera ensuite un robot à chenilles sur la lame présentant des dommages suspectés pour obtenir un aperçu plus détaillé et planifier les réparations. Ce serait une avancée significative pour l’industrie.