Les robots, les drones et les capteurs aident désormais aux inspections et pourraient être entièrement automatisés dans un avenir pas si lointain.

Des drones et des robots rampants équipés de scanners spéciaux pourraient prolonger la durée de vie des pales d'éoliennes, ce qui pourrait réduire le coût de l'énergie éolienne à une époque où les pales sont de plus en plus grandes, coûteuses et difficiles à transporter. À cette fin, des chercheurs du Blade Reliability Collaborative du DoE et du Sandia National Laboratory ont travaillé sur des méthodes d'inspection non invasive des pales d'éoliennes pour détecter les dommages cachés, tout en étant plus rapides et plus détaillées que les inspections humaines traditionnelles avec caméra.

Les pales d'éoliennes sont les plus grandes structures composites monoblocs construites au monde, plus grandes que n'importe quel avion, et elles sont souvent installées sur des machines dans des endroits isolés. Une pale est soumise à la foudre, à la grêle, à la pluie, à l'humidité et à d'autres forces tout en subissant un milliard de cycles de charge au cours de sa vie, mais on ne peut pas simplement la laisser dans un hangar pour maintenance.

L'inspection et la réparation de routine sont toutefois essentielles au maintien en service des aubes de turbine, explique Paquette. Cependant, les méthodes d'inspection actuelles ne permettent pas toujours de détecter les dommages suffisamment tôt. Sandia s'appuie sur l'expertise de la recherche en avionique et en robotique pour remédier à cette situation. En détectant les dommages avant qu'ils ne soient visibles, des réparations plus petites et moins coûteuses permettent de réparer l'aube et de prolonger sa durée de vie, explique-t-il.

Dans le cadre d'un projet, Sandia a équipé un robot rampant d'un scanner qui détecte les dommages à l'intérieur des pales d'éoliennes. 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 adopté deux approches principales pour inspecter les pales, explique Paquette. La première consiste à envoyer un inspecteur équipé d'un appareil photo et d'un téléobjectif. L'inspecteur se déplace d'une pale à l'autre pour prendre des photos et rechercher les dommages visibles, tels que les fissures et l'érosion. La seconde option est similaire, mais au lieu de se tenir debout au sol, l'inspecteur descend en rappel le long d'un mât de pale ou manœuvre une plateforme sur une grue le long de la pale.

Lors de ces inspections visuelles, seuls les dommages superficiels sont visibles. Cependant, lorsqu'une fissure apparaît à l'extérieur d'une lame, les dommages sont souvent déjà importants. Une réparation coûteuse, voire le remplacement de la lame, est alors envisagé.

Ces inspections sont populaires car elles sont abordables, mais elles ne permettent pas de détecter les dommages avant qu'ils ne s'aggravent, explique Paquette. Les robots et drones rampants de Sandia visent à faire de l'inspection interne non invasive des pales d'éoliennes une option viable pour l'industrie.

Sandia et ses partenaires International Climbing Machines et Dophitech ont construit un robot rampant inspiré des machines d'inspection des barrages. Le robot peut se déplacer latéralement et verticalement autour d'une pale d'éolienne, comme quelqu'un peignant un panneau publicitaire. Des caméras embarquées capturent des images haute fidélité pour détecter les dommages en surface, ainsi que de petites démarcations pouvant signaler des dommages plus importants, sous la surface. Tout en se déplaçant, le robot utilise également une sonde pour scanner la pale à la recherche de dommages grâce à l'imagerie par ultrasons multiéléments.

Le scanner fonctionne de manière similaire aux échographes utilisés par les médecins pour observer l'intérieur du corps, sauf qu'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 robot d'exploration, affirme qu'une inspection par ultrasons à réseau phasé peut détecter des dommages sur n'importe quelle couche à l'intérieur des épaisses pales composites.

Les impacts ou les contraintes excessives dues aux turbulences créent des dommages souterrains invisibles. L'objectif est de détecter les dommages avant qu'ils n'atteignent une taille critique et de les réparer par des réparations moins coûteuses, réduisant ainsi les temps d'arrêt des pales. Nous souhaitons ainsi éviter toute défaillance ou la nécessité de démonter une pale.

Roach envisage les robots chenillés comme faisant partie d'une méthode d'inspection et de réparation unique pour les pales d'éoliennes.

Imaginez une équipe de réparation sur une plateforme remontant une pale d'éolienne, le robot la suivant en rampant. Lorsque le robot détecte un problème, les inspecteurs peuvent lui demander de marquer l'emplacement afin de mettre en évidence les dommages sous la surface. L'équipe de réparation meule les dommages et répare le matériau composite. Ce service unique d'inspection et de réparation permet une remise en service rapide de la pale.

Sandia a également collaboré avec plusieurs petites entreprises sur une série de projets visant à équiper des drones de caméras infrarouges qui utilisent la chaleur du soleil pour détecter les dommages cachés des pales d'éoliennes. Cette méthode, appelée thermographie, détecte les dommages jusqu'à un centimètre de profondeur à l'intérieur de la pale.

Nous avons développé une méthode qui chauffe la lame au soleil, puis l'incline ou l'incline jusqu'à ce qu'elle soit à l'ombre. La lumière solaire se diffuse dans la lame et l'égalise. À mesure que cette chaleur se diffuse, la surface de la lame se refroidit. Cependant, les défauts ont tendance à perturber le flux thermique, laissant la surface et les défauts au-dessus chauds. La caméra infrarouge détecte ces points chauds et les qualifie de dommages détectés.

Des appareils de thermographie terrestres sont actuellement utilisés dans d'autres secteurs, comme la maintenance aéronautique. Comme les caméras sont montées sur des drones pour cette application, des concessions doivent être faites, explique Ely.

Il est important d'éviter un drone coûteux et susceptible de s'écraser, et de ne pas s'encombrer d'énergie. Nous utilisons donc de très petites caméras infrarouges répondant à nos critères, puis nous utilisons des images optiques et un lidar pour obtenir des informations complémentaires.

Le lidar, qui ressemble au radar mais utilise la lumière visible plutôt que les ondes radiofréquences, mesure le temps de trajet de la lumière vers et depuis un point afin de déterminer la distance entre les objets. S'inspirant du programme d'atterrissage sur Mars de la NASA, les chercheurs ont utilisé un capteur lidar et exploité le mouvement des drones pour recueillir des images en super-résolution. Un drone inspectant une pale d'éolienne se déplace pendant qu'il prend des images, et ce mouvement permet d'obtenir des images en super-résolution.

Le mouvement permet de 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 la seule dont vous disposez. Mais en vous déplaçant pendant la prise de vue, par sous-pixels, vous pouvez combler ces espaces vides et créer un maillage plus fin. Les données de plusieurs images peuvent être assemblées pour obtenir une image en super résolution.

L’utilisation du lidar et de l’imagerie à super-résolution permet également aux chercheurs de suivre précisément 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 croit qu’elles deviendront également des éléments importants pour assurer la fiabilité des pales d’éoliennes.

L'inspection autonome va devenir un domaine très vaste, et elle a vraiment du sens 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 automatisées.

Paquette affirme qu'il existe de la place pour une variété de méthodes d'inspection, allant des simples inspections par caméra au sol aux drones et aux chenilles travaillant ensemble pour déterminer l'état de santé d'une lame.

J'imagine que chaque parc éolien dispose d'un drone, ou d'une flotte de drones, qui décollent chaque jour, survolent les éoliennes, effectuent toutes leurs inspections, puis reviennent et téléchargent leurs données. L'exploitant de l'éolienne viendra ensuite examiner les données, qui auront déjà été lues par l'intelligence artificielle, qui recherchera les différences entre les pales lors des inspections précédentes et identifiera les problèmes potentiels. L'exploitant déploiera ensuite un robot sur chenilles sur la pale suspectée de dommage pour obtenir un examen plus détaillé et planifier les réparations. Ce serait une avancée significative pour le secteur.