Les robots, les drones et les capteurs facilitent déjà les inspections et pourraient être entièrement automatisés dans un avenir proche.

Des drones et des robots équipés de scanners spéciaux pourraient prolonger la durée de vie des pales d'éoliennes, ce qui permettrait de réduire le coût de l'énergie éolienne à un moment où ces pales deviennent plus grandes, plus chères et plus difficiles à transporter. Dans cette optique, des chercheurs du Blade Reliability Collaborative du Département de l'Énergie américain et du Laboratoire national Sandia travaillent sur des méthodes d'inspection non invasive des pales d'éoliennes afin de détecter les dommages cachés, tout en étant plus rapides et plus précises que les inspections humaines traditionnelles à l'aide de caméras.

Les pales d'éoliennes sont les plus grandes structures composites monoblocs jamais construites, encore 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 durée de vie, mais on ne peut pas simplement la mettre à l'abri dans un hangar pour la maintenance.

L'inspection et la réparation régulières sont 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 à temps. Sandia s'appuie sur l'expertise en avionique et en robotique pour y remédier. En détectant les dommages avant qu'ils ne soient visibles, des réparations plus petites et moins coûteuses peuvent remettre l'aube en état et prolonger sa durée de vie, précise-t-il.

Dans le cadre d'un premier projet, Sandia a équipé un robot chenillé d'un scanner capable de détecter les dommages à l'intérieur des pales d'éoliennes. Dans le cadre d'une seconde série de projets, Sandia a associé des drones à des capteurs utilisant la chaleur du rayonnement solaire pour détecter les dommages.

Traditionnellement, l'industrie éolienne utilise deux principales méthodes d'inspection des pales, explique Paquette. La première consiste à envoyer un inspecteur muni d'un appareil photo et d'un téléobjectif. L'inspecteur se déplace de pale en pale, prenant des photos et recherchant des dommages visibles, tels que des fissures et de l'érosion. La seconde méthode est similaire, mais au lieu de rester au sol, l'inspecteur descend en rappel le long d'un mât ou manœuvre une plateforme sur une grue le long de la pale.

Lors de ces inspections visuelles, seuls les dommages superficiels sont visibles. Or, bien souvent, lorsqu'une fissure apparaît à l'extérieur de la lame, les dégâts sont déjà importants. Il faudra alors s'attendre à une réparation coûteuse, voire au remplacement complet de la lame.

Ces inspections sont populaires en raison de leur prix abordable, mais elles ne permettent pas de détecter les dommages avant qu'ils ne s'aggravent, explique Paquette. Les robots et drones 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 conçu un robot rampant inspiré des engins d'inspection de barrages. Ce robot peut se déplacer latéralement et verticalement le long d'une pale d'éolienne, à la manière d'un peintre. Des caméras embarquées prennent des images haute résolution pour détecter les dommages en surface, ainsi que les petites marques pouvant indiquer des dommages plus importants en profondeur. Pendant ses déplacements, le robot utilise également une sonde pour scanner la pale à l'aide d'un système d'imagerie ultrasonore à balayage électronique.

Le scanner fonctionne de manière similaire aux appareils d'échographie utilisés par les médecins pour visualiser l'intérieur du corps, à la différence qu'il détecte ici les dommages internes des lames. Les variations de ces signatures ultrasonores sont analysées automatiquement afin de déceler les dommages.

Dennis Roach, scientifique principal chez Sandia et responsable du projet de robot chenillé, affirme qu'une inspection ultrasonique à réseau phasé peut détecter les dommages à n'importe quelle couche à l'intérieur des pales épaisses en composite.

Les chocs ou les contraintes excessives dues aux turbulences créent des dommages sous-jacents invisibles. L'objectif est de détecter ces dommages avant qu'ils n'atteignent une taille critique afin de pouvoir les réparer à moindre coût et réduire ainsi les temps d'arrêt des pales. Nous voulons éviter toute panne ou le démontage d'une pale.

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

Imaginez une équipe de réparation sur une plateforme remontant une pale d'éolienne, précédée d'un robot. Lorsqu'il détecte un problème, les inspecteurs peuvent le faire marquer l'emplacement des dommages sous la surface, rendant ainsi visible la zone endommagée. L'équipe de réparation élimine ensuite les dégâts et répare le matériau composite. Ce service complet d'inspection et de réparation permet une remise en service rapide de la pale.

Sandia a également collaboré avec plusieurs petites entreprises sur divers projets visant à équiper des drones de caméras infrarouges utilisant la chaleur du soleil pour détecter les dommages invisibles aux pales d'éoliennes. Cette méthode, appelée thermographie, permet de déceler des dommages jusqu'à 1,25 cm de profondeur à l'intérieur de la pale.

Nous avons mis au point une méthode qui consiste à chauffer la pale au soleil, puis à la faire rouler ou incliner jusqu'à ce qu'elle soit à l'ombre. La lumière du soleil se diffuse à l'intérieur de la pale et s'y répartit uniformément. Normalement, la surface de la pale se refroidit à mesure que la chaleur se diffuse. Cependant, les défauts ont tendance à perturber le flux thermique, ce qui maintient la surface et les défauts chauds. La caméra infrarouge détecte ces points chauds et les identifie comme des dommages.

Il existe des appareils de thermographie terrestres déjà 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.

On ne veut pas d'un équipement coûteux et susceptible de s'écraser sur un drone, ni d'un système énergivore. C'est pourquoi nous utilisons des caméras infrarouges très compactes qui répondent à nos critères, et nous complétons ces informations par des images optiques et un lidar.

Le lidar, semblable au radar mais utilisant la lumière visible au lieu des ondes radio, mesure le temps de trajet aller-retour de la lumière entre deux points afin de déterminer la distance entre les objets. S'inspirant du programme d'atterrissage martien de la NASA, les chercheurs ont utilisé un capteur lidar et exploité les mouvements d'un drone pour obtenir des images à très haute résolution. Un drone inspectant une pale d'éolienne se déplace pendant la prise de photos, et ce mouvement permet d'obtenir des images à très haute résolution.

Le mouvement permet de combler les lacunes en pixels. Avec un appareil photo ou un lidar de 100 x 100 pixels, la résolution d'une seule image est limitée. En revanche, en se déplaçant légèrement pendant la prise de vue, même à une échelle inférieure au pixel, on peut combler ces lacunes et créer une image plus fine. Les données de plusieurs images peuvent ensuite 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 les zones endommagées de la pale, et le lidar peut aussi mesurer l'érosion sur les bords de la pale.

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 d'éoliennes.

L'inspection autonome va devenir un domaine immense, et elle est particulièrement pertinente dans l'industrie éolienne, compte tenu de la taille et de l'emplacement des pales. Imaginez si les inspections étaient automatisées, au lieu qu'une personne doive se déplacer à pied ou en véhicule d'une pale à l'autre pour rechercher des dommages.

Paquette affirme qu'il existe de la place pour diverses méthodes d'inspection, allant de simples inspections par caméra au sol à l'utilisation conjointe de drones et de robots d'inspection pour déterminer l'état d'une pale.

J'imagine que chaque parc éolien pourrait être équipé d'un drone, voire d'une flotte, qui décollerait quotidiennement, survolerait les éoliennes, effectuerait toutes les inspections nécessaires, puis reviendrait télécharger les données. L'exploitant du parc éolien examinerait ensuite ces données, préalablement analysées par une intelligence artificielle capable de détecter les différences entre les pales lors des inspections précédentes et de repérer les problèmes potentiels. Il déploierait alors un robot chenillé sur la pale suspectée d'être endommagée afin d'obtenir une analyse plus détaillée et de planifier les réparations. Ce serait une avancée majeure pour le secteur.