Robot, droni e sensori sono già utili per le ispezioni e potrebbero essere completamente automatizzati in un futuro non troppo lontano.

Droni e robot cingolati dotati di scanner speciali potrebbero contribuire a prolungare la durata di vita delle pale eoliche, riducendo così il costo dell'energia eolica in un momento in cui le pale diventano sempre più grandi, costose e difficili da trasportare. A tal fine, i ricercatori del Blade Reliability Collaborative del Dipartimento dell'Energia degli Stati Uniti e del Sandia National Laboratory stanno lavorando a metodi per ispezionare le pale eoliche in modo non invasivo, individuando danni nascosti, con maggiore rapidità e precisione rispetto alle tradizionali ispezioni umane con telecamere.

Le pale eoliche sono le più grandi strutture composite monoblocco costruite al mondo, persino più grandi di qualsiasi aereo, e vengono spesso installate su macchinari in luoghi remoti. Una pala è soggetta a fulmini, grandine, pioggia, umidità e altre forze, e durante la sua vita utile è sottoposta a un miliardo di cicli di carico, ma non è possibile semplicemente riporla in un hangar per la manutenzione.

Secondo Paquette, tuttavia, l'ispezione e la riparazione di routine sono fondamentali per mantenere le pale delle turbine in servizio. Gli attuali metodi di ispezione, però, non sempre individuano i danni in tempo utile. Sandia sta sfruttando le competenze acquisite nella ricerca avionica e robotica per cambiare questa situazione. Individuando i danni prima che diventino visibili, è possibile effettuare riparazioni più piccole ed economiche, riparando la pala e prolungandone la durata, spiega.

In un progetto, Sandia ha dotato un robot cingolato di uno scanner in grado di individuare danni all'interno delle pale eoliche. In una seconda serie di progetti, Sandia ha abbinato dei droni a sensori che utilizzano il calore della luce solare per rilevare i danni.

Tradizionalmente, l'industria eolica ha adottato due approcci principali per l'ispezione delle pale, spiega Paquette. La prima opzione consiste nell'inviare qualcuno con una macchina fotografica e un teleobiettivo. L'ispettore si sposta da una pala all'altra scattando foto e cercando danni visibili, come crepe ed erosione. La seconda opzione è simile, ma invece di stare a terra, l'ispettore si cala con una corda lungo la torre della pala eolica o manovra una piattaforma su una gru lungo la pala stessa.

In queste ispezioni visive, si notano solo danni superficiali. Spesso, però, quando si riesce a vedere una crepa sulla superficie esterna di una lama, il danno è già piuttosto grave. In tal caso, si prospetta una riparazione costosa o potrebbe addirittura essere necessario sostituire la lama.

Queste ispezioni sono state popolari perché economiche, ma non riescono a individuare i danni prima che si trasformino in un problema più grave, afferma Paquette. I robot cingolati e i droni di Sandia mirano a rendere l'ispezione interna non invasiva delle pale eoliche un'opzione praticabile per il settore.

Sandia e i suoi partner International Climbing Machines e Dophitech hanno costruito un robot cingolato ispirato alle macchine utilizzate per ispezionare le dighe. Il robot può muoversi lateralmente e verticalmente lungo una pala eolica, come un operatore che dipinge un cartellone pubblicitario. Le telecamere di bordo scattano immagini ad alta fedeltà per rilevare danni superficiali, nonché piccole alterazioni che potrebbero indicare danni più estesi e sottostanti. Durante il movimento, il robot utilizza anche una sonda per scansionare la pala alla ricerca di danni tramite ultrasuoni phased array.

Lo scanner funziona in modo molto simile agli apparecchi a ultrasuoni utilizzati dai medici per visualizzare l'interno del corpo, con la differenza che in questo caso rileva danni interni alle lame. Le variazioni di queste firme ultrasoniche vengono analizzate automaticamente per indicare la presenza di danni.

Dennis Roach, scienziato senior di Sandia e responsabile del progetto del robot cingolato, afferma che un'ispezione a ultrasuoni phased array può rilevare danni in qualsiasi strato all'interno delle spesse pale in materiale composito.

L'impatto o le sollecitazioni eccessive dovute alla turbolenza creano danni sottosuperficiali non visibili. L'obiettivo è individuare i danni prima che raggiungano dimensioni critiche, in modo da poterli riparare con interventi meno costosi che riducano anche i tempi di fermo delle pale. Vogliamo evitare qualsiasi guasto o la necessità di rimuovere una pala.

Roach immagina i robot cingolati come parte di un metodo integrato di ispezione e riparazione delle pale eoliche.

Immaginate una squadra di riparazione su una piattaforma che sale su una pala eolica, con un robot che la precede. Quando il robot individua un problema, gli ispettori possono fargli segnalare il punto in modo che la posizione del danno sotto la superficie sia evidente. La squadra di riparazione leviga il materiale danneggiato e ripara il componente composito. Questo servizio completo di ispezione e riparazione permette di rimettere in servizio la pala in tempi brevi.

Sandia ha inoltre collaborato con diverse piccole imprese in una serie di progetti per equipaggiare i droni con telecamere a infrarossi che utilizzano il calore della luce solare per rilevare danni nascosti alle pale eoliche. Questo metodo, chiamato termografia, rileva danni fino a mezzo pollice di profondità all'interno della pala.

Abbiamo sviluppato un metodo che riscalda la pala al sole, per poi farla rotolare o inclinare fino a portarla all'ombra. La luce solare si diffonde nella pala e si uniforma. Man mano che il calore si diffonde, ci si aspetterebbe che la superficie della pala si raffreddi. Tuttavia, i difetti tendono a interrompere il flusso di calore, mantenendo calda la superficie sovrastante i difetti stessi. La termocamera a infrarossi rileva questi punti caldi e li etichetta come danni rilevati.

Esistono dispositivi di termografia terrestri attualmente utilizzati in altri settori, come la manutenzione degli aeromobili. Poiché in questa applicazione le telecamere sono montate su droni, è necessario scendere a compromessi, afferma Ely.

Non si vuole montare su un drone qualcosa di costoso che potrebbe schiantarsi, né qualcosa che consumi troppa energia. Per questo utilizziamo telecamere a infrarossi molto piccole che soddisfano i nostri requisiti, e in più integriamo immagini ottiche e lidar per ottenere informazioni aggiuntive.

Il lidar, simile al radar ma che utilizza la luce visibile anziché le onde a radiofrequenza, misura il tempo impiegato dalla luce per viaggiare da e verso un punto, determinando così la distanza tra gli oggetti. Prendendo ispirazione dal programma di atterraggio su Marte della NASA, i ricercatori hanno utilizzato un sensore lidar e sfruttato il movimento di un drone per acquisire immagini ad altissima risoluzione. Un drone che ispeziona una pala eolica si muove mentre scatta foto, e questo movimento rende possibile ottenere immagini ad altissima risoluzione.

Il movimento viene utilizzato per riempire i pixel mancanti. Se si dispone di una fotocamera o di un lidar con una risoluzione di 100x100 pixel e si scatta una sola foto, quella sarà l'unica risoluzione disponibile. Ma se ci si muove durante lo scatto, anche di una quantità inferiore al pixel, è possibile riempire gli spazi vuoti e creare una mesh più fine. I dati provenienti da più fotogrammi possono essere combinati per ottenere un'immagine a super risoluzione.

L'utilizzo del lidar e dell'imaging ad altissima risoluzione consente inoltre ai ricercatori di tracciare con precisione i punti danneggiati della pala, e il lidar può anche misurare l'erosione sui bordi della pala.

Le ispezioni autonome di ponti e linee elettriche sono già una realtà, e Paquette ritiene che diventeranno elementi importanti anche per garantire l'affidabilità delle pale eoliche.

L'ispezione autonoma rappresenterà un settore di enorme importanza, e ha un senso particolare nell'industria eolica, viste le dimensioni e la posizione delle pale. Invece di dover essere una persona che si sposta a piedi o in auto da una pala all'altra per verificare la presenza di danni, immaginate se le ispezioni fossero automatizzate.

Secondo Paquette, c'è spazio per una varietà di metodi di ispezione, dalle semplici ispezioni con telecamere da terra all'impiego congiunto di droni e robot cingolati per valutare lo stato di salute di una pala.

Posso immaginare che ogni impianto eolico disponga di un drone, o di una flotta di droni, che decollano ogni giorno, sorvolano le turbine, effettuano tutte le ispezioni e poi tornano indietro caricando i dati. A quel punto, l'operatore dell'impianto eolico esaminerà i dati, che saranno già stati analizzati da un'intelligenza artificiale in grado di individuare differenze nelle pale rispetto alle ispezioni precedenti e segnalare potenziali problemi. L'operatore potrà quindi impiegare un robot cingolato sulla pala con il danno sospetto per ottenere un'analisi più dettagliata e pianificare le riparazioni. Sarebbe un progresso significativo per il settore.