Robot, droni e sensori aiutano già nelle ispezioni e potrebbero essere completamente automatizzati in un futuro non troppo lontano.

Droni e robot striscianti dotati di scanner speciali potrebbero contribuire a prolungare la durata delle pale eoliche, riducendo così il costo dell'energia eolica in un periodo in cui le pale stanno diventando sempre più grandi, costose e difficili da trasportare. A tal fine, i ricercatori del Blade Reliability Collaborative del Dipartimento dell'Energia e del Sandia National Laboratory hanno lavorato a metodi non invasivi per ispezionare le pale eoliche alla ricerca di danni nascosti, in modo più rapido e dettagliato rispetto alle tradizionali ispezioni umane con telecamere.

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

Tuttavia, l'ispezione e la riparazione di routine sono fondamentali per mantenere in servizio le pale delle turbine, afferma Paquette. Tuttavia, gli attuali metodi di ispezione non sempre individuano i danni con sufficiente tempestività. Sandia sta attingendo all'esperienza della ricerca in avionica e robotica per cambiare la situazione. Individuando i danni prima che diventino visibili, riparazioni più piccole ed economiche possono riparare la pala e prolungarne la durata, afferma.

In un progetto, Sandia ha dotato un robot strisciante di uno scanner che rileva danni all'interno delle pale eoliche. In una seconda serie di progetti, Sandia ha abbinato 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 eoliche, afferma Paquette. La prima opzione consiste nell'inviare un ispettore 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 in corda doppia da una torre eolica o manovra una piattaforma su una gru su e giù per la pala.

In queste ispezioni visive, si notano solo danni superficiali. Spesso, però, quando si nota una crepa sulla superficie esterna di una lama, il danno è già piuttosto grave. Si tratta di una riparazione costosa o addirittura di dover sostituire la lama.

Queste ispezioni sono popolari perché sono economiche, ma non riescono a individuare i danni prima che si trasformino in un problema più grave, afferma Paquette. I robot striscianti 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 partner International Climbing Machines e Dophitech hanno costruito un robot strisciante ispirato alle macchine che ispezionano le dighe. Il robot può muoversi lateralmente e su e giù lungo una pala eolica, come qualcuno che dipinge un cartellone pubblicitario. Le telecamere di bordo scattano immagini ad alta fedeltà per rilevare danni superficiali, nonché piccole demarcazioni che potrebbero segnalare danni più estesi nel sottosuolo. Durante il movimento, il robot utilizza anche una bacchetta per esaminare la pala alla ricerca di danni utilizzando immagini a ultrasuoni phased array.

Lo scanner funziona in modo molto simile agli ecografi usati dai medici per vedere all'interno del corpo, solo 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 cingolato robotico, afferma che un'ispezione ultrasonica a matrice di fase può rilevare danni in qualsiasi strato all'interno delle spesse pale composite.

L'impatto o la sovrasollecitazione causata dalla turbolenza creano danni al sottosuolo non visibili. L'idea è di individuare il danno prima che raggiunga dimensioni critiche e possa essere riparato con riparazioni meno costose che riducano anche i tempi di fermo delle pale. Vogliamo evitare qualsiasi guasto o la necessità di rimuovere una pala.

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

Immaginate una squadra di riparazione su una piattaforma che sale su una pala eolica con il robot che avanza lentamente. Quando il robot trova qualcosa, gli ispettori possono fargli marcare il punto in modo che la posizione del danno nel sottosuolo sia evidente. La squadra di riparazione leviga il danno e ripara il materiale composito. Questa soluzione unica di ispezione e riparazione consente alla pala di tornare rapidamente in servizio.

Sandia ha anche collaborato con diverse piccole imprese in una serie di progetti per dotare i droni di 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 un centimetro e mezzo di profondità all'interno della pala.

Abbiamo sviluppato un metodo che riscalda la pala al sole, per poi farla ruotare o inclinare finché non si trova in ombra. La luce solare si diffonde nella pala e la livella. Man mano che il calore si diffonde, ci si aspetta che la superficie della pala si raffreddi. Ma i difetti tendono a interrompere il flusso di calore, lasciando la superficie superiore e i difetti caldi. La telecamera a infrarossi rileva questi punti caldi e li etichetta come danno rilevato.

Esistono dispositivi termografici terrestri attualmente utilizzati anche in altri settori, come la manutenzione degli aeromobili. Poiché le telecamere sono montate su droni per questa applicazione, è necessario fare delle concessioni, afferma Ely.

Non vogliamo un drone costoso che possa schiantarsi, e non vogliamo un drone che consumi troppa energia. Quindi, utilizziamo telecamere a infrarossi molto piccole che soddisfano i nostri criteri, e poi utilizziamo immagini ottiche e lidar per fornire informazioni aggiuntive.

Il lidar, che è simile al radar ma utilizza la luce visibile invece delle onde a radiofrequenza, misura il tempo impiegato dalla luce per viaggiare da e verso un punto per determinare la distanza tra gli oggetti. Ispirandosi al programma di lander su Marte della NASA, i ricercatori hanno utilizzato un sensore lidar e sfruttato il movimento del drone per acquisire immagini ad altissima risoluzione. Un drone che ispeziona una pala eolica si muove mentre acquisisce immagini, e questo movimento permette di acquisire immagini ad altissima risoluzione.

Si usa il movimento per riempire i pixel aggiuntivi. Se si dispone di una fotocamera o di un lidar da 100x100 pixel e si scatta una foto, quella risoluzione è tutto ciò che si ottiene. Ma se ci si muove mentre si scatta, di una quantità sub-pixel, è possibile riempire quegli spazi vuoti e creare una mesh più fine. I dati di diversi fotogrammi possono essere uniti per un'immagine a super risoluzione.

Utilizzando il lidar e l'imaging ad altissima risoluzione, i ricercatori possono inoltre tracciare con precisione i punti in cui la pala è danneggiata; inoltre, 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 anche un elemento importante per garantire l'affidabilità delle pale eoliche.

L'ispezione autonoma riguarderà un'area molto vasta e avrà molto senso nel settore eolico, date le dimensioni e la posizione delle pale. Invece di dover camminare o guidare da una pala all'altra per cercare danni, immaginate cosa succederebbe se le ispezioni fossero automatizzate.

Paquette afferma che c'è spazio per diversi metodi di ispezione, dalle semplici ispezioni con telecamere da terra ai droni e ai cingolati che lavorano insieme per determinare lo stato di salute di una pala.

Posso immaginare che ogni impianto eolico abbia un drone o una flotta di droni che decollano ogni giorno, sorvolano le turbine eoliche, effettuano tutte le ispezioni e poi tornano a caricare i dati. A quel punto, l'operatore dell'impianto eolico entrerà e analizzerà i dati, che saranno già stati letti dall'intelligenza artificiale che cerca differenze nelle pale rispetto alle ispezioni precedenti e segnala potenziali problemi. L'operatore posizionerà quindi un robot cingolato sulla pala con danni sospetti per ottenere un'analisi più dettagliata e pianificare le riparazioni. Sarebbe un progresso significativo per il settore.