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

Droni e robot striscianti dotati di scanner speciali potrebbero aiutare le pale eoliche a rimanere in servizio più a lungo, il che potrebbe ridurre il costo dell’energia eolica in un momento in cui le pale stanno diventando più grandi, più costose e più difficili da trasportare. A tal fine, i ricercatori del Blade Reliability Collaborative del DoE e del Sandia National Laboratory hanno lavorato su modi per ispezionare in modo non invasivo le pale eoliche alla ricerca di danni nascosti, pur essendo più veloce e più dettagliato delle tradizionali ispezioni umane con telecamere.

Le pale eoliche sono le strutture composite monopezzo più grandi costruite al mondo, addirittura più grandi di qualsiasi aereo, e spesso vengono montate su macchine in località remote. Una lama è soggetta a fulmini, grandine, pioggia, umidità e altre forze mentre attraversa un miliardo di cicli di carico durante la sua vita, ma non puoi semplicemente lasciarla in un hangar per la manutenzione.

Le ispezioni e le riparazioni di routine, tuttavia, sono fondamentali per mantenere in servizio le pale delle turbine, afferma Paquette. Tuttavia, gli attuali metodi di ispezione non sempre rilevano i danni abbastanza presto. Sandia sta attingendo alle competenze della ricerca sull’avionica e sulla robotica per cambiare la situazione. Riparando i danni prima che diventino visibili, riparazioni più piccole ed economiche possono riparare la lama e prolungarne la durata, afferma.

In un progetto, Sandia ha dotato un robot strisciante di uno scanner che cerca danni all’interno delle pale eoliche. In una seconda serie di progetti, Sandia ha abbinato i 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 è mandare qualcuno con una macchina fotografica e un teleobiettivo. L'ispettore si sposta da una lama 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 lungo una torre di pale eoliche o manovra una piattaforma su una gru su e giù per la pala.

In queste ispezioni visive si vedono solo danni superficiali. Spesso, però, quando si vede una crepa sulla parte esterna di una lama, il danno è già piuttosto grave. Stai pensando a una riparazione costosa o potresti addirittura dover sostituire la lama.

Queste ispezioni sono popolari perché sono accessibili, ma non possono individuare i danni prima che diventino un problema più grande, dice Paquette. I robot e i droni striscianti di Sandia hanno lo scopo di rendere l’ispezione interna non invasiva delle pale eoliche un’opzione praticabile per l’industria.

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 da un lato all’altro 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 grandi e sotterranei. Durante lo spostamento, il robot utilizza anche una bacchetta per scansionare la lama per individuare eventuali danni utilizzando l'imaging a ultrasuoni Phased Array.

Lo scanner funziona in modo molto simile alle macchine ad ultrasuoni utilizzate dai medici per vedere l'interno dei corpi, tranne che in questo caso rileva danni interni alle lame. I cambiamenti in queste firme ultrasoniche vengono analizzati automaticamente per indicare danni.

Dennis Roach, scienziato senior di Sandia e responsabile del progetto robot crawler, afferma che un'ispezione ultrasonica a fasi può rilevare danni a qualsiasi strato all'interno delle spesse lame composite.

L'impatto o lo stress eccessivo dovuto alla turbolenza crea danni al sottosuolo che non sono visibili. L'idea è quella di individuare il danno prima che raggiunga dimensioni critiche e possa essere riparato con riparazioni meno costose che riducano anche i tempi di fermo della lama. Vogliamo evitare eventuali guasti o la necessità di rimuovere una lama.

Roach prevede che i cingolati robotici facciano parte di un metodo unico di ispezione e riparazione per le pale eoliche.

Immaginate una squadra di riparazione su una piattaforma che sale su una pala eolica con il robot che striscia davanti a sé. Quando il robot trova qualcosa, gli ispettori possono chiedere al robot di contrassegnare il punto in modo che la posizione del danno nel sottosuolo sia evidente. La squadra di riparazione rimuove il danno e ripara il materiale composito. Questo sportello unico per l'ispezione e la riparazione consente alla lama 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 mezzo pollice di profondità all'interno della lama.

Abbiamo sviluppato un metodo che riscalda la lama al sole, quindi la fa rotolare o inclinare finché non si trova all'ombra. La luce solare si diffonde nella lama e si uniforma. Man mano che il calore si diffonde, ti aspetti che la superficie della lama si raffreddi. Ma i difetti tendono a interrompere il flusso di calore, lasciando calda la superficie soprastante e i difetti. La telecamera a infrarossi rileva i punti caldi e li etichetta come danni rilevati.

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

Non vuoi qualcosa di costoso su un drone che potrebbe schiantarsi e non vuoi un divoratore di energia. Pertanto, utilizziamo telecamere IR davvero piccole che soddisfano i nostri criteri e quindi utilizziamo immagini ottiche e lidar per fornire ulteriori informazioni.

Il Lidar, che è come il radar ma utilizza la luce visibile invece delle onde a radiofrequenza, misura quanto tempo impiega la luce per viaggiare da e verso un punto per determinare la distanza tra gli oggetti. Prendendo ispirazione dal programma lander su Marte della NASA, i ricercatori hanno utilizzato un sensore lidar e hanno sfruttato il movimento dei droni per raccogliere immagini ad alta risoluzione. Un drone che ispeziona una pala eolica si muove mentre acquisisce immagini e quel movimento rende possibile raccogliere immagini ad altissima risoluzione.

Usi il movimento per riempire pixel aggiuntivi. Se hai una fotocamera o un lidar da 100 x 100 pixel e scatti una foto, quella risoluzione è tutto ciò che avrai. Ma se ti muovi mentre scatti foto, di una quantità inferiore al pixel, puoi riempire quelle lacune e creare una mesh più fine. I dati di diversi fotogrammi possono essere riuniti per un'immagine ad altissima risoluzione.

L’uso del lidar e dell’imaging a super risoluzione consente inoltre ai ricercatori di tracciare con precisione dove la lama è danneggiata e il lidar può anche misurare l’erosione sui bordi della lama.

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

L'ispezione autonoma costituirà un'area molto vasta e ha davvero 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 se le ispezioni erano automatizzati.

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

Posso immaginare che ogni impianto eolico abbia un drone o una flotta di droni che decollano ogni giorno, volano intorno alle turbine eoliche, eseguono tutte le ispezioni e poi tornano e caricano i propri dati. Quindi entrerà l’operatore dell’impianto eolico e esaminerà i dati, che saranno già stati letti dall’intelligenza artificiale che cerca differenze nelle pale rispetto alle ispezioni precedenti e rileva potenziali problemi. L'operatore schiererà quindi un cingolato robotico sulla lama con il sospetto danno per ottenere un aspetto più dettagliato e pianificare le riparazioni. Sarebbe un progresso significativo per il settore.