Robôs, drones e sensores ajudam nas inspeções agora e poderão ser totalmente automatizados em um futuro não muito distante.

Drones e robôs rastejantes equipados com scanners especiais poderiam ajudar as pás eólicas a permanecerem em serviço por mais tempo, o que poderia reduzir o custo da energia eólica num momento em que as pás estão ficando maiores, mais caras e mais difíceis de transportar. Para esse fim, pesquisadores do Blade Reliability Collaborative do DoE e do Sandia National Laboratory têm trabalhado em maneiras de inspecionar de forma não invasiva as pás eólicas em busca de danos ocultos, ao mesmo tempo que são mais rápidas e detalhadas do que as inspeções humanas tradicionais com câmeras.

As pás eólicas são as maiores estruturas compostas de peça única construídas no mundo, ainda maiores do que qualquer avião, e muitas vezes são colocadas em máquinas em locais remotos. Uma lâmina está sujeita a raios, granizo, chuva, umidade e outras forças enquanto passa por um bilhão de ciclos de carga durante sua vida útil, mas você não pode simplesmente pousá-la em um suporte para manutenção.

A inspeção e o reparo de rotina, porém, são essenciais para manter as pás da turbina em serviço, diz Paquette. No entanto, os métodos de inspeção atuais nem sempre detectam os danos com a rapidez necessária. Sandia está aproveitando a experiência da pesquisa em aviônica e robótica para mudar isso. Ao detectar os danos antes que se tornem visíveis, reparos menores e mais baratos podem consertar a lâmina e prolongar sua vida útil, diz ele.

Em um projeto, Sandia equipou um robô rastejante com um scanner que procura danos dentro das pás do vento. Numa segunda série de projetos, Sandia combinou drones com sensores que utilizam o calor da luz solar para detectar danos.

Tradicionalmente, a indústria eólica tem duas abordagens principais para inspecionar as pás eólicas, diz Paquette. A primeira opção é mandar alguém com câmera e teleobjetiva. O inspetor passa de lâmina em lâmina tirando fotos e procurando danos visíveis, como rachaduras e erosão. A segunda opção é semelhante, mas em vez de ficar no chão, o inspetor desce de rapel uma torre de pás eólicas ou manobra uma plataforma em um guindaste para cima e para baixo na pá.

Nessas inspeções visuais, você vê apenas danos superficiais. Porém, muitas vezes, quando você consegue ver uma rachadura na parte externa de uma lâmina, o dano já é bastante grave. Você está enfrentando um reparo caro ou pode até precisar substituir a lâmina.

Essas inspeções têm sido populares porque são acessíveis, mas não conseguem detectar danos antes que se tornem um problema maior, diz Paquette. Os robôs rastejantes e drones da Sandia têm como objetivo tornar a inspeção interna não invasiva das pás eólicas uma opção viável para a indústria.

Sandia e os parceiros International Climbing Machines e Dophitech construíram um robô rastejante inspirado nas máquinas que inspecionam barragens. O robô pode se mover de um lado para o outro e para cima e para baixo em uma pá de vento, como alguém pintando um outdoor. As câmeras integradas capturam imagens de alta fidelidade para detectar danos à superfície, bem como pequenas demarcações que podem sinalizar danos maiores no subsolo. Enquanto se move, o robô também usa uma varinha para escanear a lâmina em busca de danos usando imagens ultrassônicas de phased array.

O scanner funciona de forma semelhante às máquinas de ultrassom usadas pelos médicos para ver o interior dos corpos, exceto que, neste caso, detecta danos internos nas lâminas. As alterações nessas assinaturas ultrassônicas são analisadas automaticamente para indicar danos.

O cientista sênior da Sandia e líder do projeto de rastreador robótico, Dennis Roach, diz que uma inspeção ultrassônica em fases pode detectar danos em qualquer camada dentro das lâminas compostas espessas.

O impacto ou o estresse excessivo da turbulência criam danos no subsolo que não são visíveis. A ideia é encontrar danos antes que atinjam um tamanho crítico e possam ser corrigidos com reparos menos dispendiosos que também diminuem o tempo de inatividade da lâmina. Queremos evitar falhas ou a necessidade de retirar uma lâmina.

Roach imagina os rastreadores robóticos como parte de um método completo de inspeção e reparo para pás eólicas.

Imagine uma equipe de reparos em uma plataforma subindo por uma pá de vento com o robô rastejando à frente. Quando o robô encontra algo, os inspetores podem fazer com que o robô marque o local para que a localização do dano subterrâneo fique evidente. A equipe de reparo remove os danos e repara o material compósito. Este balcão único de inspeção e reparo permite que a lâmina volte ao serviço rapidamente.

Sandia também trabalhou com várias pequenas empresas em uma série de projetos para equipar drones com câmeras infravermelhas que usam o calor da luz solar para detectar danos ocultos nas pás do vento. Este método, chamado termografia, detecta danos de até meia polegada de profundidade no interior da lâmina.

Desenvolvemos um método que aquece a lâmina ao sol e depois rola ou inclina a lâmina até que fique na sombra. A luz solar se difunde na lâmina e se equaliza. À medida que o calor se difunde, você espera que a superfície da lâmina esfrie. Mas as falhas tendem a interromper o fluxo de calor, deixando a superfície acima e as falhas quentes. A câmera infravermelha detecta esses pontos quentes e os rotula como danos detectados.

Existem dispositivos de termografia terrestres atualmente usados ​​para outras indústrias, como manutenção de aeronaves. Como as câmeras são montadas em drones para esta aplicação, é necessário fazer concessões, diz Ely.

Você não quer algo caro em um drone que possa falhar e não quer um consumidor de energia. Portanto, usamos câmeras infravermelhas realmente pequenas que atendem aos nossos critérios e, em seguida, usamos imagens ópticas e lidar para fornecer informações adicionais.

O Lidar, que é como um radar, mas usa luz visível em vez de ondas de radiofrequência, mede quanto tempo leva para a luz viajar de e para um ponto para determinar a distância entre os objetos. Inspirando-se no programa de pouso em Marte da NASA, os pesquisadores usaram um sensor lidar e aproveitaram o movimento do drone para coletar imagens de super-resolução. Um drone que inspeciona uma pá de vento se move enquanto tira imagens, e esse movimento possibilita a coleta de imagens em super-resolução.

Você usa o movimento para preencher pixels adicionais. Se você tiver uma câmera ou lidar de 100 por 100 pixels e tirar uma foto, essa resolução é tudo que você terá. Mas se você se mover enquanto tira fotos, em uma quantidade de subpixels, poderá preencher essas lacunas e criar uma malha mais fina. Os dados de vários quadros podem ser reunidos para obter uma imagem de super-resolução.

O uso de imagens lidar e de super-resolução também permite que os pesquisadores rastreiem com precisão onde a lâmina está danificada, e o lidar também pode medir a erosão nas bordas da lâmina.

As inspeções autônomas de pontes e linhas de energia já são realidade, e Paquette acredita que elas também se tornarão partes importantes para garantir a confiabilidade das pás eólicas.

A inspeção autônoma será uma área enorme e realmente faz sentido na indústria eólica, dado o tamanho e a localização das pás. Em vez de uma pessoa precisar caminhar ou dirigir de pá em pá para procurar danos, imagine se as inspeções foram automatizados.

Paquette diz que há espaço para uma variedade de métodos de inspeção, desde simples inspeções de câmeras no solo até drones e rastreadores trabalhando juntos para determinar a integridade de uma lâmina.

Posso imaginar cada usina eólica tendo um drone ou uma frota de drones que decolam todos os dias, voam ao redor das turbinas eólicas, fazem todas as inspeções e depois voltam e carregam seus dados. Em seguida, o operador da usina eólica entrará e examinará os dados, que já terão sido lidos pela inteligência artificial que procura diferenças nas pás em inspeções anteriores e observa possíveis problemas. O operador então implantará um rastreador robótico na lâmina com suspeita de dano para obter uma visão mais detalhada e planejar os reparos. Seria um avanço significativo para o setor.