Роботы, дроны и датчики помогают в проверках сейчас и могут быть полностью автоматизированы в не столь отдаленном будущем.

Дроны и ползающие роботы, оснащенные специальными сканерами, могут помочь ветряным лопастям оставаться в эксплуатации дольше, что может снизить стоимость энергии ветра в то время, когда лопасти становятся больше, дороже и их труднее транспортировать. С этой целью исследователи из Совместной лаборатории по надежности лопастей Министерства энергетики и Национальной лаборатории Сандии работают над способами неинвазивной проверки ветровых лопастей на предмет скрытых повреждений, при этом более быстрой и детальной, чем традиционные проверки людьми с помощью камер.

Ветровые лопасти — это крупнейшие цельные композитные конструкции, построенные в мире, они даже больше любого самолета, и их часто устанавливают на машины в отдаленных местах. Лезвие подвергается воздействию молнии, града, дождя, влажности и других сил, при этом в течение своего срока службы оно подвергается миллиарду циклов нагрузки, но вы не можете просто положить его на вешалку для обслуживания.

Однако регулярный осмотр и ремонт имеют решающее значение для поддержания лопаток турбины в рабочем состоянии, говорит Пакетт. Однако современные методы проверки не всегда выявляют повреждения достаточно быстро. Сандия использует опыт исследований в области авионики и робототехники, чтобы изменить эту ситуацию. По его словам, если обнаружить повреждение до того, как оно станет заметным, более мелкие и дешевые ремонтные работы помогут исправить лезвие и продлить его срок службы.

В одном проекте Сандия оснастила ползущего робота сканером, который ищет повреждения внутри лопастей ветра. Во второй серии проектов Сандия объединила дроны с датчиками, которые используют тепло солнечного света для обнаружения повреждений.

Традиционно в ветроэнергетике существует два основных подхода к проверке лопастей ветрогенераторов, говорит Пакетт. Первый вариант — послать кого-нибудь с фотоаппаратом и телеобъективом. Инспектор переходит от лезвия к лезвию, делая фотографии и выявляя видимые повреждения, такие как трещины и эрозия. Второй вариант аналогичен, но вместо того, чтобы стоять на земле, инспектор спускается по башне с лопастями или перемещает платформу на кране вверх и вниз по лопасти.

При визуальном осмотре вы увидите только поверхностные повреждения. Однако зачастую к тому времени, когда вы видите трещину на внешней стороне лезвия, повреждение уже довольно серьезное. Вам предстоит дорогостоящий ремонт или, возможно, вам даже придется заменить лезвие.

Эти проверки пользуются популярностью, потому что они доступны по цене, но они не могут выявить ущерб до того, как он перерастет в более серьезную проблему, говорит Пакетт. Ползучие роботы и дроны Sandia призваны сделать неинвазивный внутренний осмотр ветровых лопастей жизнеспособным вариантом для отрасли.

Сандия и партнеры International Climbing Machines и Dophitech создали ползающего робота, вдохновленного машинами, которые проверяют плотины. Робот может двигаться из стороны в сторону, вверх и вниз по лопасти ветра, как если бы кто-то рисовал рекламный щит. Бортовые камеры делают высококачественные изображения для обнаружения повреждений на поверхности, а также небольших разграничений, которые могут сигнализировать о более крупных повреждениях под поверхностью. Во время движения робот также использует палочку для сканирования лезвия на наличие повреждений с помощью ультразвуковой визуализации с фазированной решеткой.

Сканер работает так же, как ультразвуковые аппараты, используемые врачами для осмотра тел изнутри, за исключением того, что в этом случае он обнаруживает внутренние повреждения лезвий. Изменения этих ультразвуковых сигнатур автоматически анализируются для выявления повреждений.

Старший научный сотрудник Sandia и руководитель проекта роботизированного гусеничного робота Деннис Роуч говорит, что ультразвуковой контроль с фазированной решеткой может обнаружить повреждение в любом слое внутри толстых композитных лопастей.

Удар или перенапряжение из-за турбулентности создают невидимые повреждения подповерхностных слоев. Идея состоит в том, чтобы обнаружить повреждение до того, как оно достигнет критического размера, и его можно будет устранить с помощью менее дорогостоящего ремонта, который также сократит время простоя полотна. Мы хотим избежать каких-либо сбоев или необходимости снимать лезвие.

Роуч рассматривает роботизированные гусеничные роботы как часть комплексного метода проверки и ремонта ветровых лопастей.

Представьте себе ремонтную бригаду на платформе, поднимающуюся по лопасти ветра, а впереди ползет робот. Когда робот что-то находит, инспекторы могут попросить робота отметить это место, чтобы место повреждения недр было очевидным. Ремонтная бригада зачистит повреждения и отремонтирует композитный материал. Комплексная проверка и ремонт позволяют лезвию быстро вернуться в эксплуатацию.

Сандия также сотрудничала с несколькими малыми предприятиями в серии проектов по оснащению дронов инфракрасными камерами, которые используют тепло солнечного света для обнаружения скрытых повреждений лопастей ветра. Этот метод, называемый термографией, обнаруживает повреждения внутри лезвия глубиной до полудюйма.

Мы разработали метод, при котором лезвие нагревается на солнце, а затем катится или наклоняется, пока оно не окажется в тени. Солнечный свет рассеивается в лезвии и выравнивается. По мере того, как это тепло рассеивается, вы ожидаете, что поверхность лезвия остынет. Но дефекты имеют тенденцию нарушать тепловой поток, в результате чего поверхность над дефектами и дефекты становятся горячими. Инфракрасная камера обнаруживает эти горячие точки и помечает их как обнаруженные повреждения.

В настоящее время наземные термографические устройства используются и в других отраслях, например, в техническом обслуживании самолетов. Поскольку для этого приложения камеры устанавливаются на дроны, приходится идти на уступки, говорит Эли.

Вам не нужно что-то дорогое для дрона, который может разбиться, и вам не нужен мощный двигатель. Итак, мы используем очень маленькие ИК-камеры, которые соответствуют нашим критериям, а затем используем оптические изображения и лидар для предоставления дополнительной информации.

Лидар, который похож на радар, но использует видимый свет вместо радиочастотных волн, измеряет, сколько времени требуется свету, чтобы пройти до точки и от нее, чтобы определить расстояние между объектами. Черпая вдохновение из программы НАСА по высадке на Марс, исследователи использовали лидарный датчик и движение дронов для сбора изображений сверхвысокого разрешения. Дрон, осматривающий лопасти ветра, движется во время съемки, и это движение позволяет получать изображения сверхвысокого разрешения.

Вы используете движение для заполнения дополнительных пикселей. Если у вас есть камера или лидар размером 100 на 100 пикселей и вы делаете один снимок, это разрешение — все, что у вас будет. Но если вы будете двигаться во время съемки на субпиксель, вы сможете заполнить эти пробелы и создать более мелкую сетку. Данные из нескольких кадров можно объединить для получения изображения сверхвысокого разрешения.

Использование лидара и изображений сверхвысокого разрешения также позволяет исследователям точно отслеживать, где лезвие повреждено, а лидар также может измерять эрозию на краях лезвия.

Автономные проверки мостов и линий электропередачи уже стали реальностью, и Пакетт полагает, что они также станут важной частью обеспечения надежности ветровых лопастей.

Автономная проверка будет охватывать огромную область, и это действительно имеет смысл в ветроэнергетике, учитывая размер и расположение лопастей. Вместо того, чтобы человеку нужно было ходить или ездить от лопасти к лопасти в поисках повреждений, представьте, что проверки были автоматизированы.

Пакетт говорит, что есть возможность использовать различные методы проверки: от простых проверок с помощью наземных камер до совместной работы дронов и сканеров для определения состояния отвала.

Я могу представить себе, что на каждой ветряной электростанции есть дрон или целый парк дронов, которые взлетают каждый день, облетают ветряные турбины, проводят все их проверки, а затем возвращаются и загружают свои данные. Затем придет оператор ветряной электростанции и просмотрит данные, которые уже будут прочитаны искусственным интеллектом, который ищет отличия в лопастях от предыдущих проверок и отмечает потенциальные проблемы. Затем оператор задействует роботизированный гусеничный ход на отвале с подозрением на повреждение, чтобы получить более детальный осмотр и спланировать ремонт. Это было бы значительным достижением для отрасли.