Drones en kruipende robots uitgerust met speciale scantechnologie kunnen ervoor zorgen dat windbladen langer in dienst blijven, die kunnen helpen de kosten van windenergie te verlagen in een tijd waarin de wieken groter worden, duurder en moeilijker te vervoeren, Dat zeggen onderzoekers van Sandia National Laboratories.

Als onderdeel van het Blade Reliability Collaborative werk van het Department of Energy, gefinancierd door het Wind Energy Technologies Office, Sandia-onderzoekers werkten samen met energiebedrijven om machines te ontwikkelen die windbladen niet-invasief inspecteren op verborgen schade, terwijl ze sneller en gedetailleerder zijn dan traditionele inspecties met camera's.

"Windbladen zijn de grootste composietconstructies uit één stuk die ter wereld zijn gebouwd - zelfs groter dan welk vliegtuig dan ook, en ze worden vaak op machines op afgelegen locaties geplaatst, " zegt Joshua Paquette, een werktuigbouwkundig ingenieur in Sandia's windenergieprogramma. "Een mes is onderhevig aan bliksem, wees gegroet, regenen, vochtigheid en andere krachten tijdens het doorlopen van een miljard laadcycli tijdens zijn levensduur, maar je kunt het niet zomaar in een hanger laten landen voor onderhoud."

Routine inspectie en reparatie, Hoewel, is van cruciaal belang om deze megablades in dienst te houden, zegt Paquette. Echter, de huidige inspectiemethoden vangen schade niet altijd snel genoeg op.

Sandia maakt gebruik van expertise uit avionica- en robotica-onderzoek om dat te veranderen. Door schade op te vangen voordat deze zichtbaar wordt, kleinere en goedkopere reparaties kunnen het mes repareren en de levensduur verlengen, hij zegt.

• Bij een project is Sandia heeft een kruipende robot uitgerust met een scanner die naar schade in windbladen zoekt.
• In een tweede reeks projecten Sandia koppelde drones aan sensoren die de warmte van zonlicht gebruiken om schade te detecteren.

Inspecteren, windbladen in het veld repareren is een grote uitdaging

traditioneel, de windindustrie heeft twee hoofdbenaderingen gehad voor het inspecteren van windbladen, zegt Paquette. De eerste optie is om iemand met een camera en telelens op pad te sturen. De inspecteur beweegt van mes naar mes, maakt foto's en zoekt naar zichtbare schade, zoals scheuren en erosie. De tweede optie is vergelijkbaar, maar in plaats van op de grond te staan, dribbelt de inspecteur langs een windbladtoren of manoeuvreert hij een platform op een kraan op en neer over het blad.

"Bij deze visuele inspecties, je ziet alleen oppervlakteschade, "zegt Paquette. "Vaak echter, tegen de tijd dat je een barst aan de buitenkant van een mes ziet, de schade is al behoorlijk groot. Je staat voor een zeer dure reparatie of misschien moet je zelfs het mes vervangen."

Deze inspecties zijn populair omdat ze betaalbaar zijn, maar ze missen de kans om schade op te vangen voordat het uitgroeit tot een groter probleem, zegt Paquette. Sandia's kruipende robots en drones zijn bedoeld om niet-invasieve interne inspectie van windbladen een haalbare optie voor de industrie te maken.

Kruipende robot vindt verborgen schade

Sandia en partners International Climbing Machines en Dophitech bouwden een kruipende robot geïnspireerd op de machines die dammen inspecteren. De robot kan van links naar rechts op en neer bewegen op een windblad, als iemand die een gras maait. De ingebouwde camera's bieden realtime, high-fidelity beelden om oppervlakteschade te detecteren, evenals kleine afbakeningen die kunnen duiden op grotere, ondergrondse schade. Tijdens het bewegen, de robot gebruikt ook een staf om het blad te scannen op schade met behulp van phased array ultrasone beeldvorming.

De scanner werkt net als de ultrasone machines die artsen gebruiken om in lichamen te kijken, behalve in dit geval detecteert het interne schade aan bladen door een reeks signalen terug te sturen. Veranderingen in deze ultrasone handtekeningen kunnen automatisch worden geanalyseerd om schade aan te geven.

Dennis Roach, senior wetenschapper en robotcrawlerprojectleider van Sandia, zegt dat een phased array ultrasone inspectie schade kan detecteren aan elke laag in de dikke, composiet bladen.

"Impact of overbelasting door turbulentie kan ondergrondse schade veroorzaken die niet visueel duidelijk is, " Zegt Roach. "Het idee is om te proberen schade te vinden voordat deze tot kritieke omvang groeit en minder dure reparaties mogelijk te maken die de uitvaltijd van het blad verminderen. We willen ook eventuele storingen of de noodzaak om een ​​mes te verwijderen voorkomen."

Roach ziet de robotrupsen als onderdeel van een alles-in-één inspectie- en reparatieoplossing voor windbladen.

"Stel je een reparatieteam voor op een platform dat op een windblad omhoog gaat terwijl de robot vooruit kruipt, " Zegt Roach. "Als de robot iets vindt, inspecteurs op afstand kunnen de robot de plek laten markeren, zodat de locatie van de ondergrondse schade duidelijk is. Het reparatieteam slijpt de schade weg en herstelt het composietmateriaal. Door deze one-stop-shopping van inspectie en reparatie kan het mes snel weer in gebruik worden genomen."

Drones gebruiken warmte van zonlicht om schade aan het blad aan het licht te brengen

Sandia werkte met verschillende kleine bedrijven in een reeks projecten om drones uit te rusten met infraroodcamera's die de warmte van zonlicht gebruiken om verborgen schade aan windbladen te detecteren. Deze methode, genaamd thermografie, kan schade tot een halve inch diep in het mes detecteren.

"We hebben een methode ontwikkeld om het blad in de zon te verwarmen, en zet hem dan in de schaduw, "Sandia werktuigbouwkundig ingenieur Ray Ely zegt. "Het zonlicht diffundeert naar beneden in het blad en egaliseert. Terwijl die warmte zich verspreidt, je verwacht dat het oppervlak van het mes afkoelt. Maar gebreken hebben de neiging om de warmtestroom te verstoren, waardoor het oppervlak erboven heet blijft. De infraroodcamera leest dan die hotspots om schade op te sporen."

Grondgebonden thermografiesystemen worden momenteel gebruikt voor andere industrieën, zoals vliegtuigonderhoud. Omdat de camera's voor deze toepassing op drones zijn gemonteerd, concessies moeten worden gedaan, zegt Ely.

"Je wilt niet iets duurs op een drone die kan crashen, en je wilt geen power hog, "Zei Ely. "Dus, we gebruiken hele kleine infraroodcamera's die aan onze criteria voldoen en gebruiken optische beelden en lidar om aanvullende informatie te verstrekken."

Lidar, dat is als radar, maar met licht in plaats van radiofrequentiegolven, meet hoe lang het licht nodig heeft om terug te reizen naar een punt om de afstand tussen objecten te bepalen. Geïnspireerd door NASA's Mars-landerprogramma, de onderzoekers gebruikten een lidar-sensor en maakten gebruik van drone-bewegingen om superresolutiebeelden te verzamelen.

"Ik beschrijf voor de grap superresolutie als een detective in een tv-misdaaddrama wanneer ze een techneut vertellen om te verbeteren, verbeteren' een afbeelding op een computer."

Een drone die een windblad inspecteert, beweegt terwijl het beelden maakt, en die beweging maakt het mogelijk om een ​​superresolutiebeeld te verzamelen.

"Je gebruikt de beweging om extra pixels in te vullen, " zegt Ely. "Als je een camera of lidar van 100 bij 100 pixels hebt en één foto maakt, die resolutie is alles wat je zult hebben. Maar als je beweegt terwijl je foto's maakt, met een aantal subpixels, je kunt die gaten opvullen en een fijner gaas maken. De gegevens van verschillende frames kunnen worden samengevoegd voor een afbeelding met een superresolutie."

Het gebruik van lidar en beeldvorming met superresolutie maakt het ook mogelijk om precies te volgen waar de schade aan een mes is, en lidar kan ook worden gebruikt om erosie op bladranden te meten.

Autonome inspecties zijn de toekomst

Autonome inspecties van bruggen en hoogspanningslijnen zijn nu al realiteit, en Paquette gelooft dat ze ook belangrijke onderdelen zullen worden om de betrouwbaarheid van de windbladen te garanderen.

"Autonome inspectie wordt een enorm gebied, en het is echt logisch in de windindustrie, gezien de grootte en locatie van de messen." zegt Paquette. "In plaats van dat een persoon van mes naar mes moet lopen of rijden om schade te zoeken, stel je voor dat het inspectieproces geautomatiseerd was."

Paquette zegt dat er ruimte is voor verschillende oplossingen en inspectiemethoden, van een eenvoudige camera-inspectie vanaf de grond, voor drones en crawlers, allemaal samenwerken om de gezondheid van een mes te bepalen.

"Ik kan me voorstellen dat elke windcentrale een drone heeft of een vloot van drones die elke dag opstijgen, vliegen rond de windturbines, doen al hun inspecties, en dan terugkomen en hun gegevens uploaden, "zegt Paquette. "Dan komt de exploitant van de windinstallatie binnen en bekijkt de gegevens, die al is gelezen door kunstmatige intelligentie die zoekt naar verschillen in de blades van eerdere inspecties en mogelijke problemen opmerkt. De operator zal vervolgens een robotrups op het blad plaatsen met vermoedelijke schade om een ​​meer gedetailleerd beeld te krijgen en reparaties te plannen. Het zou een belangrijke stap voorwaarts zijn voor de sector."