Drönare och krypande robotar utrustade med speciell skanningsteknik kan hjälpa vindbladen att vara i drift längre, vilket kan hjälpa till att sänka kostnaderna för vindenergi i en tid då bladen blir större, dyrare och svårare att transportera, Sandia National Laboratories forskare säger.

Som en del av Department of Energy's Blade Reliability Collaborative-arbete, finansierat av Wind Energy Technologies Office, Sandia-forskare samarbetade med energiföretag för att utveckla maskiner som icke-invasivt inspekterar vindblad för dolda skador samtidigt som de är snabbare och mer detaljerade än traditionella inspektioner med kameror.

"Vindblad är de största kompositstrukturerna i ett stycke som byggts i världen - till och med större än något flygplan, och de sätts ofta på maskiner på avlägsna platser, " säger Joshua Paquette, en maskiningenjör i Sandias vindenergiprogram. "Ett blad utsätts för blixtnedslag, hagel, regn, fukt och andra krafter när den går igenom en miljard belastningscykler under sin livstid, men du kan inte bara landa den i en galge för underhåll."

Rutinmässig inspektion och reparation, fastän, är avgörande för att hålla dessa megablad i drift, säger Paquette. Dock, nuvarande inspektionsmetoder fångar inte alltid skador tillräckligt snabbt.

Sandia använder expertis från flygelektronik- och robotforskning för att ändra på det. Genom att fånga skador innan de blir synliga, mindre och billigare reparationer kan fixa bladet och förlänga dess livslängd, han säger.

• I ett projekt, Sandia utrustade en krypande robot med en skanner som letar efter skador inuti vindblad.
• I en andra serie projekt, Sandia parade drönare med sensorer som använder värmen från solljus för att upptäcka skador.

Inspekterar, att reparera vindblad i fält är en stor utmaning

Traditionellt, vindindustrin har haft två huvudsakliga metoder för att inspektera vindblad, säger Paquette. Det första alternativet är att skicka ut någon med kamera och teleobjektiv. Inspektören rör sig från blad till blad och tar bilder och letar efter synliga skador, som sprickor och erosion. Det andra alternativet är liknande men istället för att stå på marken rapper inspektören ner ett vindbladstorn eller manövrerar en plattform på en kran upp och ner för bladet.

"I dessa visuella inspektioner, du ser bara ytskador, " säger Paquette. "Men ofta, när du kan se en spricka på utsidan av ett blad, skadan är redan ganska allvarlig. Du tittar på en mycket dyr reparation eller så kanske du måste byta ut bladet."

Dessa inspektioner har varit populära eftersom de är överkomliga, men de går miste om möjligheten att fånga skador innan det växer till ett större problem, säger Paquette. Sandias krypande robotar och drönare syftar till att göra icke-invasiv intern inspektion av vindblad till ett hållbart alternativ för industrin.

Krypande robot hittar dolda skador

Sandia och partners International Climbing Machines och Dophitech byggde en kryprobot inspirerad av maskinerna som inspekterar dammar. Roboten kan röra sig från sida till sida upp och ner genom ett vindblad, som någon som klipper en gräsmatta. Inbyggda kameror ger realtid, högfientliga bilder för att upptäcka ytskador, samt små avgränsningar som kan signalera större, skador under ytan. När du rör dig, roboten använder också en trollstav för att skanna bladet efter skador med hjälp av ultraljudsavbildning i fasad array.

Skannern fungerar ungefär som de ultraljudsmaskiner som läkare använder för att se inuti kroppar, förutom i detta fall upptäcker den inre skador på bladen genom att skicka tillbaka en serie signaler. Förändringar i dessa ultraljudssignaturer kan automatiskt analyseras för att indikera skada.

Sandia Senior Scientist och robotsökrobotprojektledare Dennis Roach säger att en ultraljudsinspektion i fasad array kan upptäcka skador på vilket lager som helst i det tjocka, kompositblad.

"Påverkan eller överbelastning från turbulens kan skapa skador under ytan som inte är visuellt uppenbara, ", säger Roach. "Tanken är att försöka hitta skador innan den växer till kritisk storlek och möjliggöra billigare reparationer som minskar bladets stilleståndstid. Vi vill också undvika eventuella fel eller behovet av att ta bort ett blad."

Roach föreställer sig robotsökrobotarna som en del av en inspektions- och reparationslösning för vindblad.

"Föreställ dig ett reparationsteam på en plattform som går uppför ett vindblad med roboten som kryper framåt, " säger Roach. "När roboten hittar något, fjärrplacerade inspektörer kan låta roboten markera platsen så att platsen för skador under ytan är uppenbar. Reparationsteamet kommer att slipa bort skadan och reparera kompositmaterialet. Denna one-stop shopping av inspektion och reparation gör att bladet kan tas i drift igen snabbt."

Drönare använder värme från solljus för att avslöja bladskador

Sandia arbetade med flera småföretag i en serie projekt för att utrusta drönare med infraröda kameror som använder värmen från solljus för att upptäcka dolda vindbladsskador. Den här metoden, kallas termografi, kan upptäcka skador upp till en halv tum djupt inuti bladet.

"Vi utvecklade en metod för att värma bladet i solen, och ställ den sedan i skuggan, " Sandias maskiningenjör Ray Ely säger. "Solljuset diffunderar ner i bladet och utjämnar. När värmen diffunderar, du förväntar dig att bladets yta svalnar. Men brister tenderar att störa värmeflödet, lämnar ytan ovanför varm. Den infraröda kameran kommer sedan att läsa av dessa hot spots för att upptäcka skador."

Markbaserade termografisystem används för närvarande för andra industrier, såsom flygplansunderhåll. Eftersom kamerorna är monterade på drönare för denna applikation, eftergifter måste göras, säger Ely.

"Du vill inte ha något dyrt på en drönare som kan krascha, och du vill inte ha en kraftsvin, " sa Ely. "Så, vi använder riktigt små infraröda kameror som passar våra kriterier och använder optiska bilder och lidar för att ge ytterligare information."

Lidar, som är som radar men med ljus istället för radiofrekvensvågor, mäter hur lång tid det tar för ljus att resa tillbaka till en punkt för att bestämma avståndet mellan objekt. Med inspiration från NASA:s Mars lander-program, forskarna använde en lidarsensor och drog fördel av drönarrörelser för att samla in superupplösta bilder.

"Jag beskriver skämtsamt superupplösning som som en detektiv i ett tv-kriminaldrama när de säger åt en tekniker att "förbättra, förbättra en bild på en dator."

En drönare som inspekterar ett vindblad rör sig medan det tar bilder, och den rörelsen gör det möjligt att samla en superupplöst bild.

"Du använder rörelsen för att fylla i ytterligare pixlar, " säger Ely. "Om du har en kamera med 100 gånger 100 pixlar eller lidar och tar en bild, den upplösningen är allt du har. Men om du rör dig medan du tar bilder, med ett antal underpixlar, du kan fylla i dessa luckor och skapa ett finare nät. Data från flera bildrutor kan sättas ihop för en superupplöst bild."

Genom att använda lidar och superupplösningsbilder gör det också möjligt att exakt spåra var skadan på ett blad är, och lidar kan också användas för att mäta erosion på bladkanter.

Autonoma inspektioner är framtiden

Autonoma inspektioner av broar och kraftledningar är redan verklighet, och Paquette tror att de också kommer att bli viktiga delar för att säkerställa vindbladens tillförlitlighet.

"Autonom inspektion kommer att bli ett stort område, och det är verkligen vettigt i vindindustrin, med tanke på storleken och placeringen av bladen." säger Paquette. "Istället för att en person behöver gå eller köra från blad till blad för att leta efter skada, tänk om inspektionsprocessen var automatiserad."

Paquette säger att det finns utrymme för en mängd olika lösningar och inspektionsmetoder, från en enkel markbaserad kamerainspektion, till drönare och crawlers, alla arbetar tillsammans för att bestämma ett blads hälsa.

"Jag kan föreställa mig att varje vindanläggning har en drönare eller en flotta av drönare som lyfter varje dag, flyga runt vindkraftverken, göra alla sina inspektioner, och sedan komma tillbaka och ladda upp sina data, " säger Paquette. "Då kommer vindkraftsoperatören in och tittar igenom data, som redan kommer att ha lästs av artificiell intelligens som letar efter skillnader i bladen från tidigare inspektioner och noterar potentiella problem. Operatören kommer sedan att placera ut en robotsökrobot på bladet med misstänkt skada för att få ett mer detaljerat utseende och planera reparationer. Det skulle vara ett betydande framsteg för branschen."