تساعد الروبوتات والطائرات بدون طيار وأجهزة الاستشعار في عمليات التفتيش الآن، ويمكن أن تصبح مؤتمتة بالكامل في المستقبل القريب.

قد تُسهم الطائرات المسيّرة والروبوتات الزاحفة المُجهزة بأجهزة مسح ضوئي خاصة في إطالة عمر شفرات توربينات الرياح، مما قد يُخفض تكلفة طاقة الرياح في وقتٍ تتزايد فيه أحجام الشفرات وأسعارها وصعوبة نقلها. ولتحقيق هذه الغاية، يعمل باحثون في مبادرة موثوقية الشفرات التابعة لوزارة الطاقة الأمريكية ومختبر سانديا الوطني على تطوير طرق لفحص شفرات توربينات الرياح دون إتلافها، للكشف عن الأضرار الخفية، مع كونها أسرع وأكثر دقة من عمليات الفحص التقليدية التي يقوم بها البشر باستخدام الكاميرات.

تُعدّ شفرات توربينات الرياح أكبر الهياكل المركبة أحادية القطعة في العالم، حتى أنها أكبر من أي طائرة، وغالبًا ما تُركّب على آلات في مواقع نائية. تتعرض الشفرة للبرق والبرد والمطر والرطوبة وغيرها من العوامل أثناء تشغيلها لمليار دورة تحميل خلال عمرها الافتراضي، ولكن لا يُمكن ببساطة وضعها في حظيرة طائرات للصيانة.

يؤكد باكيت أن الفحص والإصلاح الدوريين ضروريان لاستمرار تشغيل شفرات التوربينات. إلا أن أساليب الفحص الحالية لا تكشف الأضرار دائمًا في الوقت المناسب. وتستفيد سانديا من خبرات أبحاث إلكترونيات الطيران والروبوتات لتغيير ذلك. ويضيف أنه من خلال اكتشاف الأضرار قبل ظهورها، يمكن إجراء إصلاحات أصغر وأقل تكلفة لإصلاح الشفرة وإطالة عمرها التشغيلي.

في أحد المشاريع، جهّزت سانديا روبوتًا زاحفًا بماسح ضوئي يبحث عن الأضرار داخل شفرات توربينات الرياح. وفي سلسلة مشاريع أخرى، ربطت سانديا طائرات مسيّرة بمستشعرات تستخدم حرارة ضوء الشمس للكشف عن الأضرار.

يقول باكيت إن صناعة طاقة الرياح كانت تتبع تقليديًا نهجين رئيسيين لفحص شفرات التوربينات. يتمثل الخيار الأول في إرسال شخص مزود بكاميرا وعدسة مقربة. ينتقل المفتش من شفرة إلى أخرى، ويلتقط صورًا، ويبحث عن أي تلفيات ظاهرة، مثل الشقوق والتآكل. أما الخيار الثاني فهو مشابه، ولكن بدلًا من الوقوف على الأرض، يقوم المفتش بالنزول بالحبال من برج الشفرة أو تحريك منصة على رافعة صعودًا وهبوطًا على الشفرة.

في هذه الفحوصات البصرية، لا يظهر سوى التلف السطحي. ولكن في كثير من الأحيان، عندما يظهر شرخ على السطح الخارجي للشفرة، يكون التلف قد بلغ مرحلة متقدمة. عندها ستكون أمامك تكلفة إصلاح باهظة، أو قد تضطر حتى إلى استبدال الشفرة.

يقول باكيت إن هذه الفحوصات شائعة لأنها ميسورة التكلفة، لكنها لا تستطيع اكتشاف الأضرار قبل تفاقمها. وتهدف الروبوتات الزاحفة والطائرات المسيّرة التابعة لشركة سانديا إلى جعل الفحص الداخلي غير الجراحي لشفرات توربينات الرياح خيارًا عمليًا لهذه الصناعة.

قامت سانديا وشركاؤها، شركتا International Climbing Machines و Dophitech، بتطوير روبوت زاحف مستوحى من الآلات المستخدمة في فحص السدود. يستطيع هذا الروبوت التحرك من جانب إلى آخر، ومن أعلى إلى أسفل، على شفرة توربينات الرياح، تمامًا كما لو كان شخصًا يرسم لوحة إعلانية. تلتقط الكاميرات المثبتة على متنه صورًا عالية الدقة لرصد الأضرار السطحية، بالإضافة إلى العلامات الصغيرة التي قد تشير إلى أضرار أكبر تحت السطح. أثناء تحركه، يستخدم الروبوت أيضًا عصا لمسح الشفرة بحثًا عن أي تلف باستخدام التصوير بالموجات فوق الصوتية بتقنية المصفوفة المرحلية.

يعمل الماسح الضوئي بشكل مشابه لأجهزة الموجات فوق الصوتية التي يستخدمها الأطباء لرؤية ما بداخل الجسم، إلا أنه في هذه الحالة يكشف عن التلف الداخلي للشفرات. ويتم تحليل التغيرات في هذه الإشارات فوق الصوتية تلقائيًا لتحديد مدى التلف.

يقول دينيس روتش، كبير علماء سانديا وقائد مشروع الزاحف الروبوتي، إن فحص الموجات فوق الصوتية المصفوفة المرحلية يمكنه اكتشاف الضرر في أي طبقة داخل الشفرات المركبة السميكة.

يُحدث الاصطدام أو الإجهاد الزائد الناتج عن الاضطرابات أضرارًا تحت السطح غير مرئية. والهدف هو اكتشاف هذه الأضرار قبل أن تتفاقم إلى حجم حرج، ما يسمح بإصلاحها بتكاليف أقل، وبالتالي تقليل وقت توقف الشفرات. نسعى جاهدين لتجنب أي أعطال أو الحاجة إلى إزالة أي شفرة.

يتصور روتش أن تكون الزواحف الروبوتية جزءًا من طريقة فحص وإصلاح شاملة لشفرات توربينات الرياح.

تخيل فريق صيانة على منصة يصعدون على شفرة توربينات الرياح، بينما يتقدم الروبوت زاحفًا أمامهم. عندما يكتشف الروبوت أي عيب، يمكن للمفتشين توجيهه لتحديد موقع الضرر تحت السطح. يقوم فريق الصيانة بإزالة الضرر وإصلاح المادة المركبة. تتيح هذه العملية المتكاملة للفحص والإصلاح إعادة الشفرة إلى الخدمة بسرعة.

عملت سانديا أيضاً مع العديد من الشركات الصغيرة في سلسلة من المشاريع لتزويد الطائرات المسيّرة بكاميرات تعمل بالأشعة تحت الحمراء، تستخدم حرارة ضوء الشمس للكشف عن الأضرار الخفية في شفرات توربينات الرياح. هذه الطريقة، التي تُسمى التصوير الحراري، تكشف عن الأضرار حتى عمق نصف بوصة داخل الشفرة.

لقد طورنا طريقةً لتسخين النصل تحت أشعة الشمس، ثم دحرجته أو إمالته حتى يصبح في الظل. ينتشر ضوء الشمس داخل النصل ويوزع الحرارة بالتساوي. ومع انتشار هذه الحرارة، نتوقع أن يبرد سطح النصل. لكن العيوب تميل إلى إعاقة تدفق الحرارة، مما يجعل السطح فوق العيوب ساخنًا. تكشف كاميرا الأشعة تحت الحمراء هذه البقع الساخنة وتصنفها على أنها تلف مكتشف.

توجد أجهزة تصوير حراري أرضية تُستخدم حاليًا في صناعات أخرى، مثل صيانة الطائرات. ويقول إيلي إنه نظرًا لأن الكاميرات تُركّب على طائرات بدون طيار في هذا التطبيق، فلا بد من تقديم بعض التنازلات.

لا نرغب في تركيب أجهزة باهظة الثمن على طائرة بدون طيار قد تتعرض للسقوط، كما لا نرغب في أجهزة تستهلك طاقة كبيرة. لذا، نستخدم كاميرات الأشعة تحت الحمراء صغيرة الحجم للغاية تتناسب مع معاييرنا، ثم نستخدم الصور البصرية وتقنية الليدار لتوفير معلومات إضافية.

تقنية الليدار، المشابهة للرادار ولكنها تستخدم الضوء المرئي بدلاً من موجات الترددات الراديوية، تقيس الزمن الذي يستغرقه الضوء للوصول إلى نقطة معينة والعودة منها لتحديد المسافة بين الأجسام. واستلهاماً من برنامج ناسا للهبوط على سطح المريخ، استخدم الباحثون مستشعر ليدار واستغلوا حركة الطائرات المسيّرة لالتقاط صور فائقة الدقة. فعلى سبيل المثال، تتحرك طائرة مسيّرة تفحص شفرة توربين رياح أثناء التقاطها الصور، مما يُمكّن من الحصول على صور فائقة الدقة.

تستخدم الحركة لملء الفراغات ببكسلات إضافية. إذا كانت لديك كاميرا أو جهاز ليدار بدقة 100×100 بكسل والتقطت صورة واحدة، فستكون هذه الدقة هي كل ما ستحصل عليه. ولكن إذا تحركت أثناء التقاط الصور، بمقدار أقل من بكسل واحد، يمكنك ملء تلك الفراغات وإنشاء شبكة أدق. ويمكن تجميع البيانات من عدة إطارات معًا للحصول على صورة فائقة الدقة.

كما يتيح استخدام تقنية الليدار والتصوير فائق الدقة للباحثين تتبع مكان تلف الشفرة بدقة، ويمكن لتقنية الليدار أيضًا قياس التآكل على حواف الشفرة.

أصبحت عمليات الفحص الذاتي للجسور وخطوط الكهرباء واقعاً قائماً بالفعل، ويعتقد باكيت أنها ستصبح أيضاً جزءاً مهماً من ضمان موثوقية شفرات توربينات الرياح.

سيشكل الفحص الذاتي مجالاً واسعاً، وهو أمر منطقي للغاية في صناعة طاقة الرياح، نظراً لحجم وموقع الشفرات. تخيل لو أن عمليات الفحص مؤتمتة بدلاً من أن يضطر شخص ما إلى المشي أو القيادة من شفرة إلى أخرى للبحث عن أي تلف.

يقول باكيت إن هناك مجالاً لمجموعة متنوعة من أساليب الفحص، بدءًا من عمليات الفحص البسيطة بالكاميرات الأرضية وصولاً إلى الطائرات بدون طيار والزواحف التي تعمل معًا لتحديد حالة الشفرة.

أتصور أن كل محطة طاقة رياح ستمتلك طائرة مسيرة أو أسطولاً من الطائرات المسيرة التي تقلع يومياً، وتحلق حول توربينات الرياح، وتجري جميع عمليات الفحص اللازمة، ثم تعود لتحميل بياناتها. بعد ذلك، يأتي مشغل المحطة ويراجع البيانات، التي ستكون قد حُلت مسبقاً بواسطة الذكاء الاصطناعي الذي يبحث عن اختلافات في الشفرات عن عمليات الفحص السابقة ويسجل المشكلات المحتملة. ثم يقوم المشغل بنشر روبوت زاحف على الشفرة المشتبه بتضررها للحصول على نظرة أكثر تفصيلاً وتخطيط الإصلاحات. سيكون هذا تقدماً كبيراً في هذا القطاع.