Roboter, Drohnen und Sensoren helfen jetzt bei Inspektionen und könnten in nicht allzu ferner Zukunft vollständig automatisiert werden.

Drohnen und kriechende Roboter, ausgestattet mit speziellen Scannern, könnten dazu beitragen, dass Windräder länger im Einsatz bleiben. Das könnte die Kosten für Windenergie senken – in einer Zeit, in der Rotorblätter immer größer, teurer und schwieriger zu transportieren sind. Forscher des Blade Reliability Collaborative des Energieministeriums und des Sandia National Laboratory arbeiten daher an Methoden, Windräder nichtinvasiv auf versteckte Schäden zu untersuchen. Dabei soll die Untersuchung schneller und detaillierter sein als bei herkömmlichen menschlichen Inspektionen mit Kameras.

Rotorblätter für Windkraftanlagen sind die größten einteiligen Verbundkonstruktionen der Welt, größer als jedes Flugzeug, und werden oft an Maschinen in entlegenen Gebieten montiert. Ein Rotorblatt ist Blitzeinschlägen, Hagel, Regen, Feuchtigkeit und anderen Einflüssen ausgesetzt und durchläuft im Laufe seiner Lebensdauer Milliarden von Lastwechseln. Man kann es jedoch nicht einfach zur Wartung in einen Hangar werfen.

Regelmäßige Inspektionen und Reparaturen seien jedoch entscheidend für die Funktionsfähigkeit von Turbinenschaufeln, so Paquette. Allerdings würden mit den derzeitigen Inspektionsmethoden Schäden nicht immer rechtzeitig erkannt. Sandia nutzt daher Expertise aus der Avionik- und Robotikforschung, um das zu ändern. Indem Schäden erkannt werden, bevor sie sichtbar werden, könnten kleinere und kostengünstigere Reparaturen die Schaufeln reparieren und ihre Lebensdauer verlängern, so Paquette.

In einem Projekt stattete Sandia einen kriechenden Roboter mit einem Scanner aus, der im Inneren von Windkraftanlagen nach Schäden sucht. In einer zweiten Projektreihe kombinierte Sandia Drohnen mit Sensoren, die die Wärme des Sonnenlichts zur Schadenserkennung nutzen.

Traditionell verfolgt die Windindustrie zwei Hauptansätze zur Inspektion von Rotorblättern, so Paquette. Die erste Möglichkeit besteht darin, einen Mitarbeiter mit Kamera und Teleobjektiv loszuschicken. Der Prüfer geht von Rotorblatt zu Rotorblatt, schießt Fotos und sucht nach sichtbaren Schäden wie Rissen und Erosionen. Die zweite Möglichkeit ist ähnlich, allerdings seilt sich der Prüfer nicht am Boden ab, sondern seilt sich von einem Rotorblattturm ab oder manövriert eine Plattform auf einem Kran am Rotorblatt auf und ab.

Bei diesen Sichtprüfungen sind nur oberflächliche Schäden zu erkennen. Wenn jedoch an der Außenseite einer Klinge ein Riss sichtbar wird, ist der Schaden oft bereits erheblich. Eine teure Reparatur oder sogar ein Austausch der Klinge sind die Folge.

Diese Inspektionen erfreuen sich großer Beliebtheit, da sie erschwinglich sind. Allerdings können sie Schäden nicht erkennen, bevor sie sich zu einem größeren Problem entwickeln, so Paquette. Sandias kriechende Roboter und Drohnen sollen die nichtinvasive Inneninspektion von Windkraftanlagen zu einer praktikablen Option für die Branche machen.

Sandia und seine Partner International Climbing Machines und Dophitech haben einen kriechenden Roboter gebaut, der von den Maschinen zur Staudamminspektion inspiriert ist. Der Roboter kann sich seitlich und auf und ab eines Windrads bewegen, wie jemand, der eine Plakatwand bemalt. Integrierte Kameras nehmen hochauflösende Bilder auf, um Oberflächenschäden sowie kleine Markierungen zu erkennen, die auf größere, unterirdische Schäden hinweisen können. Während der Bewegung scannt der Roboter das Rotorblatt mithilfe einer Phased-Array-Ultraschallbildgebung auf Schäden.

Der Scanner funktioniert ähnlich wie Ultraschallgeräte, mit denen Ärzte ins Körperinnere blicken, erkennt hier aber innere Schäden an den Klingen. Veränderungen in diesen Ultraschallsignaturen werden automatisch analysiert, um Schäden anzuzeigen.

Dennis Roach, leitender Wissenschaftler bei Sandia und Projektleiter für Roboter-Crawler, sagt, dass eine Phased-Array-Ultraschallprüfung Schäden in jeder Schicht innerhalb der dicken Verbundblätter erkennen kann.

Stöße oder Überbeanspruchung durch Turbulenzen verursachen unsichtbare Schäden unter der Oberfläche. Ziel ist es, Schäden zu erkennen, bevor sie eine kritische Größe erreichen und mit kostengünstigeren Reparaturen behoben werden können, die auch die Ausfallzeiten der Rotorblätter verkürzen. Wir wollen Ausfälle oder den Ausbau eines Rotorblatts vermeiden.

Roach sieht die Roboterraupen als Teil einer zentralen Inspektions- und Reparaturmethode für Windrotorblätter.

Stellen Sie sich ein Reparaturteam auf einer Plattform vor, das ein Windrad erklimmt, während der Roboter vorankriecht. Findet der Roboter etwas, können die Inspektoren die Stelle markieren, sodass der Untergrundschaden deutlich sichtbar ist. Das Reparaturteam schleift den Schaden ab und repariert das Verbundmaterial. Dank dieser Komplettlösung aus Inspektion und Reparatur ist das Rotorblatt schnell wieder einsatzbereit.

Sandia arbeitete außerdem mit mehreren kleinen Unternehmen an einer Reihe von Projekten, bei denen Drohnen mit Infrarotkameras ausgestattet wurden. Diese nutzen die Wärme des Sonnenlichts, um versteckte Schäden an Windrotorblättern zu erkennen. Diese Methode, die sogenannte Thermografie, erkennt Schäden bis zu einer Tiefe von einem halben Zoll im Rotorblatt.

Wir haben eine Methode entwickelt, bei der das Rotorblatt in der Sonne erhitzt und anschließend gerollt oder geneigt wird, bis es im Schatten liegt. Sonnenlicht dringt in das Rotorblatt ein und gleicht die Wärme aus. Während die Wärme diffundiert, kühlt die Rotorblattoberfläche ab. Fehler stören jedoch den Wärmefluss, sodass die darüber liegende Oberfläche und die Fehler heiß bleiben. Die Infrarotkamera erkennt diese heißen Stellen und kennzeichnet sie als erkannten Schaden.

Es gibt bodengestützte Thermografiegeräte, die derzeit in anderen Branchen eingesetzt werden, beispielsweise in der Flugzeugwartung. Da die Kameras für diese Anwendung auf Drohnen montiert werden, seien Zugeständnisse nötig, sagt Ely.

Sie möchten keine teuren Geräte an einer Drohne, die abstürzen könnten, und Sie möchten auch keinen Stromfresser. Deshalb verwenden wir sehr kleine IR-Kameras, die unseren Kriterien entsprechen, und nutzen dann optische Bilder und Lidar, um zusätzliche Informationen zu liefern.

Lidar, ein Radarsensor, der sichtbares Licht anstelle von Radiofrequenzwellen nutzt, misst die Zeit, die Licht benötigt, um zu einem Punkt und wieder zurück zu gelangen und so die Entfernung zwischen Objekten zu bestimmen. Inspiriert vom Marslandeprogramm der NASA nutzten die Forscher einen Lidar-Sensor und nutzten die Drohnenbewegungen, um hochauflösende Bilder zu erfassen. Eine Drohne, die ein Windrad inspiziert, bewegt sich während der Bildaufnahme, und diese Bewegung ermöglicht die Erfassung hochauflösender Bilder.

Sie nutzen die Bewegung, um zusätzliche Pixel einzufügen. Wenn Sie eine 100 x 100 Pixel große Kamera oder ein Lidar haben und ein Bild aufnehmen, ist diese Auflösung alles, was Sie haben. Wenn Sie sich jedoch während der Aufnahme um einen Subpixel-Bereich bewegen, können Sie diese Lücken füllen und ein feineres Netz erstellen. Die Daten mehrerer Einzelbilder können zu einem Bild mit Superauflösung zusammengefügt werden.

Mithilfe von Lidar und hochauflösender Bildgebung können Forscher außerdem genau verfolgen, wo das Blatt beschädigt ist. Zudem kann Lidar die Erosion an den Blattkanten messen.

Autonome Inspektionen von Brücken und Stromleitungen sind bereits Realität und Paquette ist davon überzeugt, dass sie auch bei der Gewährleistung der Zuverlässigkeit von Windkraftanlagen eine wichtige Rolle spielen werden.

Autonome Inspektionen werden ein riesiges Gebiet sein und sind in der Windindustrie angesichts der Größe und Lage der Rotorblätter wirklich sinnvoll. Stellen Sie sich vor, Inspektionen würden automatisiert ablaufen, anstatt dass ein Mensch von Rotorblatt zu Rotorblatt laufen oder fahren müsste, um nach Schäden zu suchen.

Laut Paquette gibt es Raum für eine Vielzahl von Inspektionsmethoden, von einfachen bodengestützten Kamerainspektionen bis hin zur Zusammenarbeit von Drohnen und Raupenfahrzeugen, um den Zustand eines Rotorblatts zu bestimmen.

Ich kann mir vorstellen, dass jedes Windkraftwerk über eine Drohne oder eine ganze Drohnenflotte verfügt, die täglich startet, die Windturbinen umkreist, alle Inspektionen durchführt und anschließend ihre Daten hochlädt. Anschließend kommt der Betreiber des Windkraftwerks und sichtet die Daten, die bereits von künstlicher Intelligenz ausgewertet wurden. Diese sucht nach Abweichungen von früheren Inspektionen und erkennt potenzielle Probleme. Anschließend setzt der Betreiber einen Roboter-Crawler auf dem verdächtigen Rotorblatt ein, um einen genaueren Blick zu werfen und Reparaturen zu planen. Das wäre ein bedeutender Fortschritt für die Branche.