Роботи, дрони та датчики допомагають з перевірками зараз і можуть бути повністю автоматизовані в недалекому майбутньому.

Дрони та роботи-подорожувачі, оснащені спеціальними сканерами, можуть допомогти вітровим лопатям довше залишатися в експлуатації, що може знизити вартість вітрової енергії в той час, коли лопаті стають більшими, дорожчими та складнішими для транспортування. З цією метою дослідники з Колективу надійності лопатей Міністерства енергетики США та Національної лабораторії Сандії працюють над способами неінвазивної перевірки вітрових лопатей на наявність прихованих пошкоджень, при цьому вона буде швидшою та детальнішою, ніж традиційні перевірки людиною за допомогою камер.

Лопаті вітрових двигунів – це найбільші у світі цільні композитні конструкції, навіть більші за будь-який літак, і їх часто встановлюють на обладнання у віддалених місцях. Лопаті піддаються впливу блискавки, граду, дощу, вологості та інших сил, проходячи мільярд циклів навантаження протягом свого терміну служби, але їх не можна просто посадити в ангар для технічного обслуговування.

Однак, за словами Пакетта, плановий огляд та ремонт мають вирішальне значення для підтримки лопатей турбіни в робочому стані. Однак, сучасні методи огляду не завжди виявляють пошкодження достатньо швидко. Сандія спирається на досвід досліджень в галузі авіоніки та робототехніки, щоб змінити це. Виявляючи пошкодження до того, як вони стануть помітними, менший та дешевший ремонт може виправити лопатку та продовжити термін її служби, каже він.

В одному проєкті Сандія оснастила робота-подорожника сканером, який шукає пошкодження всередині лопатей вітрових двигунів. У другій серії проєктів Сандія поєднала дрони з датчиками, які використовують тепло сонячного світла для виявлення пошкоджень.

За словами Пакетта, традиційно у вітроенергетиці існувало два основних підходи до перевірки лопатей вітрових установок. Перший варіант — відправити когось із камерою та телеоб’єктивом. Інспектор переміщується від лопаті до лопаті, фотографуючи та шукаючи видимі пошкодження, такі як тріщини та ерозія. Другий варіант подібний, але замість того, щоб стояти на землі, інспектор спускається з вежі лопатей вітрових установок по мотузці або маневрує платформою на крані вгору та вниз по лопаті.

Під час цих візуальних оглядів ви бачите лише поверхневі пошкодження. Однак часто, коли ви можете побачити тріщину на зовнішній стороні леза, пошкодження вже досить серйозне. Вам доведеться дорого ремонтувати, або навіть замінити лезо.

Ці перевірки були популярними, оскільки вони доступні за ціною, але вони не можуть виявити пошкодження, перш ніж вони переростуть у більшу проблему, каже Пакетт. Роботи та дрони Sandia, що повзають, спрямовані на те, щоб зробити неінвазивний внутрішній огляд лопатей вітрових установок життєздатним варіантом для галузі.

Sandia та її партнери International Climbing Machines і Dophitech створили робота-подорожника, натхненного машинами, що оглядають дамби. Робот може рухатися з боку в бік, вгору та вниз по лопаті вітрового двигуна, немов той, хто фарбує рекламний щит. Бортові камери роблять високоточні зображення для виявлення пошкоджень поверхні, а також невеликих розмежувань, які можуть сигналізувати про більші пошкодження під поверхнею. Під час руху робот також використовує зонд для сканування лопаті на наявність пошкоджень за допомогою фазованої антенної решітки ультразвукової візуалізації.

Сканер працює подібно до ультразвукових апаратів, які використовують лікарі для огляду внутрішніх органів, за винятком того, що в цьому випадку він виявляє внутрішні пошкодження лопатей. Зміни в цих ультразвукових сигнатурах автоматично аналізуються для виявлення пошкоджень.

Старший науковий співробітник Sandia та керівник проекту роботизованого гусеничного транспортера Денніс Роуч каже, що ультразвукова перевірка з фазованою решіткою може виявити пошкодження в будь-якому шарі всередині товстих композитних лопатей.

Удар або надмірне напруження від турбулентності створює підповерхневі пошкодження, які не видно. Ідея полягає в тому, щоб виявити пошкодження до того, як вони досягнуть критичного розміру, і їх можна буде виправити за допомогою менш дорогого ремонту, який також зменшує час простою лопаті. Ми хочемо уникнути будь-яких поломок або необхідності знімати лопатку.

Роуч розглядає роботизовані сканери як частину комплексного методу перевірки та ремонту лопатей вітрових двигунів.

Уявіть собі ремонтну бригаду на платформі, яка піднімається по лопаті вітрового двигуна, а попереду повзе робот. Коли робот щось знаходить, інспектори можуть попросити робота позначити місце, щоб було видно місце пошкодження під поверхнею. Ремонтна бригада шліфує пошкодження та ремонтує композитний матеріал. Такий комплексний підхід до перевірки та ремонту дозволяє швидко повернути лопать до експлуатації.

Сандія також співпрацювала з кількома малими підприємствами в серії проектів з оснащення дронів інфрачервоними камерами, які використовують тепло сонячного світла для виявлення прихованих пошкоджень лопатей вітру. Цей метод, який називається термографією, виявляє пошкодження на глибині до півдюйма всередині лопаті.

Ми розробили метод, який нагріває лезо на сонці, а потім котить або нахиляє його, доки воно не опиниться в тіні. Сонячне світло розсіюється в лезо та вирівнює його. Коли це тепло розсіюється, очікується, що поверхня леза охолоне. Але дефекти, як правило, порушують потік тепла, залишаючи поверхню над ним та дефекти гарячими. Інфрачервона камера виявляє ці гарячі точки та позначає їх як виявлені пошкодження.

Наземні термографічні прилади зараз використовуються в інших галузях промисловості, таких як технічне обслуговування літаків. Оскільки камери для цього застосування встановлюються на безпілотниках, доводиться робити поступки, каже Елі.

Ви ж не хочете чогось дорогого на дроні, який може розбитися, і ви ж не хочете, щоб він споживав багато енергії. Тому ми використовуємо дуже маленькі інфрачервоні камери, які відповідають нашим критеріям, а потім за допомогою оптичних зображень і лідара надаємо додаткову інформацію.

Лідар, схожий на радар, але використовує видиме світло замість радіочастотних хвиль, вимірює час, необхідний світлу для подорожі до точки та від точки, щоб визначити відстань між об'єктами. Натхненні програмою посадки на Марс NASA, дослідники використали датчик лідара та скористалися рухом дрона для отримання зображень з надвисокою роздільною здатністю. Дрон, який оглядає лопатку вітру, рухається під час зйомки зображень, і цей рух дозволяє отримувати зображення з надвисокою роздільною здатністю.

Ви використовуєте рух, щоб заповнити додаткові пікселі. Якщо у вас є камера або лідар із роздільною здатністю 100 на 100 пікселів і ви зробите одне фото, то цієї роздільної здатності буде достатньо. Але якщо ви рухатиметеся під час зйомки на субпіксель, ви зможете заповнити ці прогалини та створити дрібнішу сітку. Дані з кількох кадрів можна об’єднати для отримання зображення з надвисокою роздільною здатністю.

Використання лідара та зображень із надвисокою роздільною здатністю також дозволяє дослідникам точно відстежувати, де пошкоджено лезо, а лідар також може вимірювати ерозію на краях леза.

Автономні перевірки мостів та ліній електропередач вже є реальністю, і Пакетт вважає, що вони також стануть важливими складовими забезпечення надійності лопатей вітрових електростанцій.

Автономна інспекція займатиме величезну сферу діяльності, і це дійсно має сенс у вітроенергетиці, враховуючи розмір та розташування лопатей. Замість того, щоб людині доводилося ходити або їздити від лопаті до лопаті, щоб перевірити наявність пошкоджень, уявіть, що інспекції були б автоматизованими.

Пакетт каже, що існує можливість для різноманітних методів перевірки, від простих наземних перевірок за допомогою камер до спільної роботи дронів та краулерів для визначення стану лопаті.

Я можу уявити собі кожну вітрову електростанцію з дроном або цілою низкою дронів, які щодня злітають, літають навколо вітрових турбін, проводять усі свої перевірки, а потім повертаються та завантажують свої дані. Потім оператор вітрової електростанції приходить і переглядає дані, які вже зчитав штучний інтелект, який шукає відмінності в лопатях від попередніх перевірок і відзначає потенційні проблеми. Потім оператор розгортає роботизованого сканера на лопаті з підозрою на пошкодження, щоб отримати детальніший огляд і спланувати ремонт. Це було б значним кроком вперед для галузі.