Drones e robôs rastejantes equipados com tecnologia de varredura especial podem ajudar as lâminas de vento a permanecer em serviço por mais tempo, o que pode ajudar a reduzir o custo da energia eólica em um momento em que as pás estão ficando maiores, mais caro e difícil de transportar, Pesquisadores do Sandia National Laboratories dizem.

Como parte do trabalho colaborativo de confiabilidade da lâmina do Departamento de Energia, financiado pelo Wind Energy Technologies Office, Os pesquisadores da Sandia fizeram parceria com empresas de energia para desenvolver máquinas que inspecionam de forma não invasiva as lâminas de vento em busca de danos ocultos, sendo mais rápidas e detalhadas do que as inspeções tradicionais com câmeras.

"As pás eólicas são as maiores estruturas compostas de uma única peça construídas no mundo - ainda maiores do que qualquer avião, e muitas vezes são colocados em máquinas em locais remotos, "diz Joshua Paquette, um engenheiro mecânico no programa de energia eólica de Sandia. "Uma lâmina está sujeita a raios, saudação, chuva, umidade e outras forças durante a execução de um bilhão de ciclos de carga durante sua vida útil, mas você não pode simplesmente pousá-lo em um cabide para manutenção. "

Inspeção e reparo de rotina, no entanto, é fundamental para manter essas megablades em serviço, Paquette diz. Contudo, os métodos de inspeção atuais nem sempre detectam os danos em tempo hábil.

Sandia está valendo-se da experiência da pesquisa em aviônica e robótica para mudar isso. Ao detectar o dano antes que ele se torne visível, reparos menores e mais baratos podem consertar a lâmina e estender sua vida útil, ele diz.

• Em um projeto, Sandia equipou um robô rastejante com um scanner que procura por danos dentro das lâminas de vento.
• Em uma segunda série de projetos, Sandia emparelhou drones com sensores que usam o calor da luz solar para detectar danos.

Inspecionando, reparar pás eólicas no campo apresenta um grande desafio

Tradicionalmente, a indústria eólica tem duas abordagens principais para inspecionar as pás eólicas, Paquette diz. A primeira opção é enviar alguém com uma câmera e lente telefoto. O inspetor se move de lâmina em lâmina tirando fotos e procurando por danos visíveis, como rachaduras e erosão. A segunda opção é semelhante, mas em vez de ficar no solo, o inspetor desce de uma torre de pás de vento ou manobra uma plataforma em um guindaste para cima e para baixo na lâmina.

"Nessas inspeções visuais, você só vê danos superficiais, "Paquette diz." Muitas vezes, porém, no momento em que você pode ver uma rachadura na parte externa de uma lâmina, o dano já é bastante grave. Você está procurando um conserto muito caro ou pode até ter que substituir a lâmina. "

Essas inspeções são populares porque são acessíveis, mas eles perdem a oportunidade de detectar danos antes que se tornem um problema maior, Paquette diz. Os robôs e drones rastejantes da Sandia têm como objetivo tornar a inspeção interna não invasiva das pás eólicas uma opção viável para a indústria.

Robô rastejante encontra danos ocultos

Sandia e seus parceiros International Climbing Machines e Dophitech construíram um robô rastejante inspirado nas máquinas que inspecionam barragens. O robô pode se mover de um lado para outro para cima e para baixo em uma lâmina de vento, como alguém cortando a grama. Câmeras integradas fornecem tempo real, imagens de alta fidelidade para detectar danos na superfície, bem como pequenas demarcações que podem sinalizar maiores, danos subterrâneos. Enquanto se move, o robô também usa uma varinha para escanear a lâmina em busca de danos usando imagens ultrassônicas de phased array.

O scanner funciona como as máquinas de ultra-som usadas pelos médicos para ver o interior dos corpos, exceto neste caso, ele detecta danos internos às lâminas, enviando de volta uma série de sinais. As alterações nessas assinaturas ultrassônicas podem ser analisadas automaticamente para indicar danos.

O cientista sênior Sandia e líder do projeto de rastreador robótico, Dennis Roach, diz que uma inspeção ultrassônica de phased array pode detectar danos em qualquer camada dentro da espessura, lâminas compostas.

"O impacto ou sobrecarga da turbulência pode criar danos na subsuperfície que não são visualmente evidentes, "Roach diz." A ideia é tentar encontrar o dano antes que ele atinja um tamanho crítico e permitir reparos menos dispendiosos que diminuem o tempo de inatividade da lâmina. Também queremos evitar falhas ou a necessidade de remover uma lâmina. "

Roach imagina os rastreadores robóticos como parte de uma inspeção completa e solução de reparo para pás eólicas.

"Imagine uma equipe de reparos em uma plataforma subindo por uma lâmina de vento com o robô rastejando à frente, "Roach diz." Quando o robô encontra algo, inspetores localizados remotamente podem fazer com que o robô marque o local para que a localização do dano subterrâneo seja evidente. A equipe de reparo removerá os danos e reparará o material composto. Esta compra completa de inspeção e reparo permite que a lâmina seja colocada novamente em serviço rapidamente. "

Drones usam o calor da luz solar para revelar danos à lâmina

Sandia trabalhou com várias pequenas empresas em uma série de projetos para equipar drones com câmeras infravermelhas que usam o calor da luz solar para detectar danos ocultos às pás de vento. Este método, chamada termografia, pode detectar danos até meia polegada de profundidade dentro da lâmina.

“Desenvolvemos um método para aquecer a lâmina ao sol, e, em seguida, jogue-o na sombra, "Diz o engenheiro mecânico da Sandia, Ray Ely." A luz do sol se difunde para a lâmina e se iguala. À medida que o calor se difunde, você espera que a superfície da lâmina esfrie. Mas as falhas tendem a interromper o fluxo de calor, deixando a superfície acima quente. A câmera infravermelha irá então ler esses pontos quentes para detectar danos. "

Os sistemas de termografia baseados em solo são usados ​​atualmente para outras indústrias, como manutenção de aeronaves. Como as câmeras são montadas em drones para esta aplicação, concessões devem ser feitas, Ely diz.

"Você não quer algo caro em um drone que pode falhar, e você não quer um devorador de energia, "Ely disse." Então, usamos câmeras infravermelhas realmente pequenas que se encaixam em nossos critérios e usamos imagens ópticas e lidar para fornecer informações adicionais. "

Lidar, que é como um radar, mas com luz em vez de ondas de radiofrequência, mede quanto tempo leva para a luz viajar de volta a um ponto para determinar a distância entre os objetos. Inspirando-se no programa de aterrissagem de Marte da NASA, os pesquisadores usaram um sensor lidar e aproveitaram o movimento do drone para coletar imagens de super-resolução.

"Eu, de brincadeira, descrevo a super-resolução como um detetive em um drama policial de TV quando dizem a um técnico para 'melhorar, melhorar 'uma imagem em um computador. "

Um drone inspecionando uma lâmina de vento se move enquanto tira fotos, e esse movimento permite reunir uma imagem de super-resolução.

"Você usa o movimento para preencher pixels adicionais, "Ely diz." Se você tiver uma câmera de 100 por 100 pixels ou lidar e tirar uma foto, essa resolução é tudo que você tem. Mas se você se mover enquanto tira fotos, por uma quantidade de subpixel, você pode preencher essas lacunas e criar uma malha mais fina. Os dados de vários quadros podem ser agrupados para uma imagem de super-resolução. "

O uso de imagens lidar e de super-resolução também torna possível rastrear com precisão onde está o dano em uma lâmina, e lidar também pode ser usado para medir a erosão nas bordas da lâmina.

As inspeções autônomas são o futuro

Inspeções autônomas de pontes e linhas de transmissão já são realidades, e Paquette acredita que eles também se tornarão partes importantes para garantir a confiabilidade das pás eólicas.

"A inspeção autônoma será uma área enorme, e realmente faz sentido na indústria eólica, considerando o tamanho e a localização das lâminas ". Paquette diz." Em vez de uma pessoa precisar andar ou dirigir de lâmina em lâmina para procurar danos, imagine se o processo de inspeção fosse automatizado. "

Paquette diz que há espaço para uma variedade de soluções e métodos de inspeção, a partir de uma simples inspeção de câmera baseada no solo, para drones e rastreadores, todos trabalhando juntos para determinar a saúde de uma lâmina.

"Posso imaginar cada usina eólica tendo um drone ou uma frota de drones que decolam todos os dias, voar ao redor das turbinas eólicas, fazer todas as suas inspeções, e depois volte e carregue seus dados, "Paquette diz." Então, o operador da usina eólica virá e examinará os dados, que já terá sido lido pela inteligência artificial que procura diferenças nas lâminas de inspeções anteriores e observa possíveis problemas. O operador então implantará um rastreador robótico na lâmina com suspeita de danos para obter uma visão mais detalhada e planejar os reparos. Seria um avanço significativo para o setor ”.