Des drones et des robots rampants équipés d'une technologie de numérisation spéciale pourraient aider les pales à rester en service plus longtemps, ce qui peut aider à réduire le coût de l'énergie éolienne à un moment où les pales sont de plus en plus grandes, plus cher et plus difficile à transporter, Les chercheurs de Sandia National Laboratories disent.

Dans le cadre des travaux de collaboration sur la fiabilité des pales du ministère de l'Énergie, financé par l'Office des technologies de l'énergie éolienne, Les chercheurs de Sandia se sont associés à des entreprises énergétiques pour développer des machines qui inspectent de manière non invasive les pales de vent pour détecter les dommages cachés tout en étant plus rapides et plus détaillées que les inspections traditionnelles avec des caméras.

"Les pales du vent sont les plus grandes structures composites monobloc construites au monde, encore plus grandes que n'importe quel avion, et ils sont souvent installés sur des machines dans des endroits éloignés, " dit Josué Paquette, un ingénieur en mécanique dans le programme d'énergie éolienne de Sandia. "Une lame est sujette à la foudre, grêle, pluie, l'humidité et d'autres forces tout en parcourant un milliard de cycles de charge au cours de sa durée de vie, mais vous ne pouvez pas simplement l'atterrir dans un cintre pour l'entretien."

Inspection et réparation de routine, bien que, est essentiel pour maintenir ces mégalames en service, dit Paquette. Cependant, les méthodes d'inspection actuelles ne détectent pas toujours les dommages assez tôt.

Sandia s'appuie sur l'expertise de la recherche en avionique et en robotique pour changer cela. En attrapant les dommages avant qu'ils ne deviennent visibles, des réparations plus petites et moins chères peuvent réparer la lame et prolonger sa durée de vie, il dit.

• Dans un projet, Sandia a équipé un robot rampant d'un scanner qui recherche les dommages à l'intérieur des pales de vent.
• Dans une deuxième série de projets, Sandia a associé des drones à des capteurs qui utilisent la chaleur du soleil pour détecter les dommages.

Inspection, la réparation des pales d'éoliennes sur le terrain présente un grand défi

Traditionnellement, l'industrie éolienne a eu deux approches principales pour inspecter les pales de vent, dit Paquette. La première option est d'envoyer quelqu'un avec un appareil photo et un téléobjectif. L'inspecteur passe d'une lame à l'autre en prenant des photos et en recherchant des dommages visibles, comme les fissures et l'érosion. La deuxième option est similaire, mais au lieu de se tenir au sol, l'inspecteur descend en rappel une tour de pale de vent ou manœuvre une plate-forme sur une grue de haut en bas de la pale.

« Dans ces inspections visuelles, vous ne voyez que des dommages superficiels, " dit Paquette. " Souvent pourtant, au moment où vous pouvez voir une fissure à l'extérieur d'une lame, les dégâts sont déjà assez importants. Vous envisagez une réparation très coûteuse ou vous devrez peut-être même remplacer la lame."

Ces inspections ont été populaires parce qu'elles sont abordables, mais ils manquent l'opportunité d'attraper des dégâts avant qu'ils ne deviennent un problème plus important, dit Paquette. Les robots et drones rampants de Sandia visent à faire de l'inspection interne non invasive des pales une option viable pour l'industrie.

Un robot rampant découvre des dégâts cachés

Sandia et ses partenaires International Climbing Machines et Dophitech ont construit un robot rampant inspiré des machines qui inspectent les barrages. Le robot peut se déplacer d'un côté à l'autre vers le haut et vers le bas d'une pale de vent, comme quelqu'un qui tond une pelouse. Les caméras embarquées fournissent en temps réel, images haute fidélité pour détecter les dommages de surface, ainsi que de petites démarcations qui peuvent signaler de plus grandes, dommages souterrains. En se déplaçant, le robot utilise également une baguette pour scanner la lame à la recherche de dommages à l'aide d'une imagerie par ultrasons multiéléments.

Le scanner fonctionne un peu comme les machines à ultrasons utilisées par les médecins pour voir à l'intérieur des corps, sauf dans ce cas, il détecte les dommages internes aux lames en renvoyant une série de signaux. Les changements dans ces signatures ultrasonores peuvent être automatiquement analysés pour indiquer les dommages.

Le scientifique principal de Sandia et responsable du projet de robot sur chenilles, Dennis Roach, a déclaré qu'une inspection par ultrasons multiéléments peut détecter les dommages à n'importe quelle couche à l'intérieur de l'épaisse, lames composites.

« Les chocs ou les contraintes excessives dus à la turbulence peuvent créer des dommages sous la surface qui ne sont pas visuellement évidents, " dit Roach. " L'idée est d'essayer de trouver les dommages avant qu'ils n'atteignent une taille critique et de permettre des réparations moins coûteuses qui réduisent les temps d'arrêt de la lame. Nous voulons également éviter toute panne ou la nécessité de retirer une lame."

Roach envisage les chenilles robotiques dans le cadre d'une solution d'inspection et de réparation à guichet unique pour les pales d'éoliennes.

« Imaginez une équipe de réparation sur une plate-forme qui monte une pale de vent avec le robot rampant devant, " dit Roach. " Quand le robot trouve quelque chose, les inspecteurs situés à distance peuvent demander au robot de marquer l'endroit afin que l'emplacement des dommages souterrains soit évident. L'équipe de réparation éliminera les dommages et réparera le matériau composite. Ce guichet unique d'inspection et de réparation permet à la lame d'être remise en service rapidement."

Les drones utilisent la chaleur du soleil pour révéler les dommages de la lame

Sandia a travaillé avec plusieurs petites entreprises dans une série de projets visant à équiper les drones de caméras infrarouges qui utilisent la chaleur du soleil pour détecter les dommages cachés des pales de vent. Cette méthode, appelé thermographie, peut détecter des dommages jusqu'à un demi-pouce de profondeur à l'intérieur de la lame.

"Nous avons développé une méthode pour chauffer la lame au soleil, puis jette-le à l'ombre, " L'ingénieur en mécanique de Sandia, Ray Ely, explique. " La lumière du soleil se diffuse dans la lame et s'égalise. Au fur et à mesure que cette chaleur se diffuse, vous vous attendez à ce que la surface de la lame refroidisse. Mais les défauts ont tendance à perturber le flux de chaleur, laissant la surface au-dessus chaude. La caméra infrarouge lira ensuite ces points chauds pour détecter les dommages. »

Les systèmes de thermographie au sol sont actuellement utilisés pour d'autres industries, comme la maintenance des aéronefs. Parce que les caméras sont montées sur des drones pour cette application, il faut faire des concessions, dit Ély.

"Vous ne voulez pas quelque chose de cher sur un drone qui pourrait s'écraser, et tu ne veux pas d'un énergumène, " dit Ely. " Alors, nous utilisons de très petites caméras infrarouges qui correspondent à nos critères et utilisons des images optiques et lidar pour fournir des informations supplémentaires."

Lidar, qui est comme un radar mais avec de la lumière au lieu d'ondes radiofréquences, mesure combien de temps il faut à la lumière pour revenir à un point afin de déterminer la distance entre les objets. S'inspirant du programme d'atterrisseur sur Mars de la NASA, les chercheurs ont utilisé un capteur lidar et ont profité du mouvement des drones pour collecter des images en super-résolution.

"Je décris en plaisantant la super-résolution comme un détective dans une série policière télévisée quand ils disent à une technologie d'"améliorer, améliorer' une image sur un ordinateur."

Un drone inspectant une pale de vent se déplace pendant qu'il prend des images, et ce mouvement permet de rassembler une image en super-résolution.

"Vous utilisez le mouvement pour remplir des pixels supplémentaires, " dit Ely. " Si vous avez un appareil photo ou un lidar de 100 x 100 pixels et que vous prenez une photo, cette résolution est tout ce que vous aurez. Mais si vous vous déplacez en prenant des photos, d'un montant inférieur au pixel, vous pouvez combler ces lacunes et créer un maillage plus fin. Les données de plusieurs images peuvent être reconstituées pour une image en super résolution."

L'utilisation de l'imagerie lidar et super-résolution permet également de suivre avec précision où se trouvent les dommages sur une lame, et le lidar peuvent également être utilisés pour mesurer l'érosion sur les bords des pales.

Les inspections autonomes sont l'avenir

Les inspections autonomes des ponts et des lignes électriques sont déjà des réalités, et Paquette croit qu'ils deviendront également des éléments importants pour assurer la fiabilité des pales d'éoliennes.

« L'inspection autonome va être un vaste domaine, et cela a vraiment du sens dans l'industrie éolienne, étant donné la taille et l'emplacement des pales. " dit Paquette. " Au lieu qu'une personne ait besoin de marcher ou de conduire de pale en pale pour rechercher des dommages, imaginez si le processus d'inspection était automatisé."

Paquette dit qu'il y a de la place pour une variété de solutions et de méthodes d'inspection, d'une simple inspection par caméra au sol, aux drones et aux crawlers, tous travaillant ensemble pour déterminer la santé d'une lame.

"Je peux imaginer chaque éolienne ayant un drone ou une flotte de drones qui décollent tous les jours, voler autour des éoliennes, faire toutes leurs inspections, puis revenir et télécharger leurs données, " dit Paquette. " Ensuite, l'opérateur de l'éolienne entrera et regardera les données, qui aura déjà été lu par l'intelligence artificielle qui recherche les différences dans les aubes par rapport aux inspections précédentes et note les problèmes potentiels. L'opérateur déploiera ensuite un robot sur chenilles sur la lame suspectée de dommages pour obtenir un aperçu plus détaillé et planifier les réparations. Ce serait une avancée significative pour l'industrie."