По словам исследователей из Sandia National Laboratories, беспилотники и ползущие роботы, оснащенные специальной технологией сканирования, могут помочь ветряным лопастям дольше оставаться в эксплуатации, что может помочь снизить стоимость энергии ветра в то время, когда лопасти становятся больше, дороже и труднее транспортировать.
В рамках совместной работы Министерства энергетики по надежности лопастей, финансируемой Управлением ветроэнергетических технологий, исследователи Sandia совместно с энергетическими предприятиями разработали машины, которые неинвазивно проверяют лопасти ветра на наличие скрытых повреждений, а также быстрее и более детально, чем традиционные проверки с помощью камер.
«Ветровые лопасти — это крупнейшие цельные композитные конструкции, построенные в мире — даже больше, чем любой самолет, и их часто ставят на машины в отдаленных местах», — говорит Джошуа Пакетт, инженер-механик в программе ветроэнергетики Sandia. « Лезвие подвергается воздействию молнии, града, дождя, влажности и других сил, проходя через миллиард циклов нагрузки в течение срока его службы, но вы не можете просто посадить его в вешалку для технического обслуживания».
По словам Пакетта, регулярный осмотр и ремонт очень важны для поддержания работы этих мегаблейдов. Тем не менее, современные методы проверки не всегда достаточно быстро обнаруживают повреждения.
Сандия использует опыт исследований в области авионики и робототехники, чтобы изменить это. По его словам, обнаружив повреждение до того, как оно станет видимым, меньший и более дешевый ремонт может починить лезвие и продлить срок его службы.
- В одном проекте Сандия оснастила ползущего робота сканером, который ищет повреждения внутри лопастей ветра.
- Во второй серии проектов Sandia объединила беспилотники с датчиками, которые используют тепло солнечного света для обнаружения повреждений.
Осмотр, ремонт лопастей в полевых условиях представляет большую проблему
По словам Пакетта, в ветроэнергетике традиционно существует два основных подхода к проверке ветровых лопаток. Первый вариант — отправить кого-то с камерой и телеобъективом. Инспектор перемещается от лезвия к лезвию, щелкая фотографии и ищет видимые повреждения, такие как трещины и эрозия. Второй вариант аналогичен, но вместо того, чтобы стоять на земле, инспектор спускается вниз по башне с лопастями ветра или перемещает платформу на кране вверх и вниз по лопасти.
«В этих визуальных проверках вы видите только повреждения поверхности», — говорит Пакет. «Тем не менее, к тому времени, когда вы можете увидеть трещину на внешней стороне лезвия, повреждение уже достаточно серьезное. Вы смотрите на очень дорогой ремонт, или вам, возможно, даже придется заменить лезвие».
Эти проверки были популярны, потому что они доступны по цене, но они упускают возможность поймать ущерб, прежде чем он перерастет в более серьезную проблему, говорит Пакет. Роботы и беспилотники Sandia нацелены на то, чтобы сделать неинвазивный внутренний осмотр лопастей ветра жизнеспособным вариантом для промышленности.
Ползучий робот находит скрытый урон
Sandia и партнеры International Climbing Machines и Dophitech создали робота для ползания, вдохновленного машинами для осмотра плотин. Робот может перемещаться из стороны в сторону вверх и вниз по лезвию ветра, как кто-то, косящий газон. Бортовые камеры обеспечивают в режиме реального времени высококачественные изображения для обнаружения повреждений поверхности, а также небольшие разграничения, которые могут сигнализировать о больших, подземных повреждениях. Во время движения робот также использует палочку для сканирования лезвия на предмет повреждений с помощью ультразвуковой визуализации с фазированной решеткой.
Сканер работает так же, как ультразвуковые аппараты, используемые врачами для осмотра внутренних органов, за исключением того, что в этом случае он обнаруживает внутреннее повреждение лезвий, отправляя обратно серию сигналов. Изменения в этих ультразвуковых сигнатурах могут быть автоматически проанализированы для выявления повреждений.
Старший научный сотрудник Sandia и руководитель проекта роботизированного гусеничного полотна Деннис Роуч говорит, что ультразвуковой контроль с помощью фазированной решетки может обнаружить повреждение любого слоя внутри толстых композитных лезвий.
«Воздействие или перенапряжение из-за турбулентности может создать подповерхностное повреждение, которое не является визуально очевидным», — говорит Роуч. «Идея состоит в том, чтобы попытаться найти повреждение до того, как оно достигнет критического размера, и учесть более дешевые ремонтные работы, которые уменьшат время простоя лезвия. Мы также хотим избежать любых сбоев или необходимости удаления лезвия».
Roach представляет роботы-роботы как часть комплексного решения для проверки и ремонта лопастей ветра.
«Представьте себе, как ремонтная бригада на платформе поднимается вверх по ветру, а робот ползет вперед», — говорит Роуч. «Когда робот что-то находит, удаленно расположенные инспекторы могут сделать так, чтобы робот пометил это место так, чтобы было выявлено местоположение подповерхностного повреждения. Команда по ремонту устранит повреждение и отремонтирует композитный материал. ремонт позволяет быстро вернуть лезвие в эксплуатацию ».
Дроны используют тепло от солнечного света, чтобы выявить повреждение лезвия
Сандия работала с несколькими малыми предприятиями в серии проектов по оснащению беспилотных летательных аппаратов инфракрасными камерами, которые используют тепло солнечного света для обнаружения скрытого повреждения лопасти ветра. Этот метод, называемый термографией, может обнаруживать повреждения на глубине до половины дюйма внутри лезвия.
«Мы разработали метод нагревания лезвия на солнце, а затем превратили его в тень», — говорит инженер-механик Sandia Рэй Эли. «Солнечный свет рассеивается вниз по лезвию и выравнивается. По мере того, как тепло рассеивается, можно ожидать, что поверхность лезвия остынет. Но недостатки имеют тенденцию нарушать тепловой поток, оставляя поверхность выше горячей. Затем инфракрасная камера будет считывать эти горячие точки обнаружить повреждение «.
Наземные системы термографии в настоящее время используются для других отраслей, таких как техническое обслуживание воздушных судов. Поскольку камеры установлены на беспилотных летательных аппаратах для этого приложения, необходимо пойти на уступки, говорит Эли.
«Вам не нужно что-то дорогое на беспилотнике, который может разбиться, и вам не нужна мощная свинья», — сказал Эли. «Итак, мы используем действительно маленькие инфракрасные камеры, которые соответствуют нашим критериям, и используем оптические изображения и лидар для предоставления дополнительной информации».
Лидар, похожий на радар, но со светом вместо радиочастотных волн, измеряет, сколько времени требуется свету, чтобы вернуться к точке, чтобы определить расстояние между объектами. Вдохновленные программой НАСА «Марс Ландер», исследователи использовали лидарный датчик и использовали движение беспилотника для сбора изображений с суперразрешением.
«Я в шутку описываю суперразрешение как детектив в телевизионной криминальной драме, когда они говорят технологии« улучшать, улучшать »изображение на компьютере».
Дрон, осматривающий лопасть ветра, движется во время съемки изображений, и это движение позволяет собирать изображения с супер-разрешением.
«Вы используете движение для заполнения дополнительных пикселей», — говорит Эли. «Если у вас есть камера 100 × 100 пикселей или лидар и вы делаете один снимок, это разрешение — все, что у вас будет. Но если вы будете двигаться во время съемки, на величину меньше субпикселя, вы можете заполнить эти пробелы и создать более мелкую сетку. Данные из нескольких кадров могут быть объединены для получения изображения с высоким разрешением. «
Использование изображений лидара и сверхвысокого разрешения также позволяет точно отслеживать, где находится повреждение лезвия, а лидар также можно использовать для измерения эрозии на краях лезвия.
Автономные инспекции — это будущее
Автономные проверки мостов и линий электропередачи уже реальность, и Пакет считает, что они также станут важными составляющими обеспечения надежности лопасти ветра.
«Автономная инспекция будет огромной территорией, и это действительно имеет смысл в ветроэнергетике, учитывая размеры и расположение лопастей». Пакет говорит. «Вместо человека, которому нужно ходить или ездить от лезвия к лезвию в поисках повреждений, представьте, был ли процесс проверки автоматизирован».
Пакет говорит, что есть место для различных решений и методов контроля, от простого наземного осмотра камеры до дронов и гусеничных машин, которые все вместе определяют здоровье лезвия.
«Я могу представить, что у каждой ветряной установки есть дрон или парк беспилотников, которые взлетают каждый день, летают вокруг ветряных турбин, проводят все их проверки, а затем возвращаются и загружают свои данные», — говорит Пакет. «Затем войдет оператор ветряной установки и просмотрит данные, которые уже будут считаны искусственным интеллектом, который ищет отличия в лопастях от предыдущих проверок и отмечает потенциальные проблемы. Затем оператор развернет роботизированный гусеничный ход на лопасти. с предполагаемым повреждением, чтобы получить более детальный вид и планировать ремонт. Это было бы значительным прогрессом для отрасли «.