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Los robots que se arrastran y los aviones teledirigidos detectan las palas de viento dañadas

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Los robots, drones y sensores ayudan con las inspecciones ahora y podrían ser totalmente automatizados en un futuro no muy lejano.

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Los drones y robots rastreros equipados con escáneres especiales podrían ayudar a las palas del viento a permanecer en servicio por más tiempo, lo que podría reducir el costo de la energía eólica en un momento en que las palas son cada vez más grandes, más caras y más difíciles de transportar. Con ese fin, los investigadores de la Colaboración para la Fiabilidad de las Palas del DoE y del Laboratorio Nacional de Sandia han estado trabajando en formas de inspeccionar de forma no invasiva las palas de viento para detectar daños ocultos, siendo al mismo tiempo más rápidas y detalladas que las inspecciones humanas tradicionales con cámaras.

Las palas de viento son las estructuras compuestas de una sola pieza más grandes construidas en el mundo, incluso más grandes que cualquier avión, y a menudo se colocan en máquinas en lugares remotos. Una pala está sujeta a rayos, granizo, lluvia, humedad y otras fuerzas mientras pasa por mil millones de ciclos de carga durante su vida útil, pero no puedes simplemente aterrizarla en una percha para su mantenimiento.

La inspección y reparación de rutina, sin embargo, es crítica para mantener las palas de la turbina en servicio, dice Paquette. Sin embargo, los métodos de inspección actuales no siempre detectan los daños lo suficientemente pronto. Sandia está recurriendo a la experiencia de la investigación en aviónica y robótica para cambiar eso. Al detectar los daños antes de que sean visibles, las reparaciones más pequeñas y baratas pueden arreglar la pala y prolongar su vida útil, dice.

En un proyecto, Sandia equipó a un robot rastrero con un escáner que busca daños en el interior de las palas del viento. En una segunda serie de proyectos, Sandia emparejó los drones con sensores que usan el calor de la luz solar para detectar daños.

Tradicionalmente, la industria eólica ha tenido dos enfoques principales para inspeccionar las palas de viento, dice Paquette. La primera opción es enviar a alguien con una cámara y un teleobjetivo. El inspector va de pala en pala tomando fotos y buscando daños visibles, como grietas y erosión. La segunda opción es similar, pero en lugar de pararse en el suelo, el inspector baja en rappel por una torre de palas de viento o maniobra una plataforma en una grúa para subir y bajar la pala.

En estas inspecciones visuales, sólo se ven daños en la superficie. Sin embargo, a menudo, cuando se puede ver una grieta en el exterior de una hoja, el daño ya es bastante severo. Se trata de una reparación costosa o incluso podría tener que reemplazar la hoja.

Estas inspecciones han sido populares porque son asequibles, pero no pueden detectar los daños antes de que se conviertan en un problema mayor, dice Paquette. Los robots rastreros y los drones de Sandia tienen como objetivo hacer de la inspección interna no invasiva de las palas de viento una opción viable para la industria.

Sandia y sus socios International Climbing Machines y Dophitech construyeron un robot rastrero inspirado en las máquinas que inspeccionan las presas. El robot puede moverse de lado a lado y de arriba a abajo en una pala de viento, como alguien que pinta una valla publicitaria. Las cámaras a bordo captan imágenes de alta fidelidad para detectar daños en la superficie, así como pequeñas demarcaciones que pueden señalar daños mayores en el subsuelo. Mientras se mueve, el robot también utiliza una varilla para escanear la pala en busca de daños mediante imágenes ultrasónicas de matriz gradual.

El escáner funciona de manera muy parecida a los aparatos de ultrasonido que usan los médicos para ver el interior de los cuerpos, excepto que en este caso detecta daños internos en las cuchillas. Los cambios en estas firmas de ultrasonidos se analizan automáticamente para indicar los daños.

El científico principal de Sandia y jefe del proyecto de robots sobre orugas, Dennis Roach, dice que una inspección ultrasónica por fases puede detectar daños en cualquier capa dentro de las gruesas hojas compuestas.

El impacto o la sobrecarga de la turbulencia crea daños en el subsuelo que no son visibles. La idea es encontrar el daño antes de que crezca a un tamaño crítico y pueda ser arreglado con reparaciones menos costosas que también disminuyan el tiempo de inactividad de las palas. Queremos evitar cualquier fallo o la necesidad de quitar un álabe.

Roach imagina las orugas robóticas como parte de un método de inspección y reparación de palas de viento.

Imagina un equipo de reparación en una plataforma subiendo por una pala de viento con el robot arrastrándose hacia adelante. Cuando el robot encuentre algo, los inspectores pueden hacer que el robot marque el lugar para que la ubicación del daño subterráneo sea evidente. El equipo de reparación elimina el daño y repara el material compuesto. Esta ventanilla única de inspección y reparación permite que la cuchilla vuelva a estar en servicio rápidamente.

Sandia también trabajó con varias pequeñas empresas en una serie de proyectos para equipar a los aviones teledirigidos con cámaras infrarrojas que utilizan el calor de la luz solar para detectar daños ocultos en las aspas del viento. Este método, llamado termografía, detecta daños de hasta media pulgada de profundidad dentro de la pala.

Desarrollamos un método que calienta la hoja al sol, y luego rueda o lanza la hoja hasta que está en la sombra. La luz del sol se difunde en la hoja y se iguala. A medida que ese calor se difunde, se espera que la superficie de la hoja se enfríe. Pero los defectos tienden a interrumpir el flujo de calor, dejando la superficie de arriba y los defectos calientes. La cámara infrarroja detecta esos puntos calientes y los etiqueta como daños detectados.

Hay dispositivos de termografía en tierra que se utilizan actualmente para otras industrias, como el mantenimiento de aeronaves. Debido a que las cámaras están montadas en aviones no tripulados para esta aplicación, hay que hacer concesiones, dice Ely.

No quieres algo caro en un dron que podría estrellarse, y no quieres un cerdo de poder. Por lo tanto, utilizamos cámaras de infrarrojos realmente pequeñas que se ajustan a nuestro criterio y luego usamos imágenes ópticas y lidar para proporcionar información adicional.

El LIDAR, que es como un radar pero que utiliza luz visible en lugar de ondas de radiofrecuencia, mide el tiempo que tarda la luz en viajar hacia y desde un punto para determinar la distancia entre los objetos. Inspirándose en el programa de aterrizaje en Marte de la NASA, los investigadores utilizaron un sensor lidar y aprovecharon el movimiento de los drones para obtener imágenes de súper resolución. Un zángano que inspecciona una pala de viento se mueve mientras toma imágenes, y ese movimiento permite obtener imágenes de súper resolución.

Utilizas el movimiento para rellenar píxeles adicionales. Si tienes una cámara de 100 por 100 píxeles o un lidar y tomas una foto, esa resolución es todo lo que tendrás. Pero si te mueves mientras tomas fotos, por una cantidad de sub-píxeles, puedes rellenar esos huecos y crear una malla más fina. Los datos de varios fotogramas se pueden unir para obtener una imagen de súper resolución.

El uso de imágenes de súper resolución y lidar también permite a los investigadores rastrear con precisión dónde está dañada la hoja, y el lidar también puede medir la erosión en los bordes de la hoja.

Las inspecciones autónomas de puentes y líneas eléctricas ya son una realidad, y Paquette cree que también se convertirán en partes importantes para asegurar la fiabilidad de las palas de viento.

La inspección autónoma va a ser un área enorme, y realmente tiene sentido en la industria eólica, dado el tamaño y la ubicación de las palas. En lugar de que una persona tenga que caminar o conducir de una pala a otra para buscar daños, imagínese si las inspecciones fueran automáticas.

Paquette dice que hay espacio para una variedad de métodos de inspección, desde simples inspecciones con cámara en tierra hasta aviones no tripulados y orugas que trabajan juntos para determinar la salud de una cuchilla.

Puedo imaginar que cada planta eólica tenga un zángano o una flota de zánganos que despeguen todos los días, vuelen alrededor de las turbinas eólicas, hagan todas sus inspecciones, y luego vuelvan y carguen sus datos. Luego el operador de la planta eólica vendrá y revisará los datos, que ya habrán sido leídos por la inteligencia artificial que busca las diferencias en las palas de las inspecciones anteriores y toma nota de los posibles problemas. El operador entonces desplegará un rastreador robótico en la pala que se sospecha que está dañada para obtener una mirada más detallada y planificar las reparaciones. Sería un avance significativo para la industria.