桑迪亞研究人員與能源企業(yè)合作開發(fā)了一些機器

桑迪亞國家實驗室的研究人員表示，配備特殊掃描技術(shù)的無人機和爬行機器人可以幫助風力葉片延長使用壽命，這可能有助于降低葉片變得更大，更昂貴和更難運輸時的風能成本。

作為由能源技術(shù)辦公室資助的能源部刀片可靠性協(xié)作工作的一部分，桑迪亞研究人員與能源企業(yè)合作開發(fā)了一些機器，這些機器可以無創(chuàng)地檢查風力葉片是否存在隱藏損壞，同時比傳統(tǒng)的相機檢測更快更細致。

“風力葉片是世界上最大的單件式復(fù)合結(jié)構(gòu) - 甚至比任何飛機都要大，它們經(jīng)常被放置在偏遠地區(qū)的機器上，”桑迪亞風能項目的機械工程師Joshua Paquette說。“ 刀片在其使用壽命期間經(jīng)歷十億次負載循環(huán)時會受到閃電，冰雹，雨水，濕氣和其他力量的影響，但您不能將其放在吊架中進行維護。”

但Paquete說，例行檢查和維修對于保持這些兆葉片的使用至關(guān)重要。但是，目前的檢查方法并不總是很快就會受到損害。

桑迪亞正在利用航空電子和機器人研究的專業(yè)知識來改變這種狀況。他說，通過在損壞變得可見之前捕獲損壞，更小更便宜的維修可以修復(fù)刀片并延長其使用壽命。

在一個項目中，桑迪亞為爬行機器人配備了掃描儀，可以搜索風力葉片內(nèi)的損壞。

在第二系列項目中，桑迪亞將無人機與傳感器配對，傳感器利用陽光產(chǎn)生的熱量來檢測損壞。

在現(xiàn)場檢查，修理風力葉片是一項巨大的挑戰(zhàn)

Paquette說，傳統(tǒng)上，風能行業(yè)有兩種主要方法來檢查風力葉片。第一個選擇是派人帶著相機和長焦鏡頭。檢查員從刀片移動到刀片拍攝照片并尋找可見的損壞，如裂縫和侵蝕。第二種選擇是類似的，但是檢查員不是站在地面上，而是沿著風力葉片塔下降，或者在葉片上下操縱起重機上的平臺。

“在這些視覺檢查中，你只能看到表面損傷，”Paquette說。“通常情況下，當你看到刀片外側(cè)的裂縫時，損壞已經(jīng)非常嚴重。你正在尋找一個非常昂貴的維修，或者甚至可能需要更換刀片。”

Paquette說，這些檢查很受歡迎，因為它們價格實惠，但是在它們成為一個更大的問題之前，它們錯過了發(fā)現(xiàn)損壞的機會。桑迪亞的爬行機器人和無人機旨在使風力葉片的無創(chuàng)內(nèi)部檢查成為行業(yè)的可行選擇。

Sandia和合作伙伴International Climbing Machines和Dophitech建立了一個爬行機器人，靈感來自檢查水壩的機器。機器人可以從風向葉片上下左右移動，就像割草坪的人一樣。車載攝像機提供實時，高保真的圖像，以檢測表面損壞，以及可能發(fā)出較大的地下?lián)p壞信號的小分界線。在移動時，機器人還使用棒來掃描刀片，使用相控陣超聲成像進行損壞。

掃描儀的工作原理與醫(yī)生用來觀察體內(nèi)的超聲波機器非常相似，除非在這種情況下它通過發(fā)回一系列信號來檢測刀片的內(nèi)部損壞?？梢宰詣臃治鲞@些超聲波簽名的變化以指示損壞。

桑迪亞資深科學家和機器人履帶項目負責人Dennis Roach表示，相控陣超聲波檢測可以檢測厚復(fù)合材料葉片內(nèi)任何一層的損傷。

“湍流造成的沖擊或過度應(yīng)力會造成表面下的損傷，這在視覺上并不明顯，”羅奇說。“我們的想法是在損壞達到臨界尺寸之前嘗試找到損壞，并允許更便宜的維修，減少刀片停機時間。我們還希望避免任何故障或需要拆卸刀片。”

Roach將機器人履帶作為風力葉片一站式檢修解決方案的一部分。

羅奇說：“想象一個維修團隊在一個平臺上推進風力刀片，機器人向前爬行。” “當機器人發(fā)現(xiàn)某些東西時，遠程檢查員可以讓機器人標記該位置，以便明顯地發(fā)現(xiàn)地下?lián)p壞的位置。維修團隊將磨損損壞并修復(fù)復(fù)合材料。這一站式購買檢查和維修可以讓刀片快速恢復(fù)使用。“

無人機利用陽光產(chǎn)生的熱量來揭示葉片的損壞

Sandia與一些小型企業(yè)合作，在一系列項目中為無人機配備紅外攝像機，該攝像機利用陽光產(chǎn)生的熱量來探測隱藏的風葉損壞。這種稱為熱成像的方法可以檢測到刀片內(nèi)部半英寸深的損壞。

桑迪亞機械工程師Ray Ely說：“我們開發(fā)了一種方法，可以在陽光下加熱葉片，然后將其投入陰涼處。” “陽光向下擴散到刀片中并均衡。當熱量擴散時，你希望刀片表面冷卻。但是瑕疵往往會破壞熱流，使表面高于熱。紅外相機會讀取這些熱點檢測損壞。“

地面熱成像系統(tǒng)目前用于其他行業(yè)，例如飛機維護。因為相機安裝在無人機上用于這種應(yīng)用，所以必須做出讓步，Ely說。

“你不想要一架可能會發(fā)生故障的無人機昂貴的東西，而且你不想要耗電，”伊利說。“因此，我們使用符合我們標準的小型紅外攝像機，并使用光學圖像和激光雷達提供更多信息。”

激光雷達，就像雷達，但用光而不是射頻波，測量光線返回某個點以確定物體之間距離所需的時間。從美國宇航局的火星著陸器計劃中獲取靈感，研究人員使用激光雷達傳感器并利用無人機運動來收集超分辨率圖像。

“當他們告訴技術(shù)人員”增強，增強“計算機上的圖像時，我戲劇性地將超級分辨率描述為電視犯罪劇中的偵探。

檢查風力葉片的無人機在拍攝圖像時會移動，并且該移動可以收集超分辨率圖像。

“你用這個動作來填充額外的像素，”伊利說。“如果你有一個100×100像素的攝像頭或激光雷達并拍攝一張照片，你可以擁有這種分辨率。但如果你在拍照時四處走動，按子像素數(shù)量，你可以填補這些空白和創(chuàng)建一個更精細的網(wǎng)格。幾個幀的數(shù)據(jù)可以拼湊在一起，形成一個超分辨率的圖像。“

使用激光雷達和超分辨率成像還可以精確地跟蹤刀片上的損壞位置，激光雷達也可用于測量刀刃上的腐蝕。

自主檢查是未來

橋梁和電力線路的自動檢查已經(jīng)成為現(xiàn)實，Paquette認為它們也將成為確保風力葉片可靠性的重要部分。

“鑒于葉片的大小和位置，自動檢測將是一個巨大的領(lǐng)域，在風能行業(yè)中確實很有意義。” 帕奎特說。“想象一下檢查過程是否自動化，而不是需要走路或從刀片走到刀片以尋找損壞的人。”

Paquette表示，從簡單的地面攝像檢查到無人機和履帶式挖掘機，各種解決方案和檢查方法都有空間，所有這些都可以共同確定刀片的健康狀況。

“我可以想象每個風力發(fā)電廠都有無人機或無人機每天起飛，繞著風力渦輪機飛行，進行所有檢查，然后回來上傳他們的數(shù)據(jù)，”帕奎特說。“然后風電廠運營商將進入并查看數(shù)據(jù)，這些數(shù)據(jù)已經(jīng)被人工智能讀取，該數(shù)據(jù)可以查找先前檢查中刀片的差異并記錄潛在問題。然后，操作員將在刀片上部署機器人履帶因涉嫌損壞而得到更詳細的外觀和計劃維修。這將是該行業(yè)的重大進步。“