桑迪亞研究人員與能源企業(yè)合作開發(fā)了一些機(jī)器

桑迪亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室的研究人員表示，配備特殊掃描技術(shù)的無(wú)人機(jī)和爬行機(jī)器人可以幫助風(fēng)力葉片延長(zhǎng)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(yùn)輸時(shí)的風(fēng)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(jī)器，這些機(jī)器可以無(wú)創(chuàng)地檢查風(fēng)力葉片是否存在隱藏?fù)p壞，同時(shí)比傳統(tǒng)的相機(jī)檢測(cè)更快更細(xì)致。

“風(fēng)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(jī)都要大，它們經(jīng)常被放置在偏遠(yuǎn)地區(qū)的機(jī)器上，”桑迪亞風(fēng)能項(xiàng)目的機(jī)械工程師Joshua Paquette說。“ 刀片在其使用壽命期間經(jīng)歷十億次負(fù)載循環(huán)時(shí)會(huì)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(jìn)行維護(hù)。”

但Paquete說，例行檢查和維修對(duì)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(huì)受到損害。

桑迪亞正在利用航空電子和機(jī)器人研究的專業(yè)知識(shí)來(lái)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(zhǎng)其使用壽命。

在一個(gè)項(xiàng)目中，桑迪亞為爬行機(jī)器人配備了掃描儀，可以搜索風(fēng)力葉片內(nèi)的損壞。

在第二系列項(xiàng)目中，桑迪亞將無(wú)人機(jī)與傳感器配對(duì)，傳感器利用陽(yáng)光產(chǎn)生的熱量來(lái)檢測(cè)損壞。

在現(xiàn)場(chǎng)檢查，修理風(fēng)力葉片是一項(xiàng)巨大的挑戰(zhàn)

Paquette說，傳統(tǒng)上，風(fēng)能行業(yè)有兩種主要方法來(lái)檢查風(fēng)力葉片。第一個(gè)選擇是派人帶著相機(jī)和長(zhǎng)焦鏡頭。檢查員從刀片移動(dòng)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(fēng)力葉片塔下降，或者在葉片上下操縱起重機(jī)上的平臺(tái)。

“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(dāng)你看到刀片外側(cè)的裂縫時(shí)，損壞已經(jīng)非常嚴(yán)重。你正在尋找一個(gè)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?yàn)樗鼈儍r(jià)格實(shí)惠，但是在它們成為一個(gè)更大的問題之前，它們錯(cuò)過了發(fā)現(xiàn)損壞的機(jī)會(huì)。桑迪亞的爬行機(jī)器人和無(wú)人機(jī)旨在使風(fēng)力葉片的無(wú)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(gè)爬行機(jī)器人，靈感來(lái)自檢查水壩的機(jī)器。機(jī)器人可以從風(fēng)向葉片上下左右移動(dòng)，就像割草坪的人一樣。車載攝像機(jī)提供實(shí)時(shí)，高保真的圖像，以檢測(cè)表面損壞，以及可能發(fā)出較大的地下?lián)p壞信號(hào)的小分界線。在移動(dòng)時(shí)，機(jī)器人還使用棒來(lái)掃描刀片，使用相控陣超聲成像進(jìn)行損壞。

掃描儀的工作原理與醫(yī)生用來(lái)觀察體內(nèi)的超聲波機(jī)器非常相似，除非在這種情況下它通過發(fā)回一系列信號(hào)來(lái)檢測(cè)刀片的內(nèi)部損壞?？梢宰詣?dòng)分析這些超聲波簽名的變化以指示損壞。

桑迪亞資深科學(xué)家和機(jī)器人履帶項(xiàng)目負(fù)責(zé)人Dennis Roach表示，相控陣超聲波檢測(cè)可以檢測(cè)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(huì)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(dá)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(jī)時(shí)間。我們還希望避免任何故障或需要拆卸刀片。”

Roach將機(jī)器人履帶作為風(fēng)力葉片一站式檢修解決方案的一部分。

羅奇說：“想象一個(gè)維修團(tuán)隊(duì)在一個(gè)平臺(tái)上推進(jìn)風(fēng)力刀片，機(jī)器人向前爬行。” “當(dāng)機(jī)器人發(fā)現(xiàn)某些東西時(shí)，遠(yuǎn)程檢查員可以讓機(jī)器人標(biāo)記該位置，以便明顯地發(fā)現(xiàn)地下?lián)p壞的位置。維修團(tuán)隊(duì)將磨損損壞并修復(fù)復(fù)合材料。這一站式購(gòu)買檢查和維修可以讓刀片快速恢復(fù)使用。“

無(wú)人機(jī)利用陽(yáng)光產(chǎn)生的熱量來(lái)揭示葉片的損壞

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

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

地面熱成像系統(tǒng)目前用于其他行業(yè)，例如飛機(jī)維護(hù)。因?yàn)橄鄼C(jī)安裝在無(wú)人機(jī)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(huì)發(fā)生故障的無(wú)人機(jī)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(biāo)準(zhǔn)的小型紅外攝像機(jī)，并使用光學(xué)圖像和激光雷達(dá)提供更多信息。”

激光雷達(dá)，就像雷達(dá)，但用光而不是射頻波，測(cè)量光線返回某個(gè)點(diǎn)以確定物體之間距離所需的時(shí)間。從美國(guó)宇航局的火星著陸器計(jì)劃中獲取靈感，研究人員使用激光雷達(dá)傳感器并利用無(wú)人機(jī)運(yùn)動(dòng)來(lái)收集超分辨率圖像。

“當(dāng)他們告訴技術(shù)人員”增強(qiáng)，增強(qiáng)“計(jì)算機(jī)上的圖像時(shí)，我戲劇性地將超級(jí)分辨率描述為電視犯罪劇中的偵探。

檢查風(fēng)力葉片的無(wú)人機(jī)在拍攝圖像時(shí)會(huì)移動(dòng)，并且該移動(dòng)可以收集超分辨率圖像。

“你用這個(gè)動(dòng)作來(lái)填充額外的像素，”伊利說。“如果你有一個(gè)100×100像素的攝像頭或激光雷達(dá)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(shí)四處走動(dòng)，按子像素?cái)?shù)量，你可以填補(bǔ)這些空白和創(chuàng)建一個(gè)更精細(xì)的網(wǎng)格。幾個(gè)幀的數(shù)據(jù)可以拼湊在一起，形成一個(gè)超分辨率的圖像。“

使用激光雷達(dá)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(dá)也可用于測(cè)量刀刃上的腐蝕。

自主檢查是未來(lái)

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

“鑒于葉片的大小和位置，自動(dòng)檢測(cè)將是一個(gè)巨大的領(lǐng)域，在風(fēng)能行業(yè)中確實(shí)很有意義。” 帕奎特說。“想象一下檢查過程是否自動(dòng)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(jiǎn)單的地面攝像檢查到無(wú)人機(jī)和履帶式挖掘機(jī)，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(gè)風(fēng)力發(fā)電廠都有無(wú)人機(jī)或無(wú)人機(jī)每天起飛，繞著風(fēng)力渦輪機(jī)飛行，進(jìn)行所有檢查，然后回來(lái)上傳他們的數(shù)據(jù)，”帕奎特說。“然后風(fēng)電廠運(yùn)營(yíng)商將進(jìn)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(jī)器人履帶因涉嫌損壞而得到更詳細(xì)的外觀和計(jì)劃維修。這將是該行業(yè)的重大進(jìn)步。“