Geen onderhoudswerkers meer op grote hoogte

Het bestrijden van klimaatverandering staat in de meeste landen hoog op de nationale agenda. De energietransitie van fossiele brandstoffen naar hernieuwbare, groene energiebronnen wordt gezien als onderdeel van de onmisbare oplossingen om deze urgente maatschappelijke uitdaging aan te pakken. Windturbines, zowel onshore als offshore, zijn prominente en kansrijke energiebronnen om deze energietransitie te leiden. Volgens The International Renewable Energy Agency (Irena) zal een derde van de totale elektriciteitsbehoefte in 2050 afkomstig zijn van windturbines. In het komende decennium zal de installatie van windparken naar verwachting fors worden opgeschaald in de race om de opwekkingscapaciteit te vergroten.

Om windturbines effectief te kunnen gebruiken, moeten hun opwekkingscapaciteit en efficiëntie op peil worden gehouden. De efficiëntie wordt echter vaak beïnvloed door factoren zoals stof, vorst, erosie en blikseminslag. Tijdige inspectie en onderhoud zijn daarom cruciaal om optimaal van de systemen te profiteren en een maximale energieoutput te garanderen. Momenteel worden de structurele integriteitsinspectie en het onderhoud van windturbines uitsluitend uitgevoerd door onderhoudswerkers, wat ze zeer arbeidsintensief en kostbaar maakt. Naast de hoge directe arbeidskosten en alle veiligheidsaspecten ontstaan er indirect forse verliezen door stilstand van de windturbines tijdens de voorbereiding, uitvoering en kwaliteitscontrole. Gezien de aanzienlijke toename van de installatie van windturbines en het gebrek aan voldoende geschoolde werknemers op dit gebied zijn alternatieve innovatieve oplossingen noodzakelijk.

Fysiek interacterende drones uitgerust met de juiste tools voor inspectie- en onderhoudstaken zijn om meerdere redenen veelbelovende innovaties. Hun onbeperkte bereikbaarheid, eenvoudige inzet, beperkte kosten en veiligheid zijn enkele van de voordelen van de inzet van drones met gespecialiseerde tools voor dergelijke activiteiten. Onderzoekers en studenten van de Saxion Hogeschool ontwikkelen momenteel samen met publieke en private partners toepasbare en innovatieve technologieën om een echt autonome onderhoudsdrone te realiseren. Deze ontwikkelingen kaderen in de projecten Mars4Earth (Modular Aerial Robotic Systems for Sustainable Living on Earth) en Owic (Open Wind Innovation Center).

Ander dynamisch gedrag

Onderhoudswerkzaamheden aan windturbines zoals oppervlaktereiniging, slijp-, schuur-, schilder- en lamineerwerkzaamheden vereisen vaak fysieke interactie tussen de tool en de turbineoppervlakken. Het lastige is dat fysiek interacterende drones een significant ander dynamisch gedrag hebben dan de vrij vliegende drones die momenteel professioneel in de markt worden gebruikt. Interacterende drones vliegen heel dicht bij oppervlakken en wisselen fysiek energie uit met de externe omgeving.

Een van de uitdagingen is dat gedeeltelijk of volledig afgesloten oppervlaktes de luchtstroom rond de draaiende propellers van de drone beïnvloeden. Dit heeft zijn weerslag op de voortstuwingskracht die wordt gegenereerd door de aerodynamische interactie van de roterende propellers en de omringende luchtdeeltjes. Het effect is afhankelijk van meerdere factoren, zoals de afstand en hoek tussen de propellers en het afsluitende oppervlak, het type oppervlak, de soorten propellers en de snelheid van de propellers. De drone ervaart een extra duweffect wanneer hij zeer dicht bij de grond vliegt door belemmering van de luchtstroom onder de propellers. Evenzo ervaart hij trekkende kracht als hij dicht bij een plafond vliegt. Wanneer je dicht bij een muur vliegt, gaan extra vortex-achtige effecten een rol spelen. Dit effect heeft significante invloed op het dynamische gedrag van de drone tijdens een fysieke interactietaak. In tegenstelling tot de klassieke benadering om deze veranderingen in de luchtstroom te negeren, hebben we een controller ontwikkeld die het inzicht in de verandering in het dynamische gedrag benut.

Fysieke interactie met windturbinebladen voor onderhoudsdoeleinden vereist een heel ander dynamisch gedrag voor veiligheids- en prestatiedoeleinden. De klassieke positieregelaar tijdens vrije vlucht en krachtregelaar tijdens interactie alleen zijn niet voldoende om het gewenste dynamische gedrag voor de taakuitvoering te bereiken. De technische uitdagingen voor dergelijke autonome fysiek interacterende drones omvatten voornamelijk de beperkingen bij het bepalen van de precieze positie en krachtterugkoppeling, afwijzing of exploitatie van externe windverstoringen, luchtstroomobstructies en intermitterende overgang tussen interactie- en vrije-vluchtmodi. Veiligheid en stabiliteit in alle modi zijn van het grootste belang en hebben hoge prioriteit. Daarom hebben we een uniforme regelaar ontwikkeld die veilig is en zorgt voor stabiliteit in alle modi tijdens een beoogde interactie en onverwachte verstoring.

Tijdens onderhoudstaken wordt ook verwacht dat de drone interactiekrachten en koppels uitoefent terwijl hij over het oppervlak glijdt. De ontwikkelde regelaar is in staat om het gewenste dynamische gedrag te bereiken door zijn parameters aan te passen aan de gewenste taakuitvoering. In het lab hebben we laten zien dat de drone de tool tijdens de interactie over een verticaal of onregelmatig gevormd oppervlak kan laten glijden.

Test in Eemshaven

Het onderhoud van windturbinebladen kan bestaan uit reinigen, schuren, slijpen, schilderen en vullen. Voor de verschillende taken zijn verschillende gereedschappen nodig en die tools hebben verschillende eigenschappen. Het gaat ook om allerhande afhandelingsprocedures, die specifieke eisen stellen aan de eigenschappen van de drone. Bovendien hebben ze verschillende eisen aan het laadvermogen. Daarnaast stellen de benodigde grootte en richting van interactiekrachten en koppels specifieke eisen aan de typen en eigenschappen van de drone. Daartoe hebben we een modulaire drone ontworpen en gerealiseerd die eenvoudig kan worden omgebouwd voor verschillende configuraties (quad-, hexa- en octa-copters) om de gewenste payload en interactiekracht mogelijk te maken. Bovendien kunnen de rotoren kantelen om maximale interactiekracht in elke richting uit te oefenen. En de drone heeft een generieke interface om verschillende onderhoudsgereedschappen aan te sluiten.

Behalve met de interactiecontroller moet de autonome onderhoudsdrone worden uitgerust met geavanceerde perceptie om de windturbinebladen grondig te inspecteren, de anomalie robuust te detecteren en de drone ten opzichte van het turbineblad te lokaliseren. Als onderdeel van het ontwikkelproces hebben we experimenten gedaan op de Heliport van de Eemshaven. Deze experimenten omvatten een grondige en nauwkeurige visuele inspectie van het windturbineblad, wat onderdeel is van de eerste stappen die nodig zijn om echt autonome luchtinspectie en onderhoud van windturbines te realiseren.