ES2948576T3 - Sistema de inspección de palas de turbinas eólicas - Google Patents

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Abstract

Se describe un dispositivo robótico que comprende cuatro o más patas (14) que está configurado para arrastrarse sobre una superficie de una pala de turbina eólica (2) para inspección y/o mantenimiento de la pala de turbina eólica. El dispositivo robótico (10) puede programarse para arrastrarse a lo largo de un borde de ataque (3) de la pala de turbina eólica para realizar la inspección y/o el mantenimiento del borde de ataque de la pala de turbina eólica. Puede comprender un cuerpo (12) que define un eje longitudinal, comprendiendo además el dispositivo robótico una fila de patas (14) dispuestas en lados opuestos del cuerpo, comprendiendo cada una de las patas dos o más segmentos de extremidad articulados (16, 18) y un pie (40). El pie puede incluir una ventosa 28 para asegurar el dispositivo robótico a la pala de la turbina eólica. (Traducción automática con Google Translate, sin valor legal)

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema de inspección de palas de turbinas eólicas
Campo
La presente especificación se relaciona con la inspección robótica de palas de turbinas eólicas. En particular, se relaciona con dispositivos robóticos que comprenden una pluralidad de patas que pueden caminar a través de una superficie de una pala de turbina eólica.
Antecedentes
Las turbinas eólicas requieren una inspección regular para verificar si hay daños, por ejemplo, a partir de un impacto de choque de pájaro u otro objeto, así como para monitorizar erosión, por ejemplo, erosión de borde de ataque, que puede ser provocada por partículas tales como arena o gravilla, pero también por gotitas de lluvia o agua salada. De hecho, esto se está convirtiendo en un tema clave para el sector eólico fuera del litoral. Como las palas de turbinas eólicas generalmente están hechas de materiales compuestos, si la erosión se vuelve excesiva, entonces esto puede abrir el núcleo a la posible entrada de humedad y subsecuente delaminación.
Además, las turbinas eólicas a menudo están ubicadas en lugares remotos donde puede haber poblaciones de insectos significativas. Como resultado puede haber una acumulación de restos, tales como a partir de suciedad y partículas así como insectos, y esto puede afectar la eficiencia de la turbina eólica con el tiempo. La limpieza regular puede ser beneficiosa para reducir esta acumulación y mantener la eficiencia de pala.
Un problema particular que se ha identificado con las palas de turbinas eólicas modernas es que pueden ser propensas a la erosión a lo largo de su borde de ataque a partir de partículas tales como arena, o incluso a partir de gotitas tales como lluvia o agua de mar.
Se han propuesto diversas soluciones para la inspección de palas de turbinas eólicas. Actualmente, hay sistemas en su lugar que usan drones con cámaras u otros detectores para identificar daño a las palas así como a la estructura de soporte, por ejemplo, un mástil. También ha habido intentos recientes de hacer robots que sean capaces de escalar el mástil de una turbina eólica con los propósitos de inspección y mantenimiento. Algunos de estos usan electroimanes para permitir que los robots se aferren al mástil.
Sin embargo, sigue existiendo una necesidad de proporcionar un dispositivo de inspección robótico mejorado para turbinas eólicas, en particular para palas de turbinas eólicas.
El documento EP 2752621 A2 divulga un robot de mantenimiento para limpiar y realizar mantenimiento a las palas de una turbina eólica, teniendo el robot ruedas instaladas en su bastidor de tal manera que el robot pueda recorrer a lo largo de un borde de ataque de una pala e incluyendo brazos de robot de soporte, que pueden tener un rodillo en su extremo para ayudar a soportar el robot en la pala. Además se divulga que el robot puede tener una o una combinación de unidades de limpieza, unidades de inspección, y unidades de descongelación, cada una de las cuales porta el equipo y sustancias necesarias para llevar a cabo las tareas respectivas.
El documento CN 205129861 U divulga un robot de desempolvado para una pala de turbina eólica que tiene extremidades con pies compuestos de garras para agarrar los bordes de la pala de turbina, en donde el movimiento de las extremidades está controlado por varillas hidráulicas y las garras están conectadas a las extremidades a través de servomotores. El robot se divulga como siendo capaz de trepar sobre la superficie vertical plana de una pala de turbina eólica y puede controlarse de manera remota. También se divulga que el robot tiene un cepillo para cepillar los lados de las palas de turbina.
Resumen
Visto desde un aspecto, se puede ver que la presente invención proporciona un dispositivo robótico que comprende cuatro o más patas que está configurado para arrastrarse sobre una superficie de una pala de turbina eólica para la inspección de y mantenimiento de la pala de turbina eólica, en donde el dispositivo robótico comprende un cuerpo que define un eje longitudinal, comprendiendo el dispositivo robótico una fila de patas dispuestas en lados opuestos del cuerpo, comprendiendo cada una de las patas dos o más segmentos de extremidades articulados y un pie, en donde los segmentos de extremidades están articulados de una forma que permite que el dispositivo robótico se monte sobre un borde de ataque de la pala de turbina eólica con los pies de patas opuestas posicionados en lados opuestos del borde de ataque, y en donde el dispositivo robótico comprende una cámara de resina con un dispositivo para aplicar la resina como un recubrimiento a una región dañada de la pala de turbina eólica.
Esta innovadora oruga de palas, que se asemeja a una araña robótica, podría reducir significativamente los costes y riesgos actuales de las actividades de mantenimiento de palas. Adicionalmente, puede operar incluso cuando el viento es demasiado fuerte para volar drones.
En particular, el dispositivo robótico está configurado para arrastrarse a lo largo de un borde de ataque de la pala de turbina eólica para realizar la inspección y/o mantenimiento del borde de ataque de la pala de turbina eólica. Por ejemplo, la configuración de las patas (perfil y dimensiones) debe ser apropiada para permitir que el dispositivo robótico se arrastre a lo largo del borde de ataque. Además, el dispositivo robótico puede programarse para reconocer automáticamente el borde de ataque de la pala de turbina eólica y luego controlar el movimiento de sus patas de manera autónoma de tal manera que se arrastre a lo largo del borde de ataque en un dirección según punta o según raíz para realizar la acción de inspección y/o mantenimiento.
El pie de cada pata también puede ser articulado. De esta forma, el pie puede descansar sobre la superficie de la pala de turbina eólica de una manera sustancialmente perpendicular.
Por ejemplo, el pie de cada pata puede incluir una junta de tobillo y estar articulado para permitir al menos dos y preferiblemente tres grados de movimiento.
Además del movimiento de pivote o alternativamente, la junta de tobillo puede permitir el movimiento axial del pie en relación con el resto de la pata. Esto puede permitir que el pie permita movimientos de torsión de la pata en relación con el plano de la superficie de pala. De esta forma, el pie puede descansar sobre la superficie de la pala de turbina eólica (y fijarse por sí mismo firmemente a la superficie) de una manera sustancialmente perpendicular y permitir la rotación para permitir que la pata y cuerpo del robot se muevan donde sea necesario mientras el pie permanece estacionario y fijado a la pala.
Cada pata puede comprender un segmento de extremidad superior (fémur) y un segmento de extremidad inferior (tibia), estando el segmento de extremidad superior unido al segmento de extremidad inferior por una junta articulada inferior y estando el segmento de extremidad superior unido al cuerpo por una junta articulada superior. La junta articulada superior entre el cuerpo y el segmento de extremidad superior puede ser una junta de cadera (coxa), que ofrece dos grados de libertad para permitir que la pata se mueva hacia delante y a popa así como hacia arriba y hacia abajo en esta junta.
La junta articulada inferior y la junta articulada superior pueden comprender dispositivos accionadores. Los dispositivos accionadores pueden ser en la forma de servomotores. Sin embargo, también podrían ser accionadores hidráulicos y/o accionadores neumáticos.
El pie de cada pata puede comprender un dispositivo de succión para asegurar el dispositivo robótico a la superficie de la pala de turbina eólica. Por ejemplo, el pie de cada pata puede comprender una ventosa. Las ventosas pueden ser en la forma de ventosas cóncavas, por ejemplo, teniendo una relación de radio a altura de mayor que uno. Alternativamente, las ventosas pueden comprender una estructura de fuelle. Tal estructura puede ser más adaptable a la curvatura de la pala de turbina eólica. Las ventosas deben estar hechas de un material relativamente compatible, por ejemplo, un material basado en polímero.
Cada pie puede comprender un dispositivo para generar succión dentro de la ventosa. Por ejemplo, este puede ser un dispositivo que comprenda un pistón para aumentar el volumen interno de la copa y de esa manera bajar la presión en el interior para crear succión contra la superficie. Alternativamente, tal dispositivo para generar succión dentro de la ventosa puede montarse en el segmento de extremidad inferior o en otra parte de la pata. El dispositivo puede comprender un servomotor, un accionador hidráulico y/o un accionador neumático.
En una disposición alternativa, la ventosa puede conectarse mediante un tubo a un suministro neumático o hidráulico. Se puede colocar un dispositivo neumático o hidráulico en el cuerpo del dispositivo robótico, o más preferiblemente se puede ubicar remote del dispositivo robótico. De esta forma, el propio dispositivo robótico puede hacerse más ligero.
El pie de cada pata también puede estar armado con resortes de tal forma que la taza de vacío permanezca esencialmente perpendicular a la extremidad inferior del robot cuando no esté unida a una superficie. En otras palabras, cuando el dispositivo robótico está caminando, la junta de tobillo no se moverá bajo su propio peso o debido a las fuerzas de aceleración/desaceleración (o fuerzas externas similares a carga de viento) de tal manera que la taza de vacío se pueda posicionar directamente sobre la superficie de la pala con cada etapa. La fuerza de resorte puede ser proporcionada por una disposición de resorte helicoidal metálico o compuesto, arandela Belleville/cónico. La fuerza del resorte también puede ser proporcionada por una disposición de discos y/o tubos de compresión de polímero de caucho o elástico, que está configurada para restaurar el pie a una alineación sustancialmente perpendicular con una parte inferior de la pata.
En esta disposición donde se proporcionan ventosas en cada pata, para cada pata, un tubo puede extenderse desde el cuerpo hasta un segmento de extremidad inferior externamente de uno o más de los segmentos de extremidades articulados para proporcionar una línea neumática o hidráulica al pie.
El dispositivo robótico puede comprender una fila de dos patas dispuestas a cada lado del cuerpo. Por ejemplo, puede tomar la forma de un cuadrúpedo. En otra realización, el dispositivo robótico comprende una fila de tres patas dispuestas a cada lado del cuerpo, por ejemplo, como un hexágono. En otra realización, el dispositivo robótico comprende una fila de cuatro patas dispuestas en cada lado del cuerpo, por ejemplo como un octópodo. Por supuesto, el dispositivo robótico multípodo puede comprender más de ocho patas. De este modo, se puede ver que el dispositivo robótico comprende una fila de dos o más patas dispuestas en cada lado del cuerpo.
El dispositivo robótico está configurado para caminar de una manera de arrastre. El dispositivo robótico puede programarse para maniobrar cada pata independientemente de una pata adyacente de tal manera que levante y reposicione un pie en una pata independientemente de otra pata adyacente. Puede programarse para maniobrar una pata en un lado del cuerpo mientras que se mantiene una posición de una pata opuesta. Alternativamente, se puede programar para maniobrar un primer par de patas mientras que se mantiene una posición de un segundo par de patas adyacentes.
Cada segmento de extremidad articulado de las patas puede estar conectado a un segmento de extremidad adyacente o al cuerpo mediante una junta articulada, accionada individualmente. Por ejemplo, cada pata puede comprender dos juntas articuladas que tienen un eje dispuesto en una dirección que es sustancialmente paralela al eje longitudinal del cuerpo (por ejemplo, cuando la extremidad está dispuesta para extenderse perpendicularmente desde el cuerpo como se ve desde arriba), y una junta articulada adicional dispuesta en una dirección que es sustancialmente perpendicular al eje longitudinal del cuerpo.
El dispositivo robótico puede comprender una cámara. Este puede estar dispuesto en una región frontal del cuerpo, un lado inferior del cuerpo y/o dispuesto en una pata. La cámara puede ser una cámara de inspección, por ejemplo, una cámara de alta resolución con la función principal de obtener datos indicativos de la condición de la superficie de la pala de turbina eólica. Además o alternativamente, la cámara puede ser una cámara de navegación, para ayudar al dispositivo robótico en sus movimientos a través de la superficie de la pala de turbina eólica, y en particular a lo largo de un borde de ataque de la pala de turbina eólica. La cámara puede ser un sensor termográfico.
La resina podría ser una presencia de dos componentes y el dispositivo robótico puede comprender dos cámaras, una para contener un primer componente y la otra para contener un segundo componente diferente al primero, en donde cuando los componentes se mezclan durante el proceso de recubrimiento permite que la resina mezclada se endurezca. La resina podría ser, por ejemplo, una resina basada en epoxi o poliéster.
El dispositivo robótico puede comprender además o como una alternativa un aparato para limpiar la pala de turbina eólica. La acumulación de restos, por ejemplo insectos, particularmente a lo largo del borde de ataque, pueden ser un problema en términos de la eficiencia operativa de la pala de turbina eólica. El dispositivo robótico puede estar equipado con un fluido de limpieza de cámaras, y puede comprender además un cepillo o raspador para retirar los restos de la superficie de la pala de turbina eólica.
El dispositivo robótico puede estar libre de cualquier equipo auxiliar. Alternativamente, se puede usar un umbilical para conectar los ítems esenciales, por ejemplo, líneas de potencia, neumáticas, hidráulicas, de datos u otras, al dispositivo robótico. De este modo, se puede proporcionar una conexión para un umbilical en el cuerpo del dispositivo robótico, comprendiendo la conexión contactos o puertos para suministrar potencia al dispositivo robótico, una línea neumática, datos y/o fluido hidráulico. La línea neumática, si está presente, puede proporcionar una fuente de succión para los pies. Tal umbilical puede estar conectado al cuerpo en una posición alineada con un eje longitudinal del cuerpo con el fin de minimizar cualquier efecto de giro sobre el cuerpo a través de peso o carga de viento. Preferiblemente se conecta a una porción inferior o de lado inferior del cuerpo del dispositivo robótico. El umbilical puede incluir una porción flexible o conexión pivotante para minimizar la transmisión de fuerzas laterales adversas en el dispositivo robótico.
Visto desde y otro aspecto, la presente invención proporciona un dispositivo robótico que está configurado para arrastrarse sobre una superficie de una pala de turbina eólica para la inspección de y/o mantenimiento de la pala de turbina eólica, comprendiendo el dispositivo robótico un cuerpo que define un eje longitudinal, comprendiendo el dispositivo robótico además una fila de patas dispuestas en lados opuestos del cuerpo.
Las patas del dispositivo robótico pueden comprender cada una segmentos de extremidades articulados y un pie articulado, en donde cada pie comprende una ventosa para asegurar el dispositivo robótico a la superficie de la pala de turbina eólica. De esta forma, se puede hacer que el dispositivo robótico se una por sí mismo de manera segura a una superficie de una pala de turbina eólica.
La ventosa de cada pie puede estar conectada a un suministro de succión. Esto podría ser un suministro de vacío o uno de baja presión dispuesto para bajar la presión dentro de la ventosa para crear la succión contra la superficie de la pala de turbina eólica. Alternativamente, podría haber un suministro de aire a alta presión que se usa para crear succión usando un dispositivo que crea baja presión a partir de alta presión usando el principio de Bernoulli.
Visto desde otro aspecto, se puede ver que la presente invención proporciona un sistema para la inspección de y/o mantenimiento de una pala de turbina eólica, comprendiendo el sistema: una pala de turbina eólica; y un dispositivo robótico que está configurado para arrastrarse sobre una pala de turbina eólica. El dispositivo robótico puede ser como se describe en cualquiera de las declaraciones anteriores.
El sistema puede comprender además un umbilical conectado en un extremo a un suministro de potencia, una línea neumática, una conexión de datos y/o un suministro hidráulico, y conectado en el otro extremo al dispositivo robótico. Tal línea neumática puede proporcionar un suministro de succión o un suministro de aire a alta presión. La conexión de datos puede transportar instrucciones operativas al dispositivo robótico así como transportar datos de inspección de vuelta a un controlador para transmisión a una estación remota donde se pueden analizar los datos.
Visto desde aún un aspecto adicional, se puede ver que la presente invención proporciona un método de inspección y/o mantenimiento de un borde de ataque de una pala de turbina eólica, comprendiendo el método: operar un dispositivo robótico que comprende cuatro o más patas montadas sobre un borde de ataque de una pala de turbina eólica de tal manera que se arrastre a lo largo del borde de ataque para realizar una acción de inspección y/o mantenimiento del borde de ataque. Tal dispositivo robótico puede ser capaz de operar en fuerzas de viento que son demasiado altas para que operen otros dispositivos, similares a drones.
Visto desde aún un aspecto adicional, se puede ver que la presente invención proporciona un método de inspección y mantenimiento de una pala de turbina eólica, comprendiendo el método: asegurar un dispositivo robótico a una superficie de una pala de turbina eólica, comprendiendo el dispositivo robótico un cuerpo que define un eje longitudinal que está provisto de una fila de patas dispuestas en lados opuestos del cuerpo, comprendiendo cada una de las patas dos o más segmentos de extremidades articulados y un pie, y estando el dispositivo robótico configurado para arrastrarse sobre la superficie de la pala de turbina eólica, en donde los segmentos de extremidades están articulados de una forma que permite que el dispositivo robótico se monte sobre un borde de ataque de la pala de turbina eólica con los pies de patas opuestas posicionados en lados opuestos del borde de ataque, y en donde el dispositivo robótico comprende una cámara de resina con un dispositivo para aplicar la resina como un recubrimiento a una región dañada de la pala de turbina eólica; maniobrar el dispositivo robótico sobre la pala de turbina eólica, comprendiendo la maniobra operar una o más de las patas del dispositivo robótico independientemente de otras patas de tal manera que el dispositivo robótico se arrastre a lo largo de y/o sobre la superficie de la pala de turbina eólica; y realizar una acción de inspección y una acción de mantenimiento en la pala de turbina eólica.
El aseguramiento del dispositivo robótico a la pala de turbina eólica puede comprender generar succión en un punto de contacto donde los pies del dispositivo robótico están en contacto con la superficie de la pala de turbina eólica. Esto podría aplicarse a dos o más pies del dispositivo robótico, preferiblemente a todos los pies.
La maniobra puede comprender operar las patas del dispositivo robótico de tal manera que el dispositivo robótico se arrastre a lo largo de un borde de ataque de la pala de turbina eólica. El dispositivo robótico puede arrastrarse desde la raíz de la pala de turbina eólica (o cerca de la raíz) a lo largo del borde de ataque hacia la punta de la pala de turbina eólica. Incluso puede arrastrarse alrededor de la punta de la pala de turbina eólica, así como sobre la superficie restante de la pala de turbina eólica.
Como se mencionó anteriormente, el dispositivo robótico puede comprender una ventosa en cada pie y la maniobra puede comprender aplicar y liberar succión para unir y liberar la ventosa desde la pala de turbina eólica cuando se levantan y reposicionan las patas correspondientes. La maniobra puede comprender permitir que una pata que está unida a una superficie de una pala se tuerza alrededor de un eje de la pata o eje de una sección de la pata con respecto al pie de esa pata de tal manera que se mantenga la unión de la ventosa mientras que se permite un movimiento de torsión de al menos una porción de la pata, por ejemplo, cuando está siendo movida otra pata del dispositivo robótico o cuando está siendo bajado un equipo tal como un dispositivo de amoladura sobre una superficie de la pala.
El método también puede incluir una etapa de inspección de la condición de la pala de turbina eólica con una cámara portada por un dron antes de asegurar el dispositivo robótico a la pala de turbina eólica.
Se podría usar un dron para portar el dispositivo robótico a la turbina eólica, particularmente donde la turbina eólica es una turbina eólica fuera del litoral. De este modo el dispositivo robótico se puede desplegar a través de un dron. Alternativamente o además, la turbina eólica podría comprender una ubicación para almacenar un dispositivo robótico como se describió anteriormente, que luego podría liberarse sobre la pala de turbina eólica en puntos periódicos para inspeccionar y/o realizar mantenimiento sobre la pala.
La realización de una acción de inspección puede comprender inspeccionar una región de la pala de turbina eólica usando una cámara o sensor montado en el lado inferior del cuerpo y/o una pata del dispositivo robótico. El sensor puede comprender un emisor y detector ultrasónico, un sensor termográfico, un dispositivo de escaneo tridimensional, un dispositivo láser, u otro dispositivo para determinar la condición de la pala de turbina eólica.
Un controlador del dispositivo robótico puede ser capaz de controlar la posición del cuerpo en relación con los pies estáticos, proporcionando de este modo una plataforma estable que le permita realizar sus acciones de inspección y/o mantenimiento con precisión. El controlador y accionadores pueden proporcionar la capacidad de tener un control numérico por ordenador (CNC) de cinco ejes del cuerpo en relación con la superficie de pala. Se pueden unir herramientas al cuerpo, tales como una amoladora de superficies para permitir el retiro preciso del material dañado a una conformación y perfil predefinidos. Tales reparaciones facilitarían a un técnico de acceso por cuerda con su trabajo, minimizando su tiempo de exposición sobre la superficie de la pala. El dispositivo robótico podría llevar a cabo reparaciones por sí mismo tales como restablecer el perfil de borde de ataque de vuelta al perfil diseñado y fabricado después de que haya tenido lugar la erosión de borde de ataque.
El dispositivo robótico puede ser lanzado por una persona o una pequeña grúa desde la góndola de la turbina colocándolo en la raíz de la pala donde luego puede ser maniobrado a cualquier parte de la pala a áreas de interés o identificado a través de una inspección de dron como dañado.
El dispositivo robótico puede usarse para arrastrarse dentro de la pala para llevar a cabo inspecciones y reparaciones en los pequeños espacios confinados dentro de la estructura de pala. El dispositivo robótico puede llevar a cabo pruebas de continuidad de rayos para asegurar que el sistema de protección contra rayos está operando correctamente.
El dispositivo robótico también puede asperjar sobre recubrimientos superficiales, tales como recubrimientos súper hidrofóbicos para proteger la superficie de pala y minimizar la adherencia de suciedad o agua. Las aplicaciones de recubrimientos súper hidrofóbicos son potencialmente un método de reducción de la acumulación de hielo en las palas de turbinas en climas fríos.
El dispositivo robótico también puede inyectar/asperjar/aplicar resinas para evitar la entrada ambiental adicional en la estructura de pala.
Breve descripción de las figuras
Ciertas realizaciones de la presente invención se describirán ahora con mayor detalle solo a modo de ejemplo y con referencia a las figuras acompañantes en las cuales:
La figura 1 es una representación esquemática de un ejemplo de una turbina eólica que comprende palas de turbinas eólicas que se mantienen en alto sobre un mástil;
La figura 2 es una ampliación de una de las palas de turbinas eólicas con un dispositivo robótico de ejemplo que se muestra arrastrándose a lo largo de la pala de turbina eólica hacia la punta de la pala;
La figura 3 es una ampliación del dispositivo robótico de ejemplo de la figura 2 que ilustra cómo el dispositivo robótico es capaz de caminar a lo largo de un borde de ataque de la pala de turbina eólica usando un movimiento de arrastre; La figura 4 es una vista en perspectiva de un dispositivo robótico de ejemplo que está provisto de un dispositivo de amoladura;
La figura 5 es una elevación frontal del dispositivo robótico en la figura 4;
La figura 6 es una vista en perspectiva lateral del dispositivo robótico en las figuras 4 y 5;
Las figuras 7a y 7b muestran unas vistas en perspectiva de un dispositivo robótico de ejemplo que comprende un dispositivo de amoladura y un umbilical desde arriba y abajo;
La figura 8 ilustra una vista en perspectiva de otro dispositivo robótico de ejemplo;
La figura 9 ilustra una vista frontal del dispositivo robótico de ejemplo de la figura 8;
La figura 10 ilustra una vista en perspectiva de otro dispositivo robótico de ejemplo que comprende juntas de tobillo con disposiciones de resorte para desviar la ventosa a una posición donde es sustancialmente perpendicular a una porción inferior de la pata;
La figura 11a muestra una vista en perspectiva ampliada de tal disposición de resorte para una junta de tobillo y la figura 11b muestra una vista lateral y una vista en sección transversal de una junta de tobillo adicional; y
Las figuras 12a y 12b muestran una vista lateral y una vista en sección de un segmento de extremidad inferior resiliente que comprende una sección tubular resiliente que es capaz de proporcionar una fuerza de restauración similar en la ventosa.
Descripción detallada
Las turbinas 1 eólicas, similares al ejemplo ilustrado en la figura 1, se están convirtiendo en una vista familiar en el paisaje. Pueden ser turbinas eólicas basadas en tierra, o pueden estar basadas en fuera del litoral, por ejemplo como parte de un parque eólico flotante para generar electricidad. Se predice que para 2030, los parques eólicos flotantes se convertirán en la norma, con turbinas significativamente más grandes que generarán más de 15 MW de energía, en comparación con los trenes de transmisión de 7 MW actuales. A medida que se usan palas 2 cada vez más grandes en las turbinas eólicas, se depende cada vez más de materiales de peso más ligeros. La naturaleza de estos materiales y las velocidades relativas más altas de punta de pala, aumentan su susceptibilidad de su borde de ataque al daño.
Un tema clave para las operaciones y mantenimiento en el sector eólico fuera del litoral es la erosión de borde de ataque de las palas de turbinas eólicas. La subsecuente pérdida de energía producida por la turbina eólica, y con ello los ahorros de CO2 , más el coste de tener tiempo inactivo de mantenimiento no programadas si la erosión se vuelve más grave, afectan directamente al coste de la electricidad producida, la cantidad de emisiones que podrían ahorrarse y la seguridad del suministro a los clientes.
Las turbinas fuera del litoral operan en entornos duros y extremos tales como el Mar del Norte. A medida que las palas de turbinas eólicas continúan haciéndose más grandes, sus velocidades de punta pueden exceder 100 m/s. A estas velocidades, cualquier material particulado en el aire, tal como lluvia, polvo, sal, insectos, etc., puede desgastar la superficie del borde de ataque de la pala, un fenómeno conocido como erosión de borde de ataque o LEE. Esto, a su vez, altera la conformación aerodinámica de la pala, afectando la eficiencia y exponiendo potencialmente la pala a daño adicional y más grave, reduciendo de esa manera la vida útil de la pala.
Aunque los mecanismos que provocan LEE aún no se entienden completamente, se puede decir que en algún momento, todas las palas de turbinas eólicas sufrirán alguna forma o grado de LEE durante su vida útil, lo cual necesitará abordarse.
Tradicionalmente, la inspección, servicio y mantenimiento de las palas de turbinas eólicas ha sido reactivo. Por ejemplo, puede tomar la forma de fotografías basadas en suelo con seguimientos que usan técnicos de acceso por cuerda para observar los defectos identificados en las fotos. Estos técnicos luego llevan a cabo los trabajos de reparadores necesarios ya sea a través de cuerdas o, más recientemente, plataformas de trabajo instaladas alrededor de la pala. Recientemente, los drones han comenzado a reemplazar la fotografía basada en suelo para capturar las imágenes de inspección inicial y están probando ser una etapa en la dirección correcta para la inspección regular de palas.
El dispositivo 10 robótico propuesto podría usarse de manera proactiva para inspeccionar las palas 2 de turbinas eólicas durante otro tiempo inactivo de servicio. Tal dispositivo 10 robótico se muestra arrastrándose a lo largo de un borde 3 de ataque de una pala 2 de turbina eólica en la figura 2. Una ampliación del dispositivo 10 robótico se muestra en la figura 3.
El coste y los peligros a los cuales están expuestos los técnicos de acceso por cuerda al emprender trabajo reparador permanecen y aumentan significativamente fuera del litoral. Sería deseable permitir que estos seguimientos se lleven a cabo usando los avances en la robótica para reducir el nivel de intervención humana. De esta forma, entonces es posible utilizar el número limitado de técnicos expertos de manera más efectiva, permitiendo que se realice mantenimiento a más palas 2.
El dispositivo 10 robótico permitiría el registro de información detallada sobre cualquier LEE u otros defectos detectados en las palas 2. Los datos recolectados pueden transmitirse a ingenieros especialistas basados en la costa para procesamiento (junto con los datos a partir de numerosas otras inspecciones de seguimiento) y determinación de cualquier trabajo de reparación requerido. La detección y tratamiento tempranos pueden ser más económicos y más rápidos y pueden minimizar el daño adicional a las palas 2.
Como se estableció anteriormente, de acuerdo con la presente invención, se proporciona un dispositivo 10 robótico que está configurado para caminar sobre una superficie de una pala 2 de turbina eólica usando un movimiento de arrastre. El dispositivo 10 robótico puede emprender la inspección de la pala 2 de turbina eólica mientras se arrastra sobre la superficie. También puede emprender reparaciones, limpiar, o de alguna otra forma, ayudar con el mantenimiento de la pala 2 de turbina eólica.
El dispositivo 10 robótico comprende un cuerpo 12 que define un eje longitudinal A-A. El cuerpo 12 puede ser en la forma de un marco, viga, placa u otra estructura que proporcione una sección central al dispositivo 10 robótico. El cuerpo 12 puede ser en la forma de un tronco o columna central del dispositivo 10 robótico, o podría tomar una forma de un disco, elipse u otra conformación, por ejemplo una conformación orgánica, que se extiende entre las dos filas de patas 14. La conformación del cuerpo 12 no es importante, solo su función que es soportar una pluralidad de patas 14 a cada lado.
El dispositivo 10 robótico comprende dos filas de patas 14, una dispuesta en un lado del cuerpo, la otra en una disposición opuesta en el lado opuesto del cuerpo, por ejemplo, en una forma sustancialmente simétrica en los lados opuestos del eje longitudinal (A-A en la figura 3) del cuerpo 12.
El dispositivo 10 robótico puede comprender solo cuatro patas 14 y tomar la forma de un cuadrúpedo. De manera similar, el dispositivo 10 robótico puede comprender más de cuatro patas 14. En un ejemplo, el dispositivo 10 robótico comprende seis patas 14, con una fila de tres patas 14 dispuestas en cada lado del cuerpo 12, para proporcionar un robot hexápodo. En otro ejemplo, el dispositivo 10 robótico comprende ocho patas 14, con una fila de cuatro patas 14 dispuestas en cada lado del cuerpo 12 para proporcionar un robot octópodo. El dispositivo 10 robótico puede comprender diez, doce, catorce, etc., o más patas 14, según se desee por las condiciones de servicio. El dispositivo 10 robótico también podría tener posiblemente números diferentes de patas 14 a cada lado del cuerpo 12, es decir, un número impar de patas 14, si eso se sintiera deseable.
Cada pata 14 del dispositivo 10 robótico puede tomar una forma similar. Alternativamente, los pares de patas 14 pueden tener una configuración diferente de otros pares más abajo del cuerpo 12 desde un extremo de cabeza H hasta un extremo de cola T. Por ejemplo, las patas 14 pueden ser de un tamaño diferente o pueden tener una estructura diferente de acuerdo con su propósito previsto en una posición dada.
En general, el dispositivo 10 robótico puede tener una apariencia similar a insecto, similar a araña o similar a oruga a través de la provisión de las filas de patas 14 a lo largo de un cuerpo 12 central.
El dispositivo 10 robótico puede arrastrarse sobre la superficie de la pala 2 de turbina eólica levantando y reposicionando sus patas 14 en secuencia un poco más a lo largo de una trayectoria. Puede mover solo una pata 14 a la vez, aunque más usualmente moverá varias patas 14 a la vez mientras que mantiene las patas 14 restantes estacionarias. Esto podría tomar la forma de patas 14 opuestas alternas moviéndose mientras las otras opuestas alternas permanecen inmóviles. Alternativamente, el dispositivo 10 robótico puede mover un par o pares de patas 14 a la vez, mientras que mantiene otras patas 14 estacionarias. El estilo de arrastre deseado puede depender del número de patas 14 así como de la velocidad deseada de marcha.
Durante el movimiento de arrastre, las patas 14 estacionarias pueden fijarse a la superficie de la pala 2, por ejemplo, usando succión en una ventosa 28 equipada en un pie 40 de cada pata. Puede permitirse cierta torsión de las patas estacionarias durante el arrastre para facilitar el movimiento de las otras patas.
Como se puede ver en la figura 4, las patas pueden comprender cada una dos segmentos 16, 18 de extremidades, por ejemplo, un segmento 16 de extremidad superior y un segmento 18 de extremidad inferior como se ven los segmentos 16, 18 de extremidades cuando el dispositivo 10 robótico está parado sobre una superficie horizontal. El segmento 16 de extremidad superior está unido al segmento 18 de extremidad inferior por una junta 20 articulada inferior, mientras que el segmento 16 de extremidad superior puede estar unido al cuerpo 12 por una junta 22 articulada superior.
Las juntas 20, 22 articuladas inferior y superior pueden comprender dispositivos 24, 26 accionadores, que son capaces de controlar la posición angular de un segmento de extremidad entre sí. Tales dispositivos 24, 26 accionadores pueden comprender muchas formas. En un ejemplo los dispositivos 24, 26 accionadores son proporcionados por servomotores. En otro ejemplo los dispositivos 24, 26 accionadores están en la forma de accionadores hidráulicos o accionadores neumáticos.
Los segmentos 16, 18 de extremidades articulados están dimensionados y configurados para permitir que el dispositivo 10 robótico se monte sobre un borde 3 de ataque de una pala 2 de turbina eólica. De esta forma, los pies 40 de patas 14 opuestas se posicionan en lados opuestos del borde 3 de ataque. Por ejemplo, los segmentos 16, 18 de extremidades pueden estar entre 3 y 25 cm en longitud.
En la posición de montaje, los segmentos 18 de extremidades inferiores de las patas 14 pueden estar inclinados entre sí en un ángulo cerrado de entre 90° y 180° cuando el dispositivo 10 robótico se monta sobre el borde 3 de ataque. Claramente la posición de las patas 14 dependerá del espesor de la pala 2 de turbina eólica y del tamaño relativo del dispositivo 10 robótico. De este modo dependiendo del perfil de la pala 2 un ángulo cerrado típico podría estar entre 110 y 160°, 120 y 150°, y puede ser por ejemplo alrededor de 130 a 140°.
En esta posición de montaje, los segmentos 16 de extremidades superiores en una fila de patas 14 pueden estar inclinados en un ángulo de entre 30° a 110°, entre 40° a 90°, y quizás por ejemplo alrededor de 50° a 70°.
Las patas 14 del dispositivo 10 robótico soportan el cuerpo 12 en una posición sustancialmente sobre el borde 3 de ataque de la pala 2 de turbina eólica. De esta forma, el dispositivo 10 robótico puede arrastrarse a lo largo del borde 3 de ataque de la pala 2 de turbina eólica con el fin de inspeccionar o realizar alguna operación de mantenimiento.
El dispositivo 10 robótico puede comprender ventosas 28 como pies 40 para permitir que se asegure por sí misma a la pala 2 de turbina eólica mientras camina a lo largo de la superficie. El material de la pala 2 de turbina eólica usualmente es un material compuesto, por ejemplo, un compuesto de fibra de carbono, y como tal puede ser no magnético. La superficie de la pala 2 de turbina eólica puede ponerse áspera donde hay una acumulación de restos que necesitan limpieza o donde hay daño en la pala de turbina eólica a través de impacto con objetos o a través de erosión.
El dispositivo 10 robótico puede comprender equipo para inspeccionar y reparar daño en la pala 2 de turbina. Por ejemplo, el dispositivo 10 robótico puede comprender una cámara 30 que navega a lo largo de la pala 2 de turbina eólica. La cámara 30 también puede usarse para inspeccionar la superficie de la pala 2 de turbina eólica o una cámara adicional podría proporcionarse para ese propósito. El dispositivo 10 robótico puede comprender además un dispositivo 32 de amoladura, para amolar la superficie de la pala 2 de turbina eólica antes de aplicar una reparación, por ejemplo, un recubrimiento de material resinoso tal como una resina epoxi o poliéster.
Las figuras 5 y 6 muestran un dispositivo 10 robótico de ejemplo desde el frente así como desde un lado.
Las figuras 7a y 7b muestran un dispositivo 10 robótico de ejemplo que comprende un umbilical 34. El umbilical 34 puede usarse para portar potencia, un suministro neumático, un suministro hidráulico y/o datos al dispositivo 10 robótico. El otro extremo del umbilical 34 puede unirse al equipo auxiliar ubicado en la parte superior del mástil de turbina eólica.
Como se muestra en la figura 7b, el dispositivo 10 robótico puede comprender cámaras o sensores 36 adicionales en su lado inferior.
Las figuras 8 y 9 ilustran vistas en perspectiva de un dispositivo 10 robótico adicional que comprende ventosas 28 en la forma de estructuras o tolvas de fuelle. Los tubos 38 se usan para suministrar líneas hidráulicas y/o neumáticas a los pies 28 de succión.
La figura 10 ilustra una vista en perspectiva de otro dispositivo 10 robótico que incluye pies que comprenden ventosas 28. Estas se proporcionan como ventosas 28 en forma de plato, aunque también serían posibles otras formas de ventosa 28.
Como se muestra, cada pata 14 comprende un segmento de extremidad superior (fémur) 16 y un segmento de extremidad inferior (tibia) 18, estando el segmento 16 de extremidad superior unido al segmento 18 de extremidad inferior por una junta 20 articulada inferior (rodilla) y estando el segmento 16 de extremidad superior unido al cuerpo 12 por una junta 22 articulada superior. La junta 22 articulada superior entre el cuerpo 12 y el segmento 16 de extremidad superior es una junta de cadera (coxa), que ofrece dos grados de libertad para permitir que la pata 14 se mueva hacia adelante y a popa así como hacia arriba y hacia abajo en esta junta.
Además, cada pata 14 está provista de un pie 40 que está conectado al segmento 18 de extremidad inferior mediante una junta articulada. Esto puede ser en la forma de junta de rótula o a través de una conexión flexible como se describirá además a continuación.
Las figuras 11a y 11b muestran una ampliación del detalle de pie de la figura 10. En la figura 11a, el pie 40 comprende una ventosa 28 que está montada en una sección inferior de la extremidad 18 inferior. Se puede proporcionar un resorte 42 helicoidal u otra disposición de resorte, por ejemplo una pluralidad de arandelas 44 Belleville apiladas (véanse las arandelas cónicas en la porción izquierda de la figura 11b) para crear una disposición resiliente que proporciona una fuerza de restauración para retornar la ventosa 28 a una posición donde se dispone sustancialmente en ángulos rectos con el eje X-X de la extremidad 18 inferior.
La disposición resiliente puede ayudar a evitar el movimiento no deseado del pie 40 con respecto al segmento 18 de extremidad inferior a través de los efectos de gravedad, fuerzas de aceleración/desaceleración durante el movimiento o a través de fuerzas externas tales como carga de viento en la ventosa 28 a medida que está siendo movida a través de la pala 2. De esta forma, el dispositivo 10 robótico puede ser capaz de arrastrarse más fácilmente a través de la superficie de la pala 2 y obtener un punto de apoyo seguro más rápidamente en condiciones adversas.
Como se puede ver en la porción derecha de la figura 11b, la extremidad 18 inferior puede comprender dos secciones 18a, 18b axiales que están unidas por una junta de rótula para permitir la articulación del pie 40 con respecto a la extremidad 18 inferior. De esta forma, el pie 40 está provisto de una junta 46 de tobillo articulada.
La junta 46 de tobillo puede permitir un rango de movimiento de inclinación de la ventosa 28 con respecto a un eje X­ X del segmento 18 de extremidad inferior, como se indica por el ángulo 0. Sin embargo cualquier inclinación o deflexión de la ventosa 28 con respecto al eje X-X es resistida por la desviación de una fuerza de restauración desde la disposición resiliente, manteniendo una configuración sustancialmente perpendicular para el pie con respecto al eje X-X del segmento de extremidad inferior cuando se levanta de la superficie de la pala 2.
Además, la junta 46 de tobillo puede permitir que la ventosa 28 se tuerza alrededor del eje X-X con respecto a la sección 18 de extremidad inferior como se indica por la flecha. Esto permite que el pie 40 permanezca firmemente unido a la superficie de la pala 2 mientras que permite cierto movimiento de torsión en la pata 14 del dispositivo 10 robótico, por ejemplo, mientras el dispositivo 10 robótico está moviéndose a otra pata 14.
También es evidente en la vista en sección transversal de la figura 11b que se puede proporcionar un pasaje 48 que se extiende axialmente a través de las dos secciones 18a, 18b del segmento 18 de extremidad inferior así como la junta de rótula de la junta 46 de tobillo para acoplar un fuente de succión (no se muestra, pero podría ser a través del umbilical 34) con la ventosa 28.
Las figuras 12a y 12b muestran una disposición alternativa de pie y tobillo donde el segmento 18 de extremidad inferior comprende una sección resiliente, por ejemplo, que comprende un miembro tubular de caucho o uno de polímero elastomérico, que puede incluir formaciones para promover la articulación contra una desviación. De este modo el segmento de extremidad inferior puede comprender una porción flexible en el segmento 18 de extremidad inferior que puede adaptarse a una cantidad limitada de inclinación. La conexión de esta parte a la ventosa 28 o a la junta 20 de rodilla articulada puede disponerse para permitir la torsión de la ventosa 28 alrededor del eje X-X del segmento 18 de extremidad inferior como se indica por la flecha. De nuevo se puede incluir un pasaje 48 dentro del segmento 18 de extremidad inferior para acoplar una fuente de succión con la ventosa 28.
El dispositivo robótico de la figura 10 puede incluir además un dispositivo 32 de amoladura, una cámara 30 y un umbilical como se describe en las realizaciones anteriores.

Claims (15)

REIVINDICACIONES
1. Un dispositivo (10) robótico que comprende cuatro o más patas (14) que está configurado para arrastrarse sobre una superficie de una pala (2) de turbina eólica para inspección de y mantenimiento de la pala de turbina eólica, en donde el dispositivo robótico comprende un cuerpo (12) que define un eje longitudinal, comprendiendo el dispositivo robótico una fila de patas (14) dispuestas en lados opuestos del cuerpo, comprendiendo cada una de las patas dos o más segmentos (16, 18) de extremidades articulados y un pie (40),
en donde los segmentos (16, 18) de extremidades están articulados de una forma que permite que el dispositivo robótico se monte sobre un borde (3) de ataque de la pala (2) de turbina eólica con los pies (40) de patas opuestas posicionados en lados opuestos del borde de ataque, y
en donde el dispositivo (10) robótico comprende una cámara de resina con un dispositivo para aplicar la resina como un recubrimiento a una región dañada de la turbina eólica.
2. Un dispositivo (10) robótico como se reivindica en la reivindicación 1, en donde el dispositivo robótico está programado para arrastrarse a lo largo del borde (3) de ataque de la pala (2) de turbina eólica para realizar inspección y mantenimiento del borde de ataque de la pala de turbina eólica.
3. Un dispositivo (10) robótico como se reivindica en la reivindicación 1 o 2, en donde cada pie (40) está conectado a un segmento (18) de extremidad articulado de una pata (14) del dispositivo robótico mediante una junta (46) de tobillo que permite que el pie se tuerza alrededor de un eje de la pata, y/o permite que el pie se incline con respecto a la pata, preferiblemente contra una desviación de restauración.
4. Un dispositivo (10) robótico como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde cada pata comprende un segmento (16) de extremidad superior y un segmento (18) de extremidad inferior, estando el segmento de extremidad superior unido al segmento de extremidad inferior mediante una junta (20) articulada inferior y estando el segmento de extremidad superior unido al cuerpo mediante una junta (22) articulada superior, y preferiblemente en donde la junta articulada inferior y la junta articulada superior comprenden dispositivos (24, 26) accionadores.
5. Un dispositivo (10) robótico como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde el pie de cada pata comprende una ventosa (28), preferiblemente en la forma de una copa cóncava o que comprende una estructura de fuelle, opcionalmente en donde la ventosa se conecta a un suministro neumático mediante un tubo que lleva al cuerpo.
6. Un dispositivo (10) robótico como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde el dispositivo robótico comprende una fila de tres o más patas dispuestas en cada lado del cuerpo, opcionalmente en donde cada pata comprende dos juntas articuladas que tienen un eje dispuesto en una dirección que es sustancialmente paralela al eje longitudinal del cuerpo, y una junta articulada adicional dispuesta en una dirección que es sustancialmente perpendicular al eje longitudinal del cuerpo.
7. Un dispositivo (10) robótico como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde el dispositivo robótico comprende una cámara (30), un sensor, un dispositivo (32) de amoladura y/o un aparato para limpiar la pala de turbina eólica.
8. Un dispositivo (10) robótico como se reivindica en cualquier reivindicación precedente, en donde el dispositivo robótico está configurado para arrastrarse dentro de la pala de turbina eólica para llevar a cabo inspecciones y reparaciones en los pequeños espacios confinados dentro de la pala de turbina eólica.
9. Un sistema para inspección de y mantenimiento de una pala (2) de turbina eólica, comprendiendo el sistema: una pala (2) de turbina eólica; y
un dispositivo (10) robótico que está configurado para arrastrarse sobre una pala de turbina eólica como se reivindica en cualquier reivindicación precedente,
comprendiendo opcionalmente el sistema un umbilical conectado en un extremo a un suministro de potencia, una línea neumática, conexión de datos y/o suministro de agua, y conectado en el otro extremo al dispositivo robótico.
10. Un método de inspección y mantenimiento de una pala (2) de turbina eólica, comprendiendo el método: asegurar un dispositivo (10) robótico a una superficie de una pala (2) de turbina eólica, comprendiendo el dispositivo robótico un cuerpo que define un eje longitudinal que está provisto de una fila de patas (14) dispuestas en lados opuestos del cuerpo (12), comprendiendo cada una de las patas dos o más segmentos (16, 18) de extremidades articulados y un pie (40), y estando el dispositivo robótico configurado para arrastrarse sobre la superficie de la pala de turbina eólica, en donde los segmentos de extremidades están articulados de una forma que permite que el dispositivo robótico se monte sobre un borde (3) de ataque de la pala de turbina eólica con los pies (40) de patas (14) opuestas posicionados en lados opuestos del borde de ataque, y en donde el dispositivo (10) robótico comprende una cámara de resina con un dispositivo para aplicar la resina como un recubrimiento a una región dañada de la pala de turbina eólica;
maniobrar el dispositivo (10) robótico sobre la pala (2) de turbina eólica, comprendiendo la maniobra operar una o más de las patas (14) del dispositivo robótico independientemente de otras patas de tal manera que el dispositivo robótico se arrastre a lo largo y/o sobre la superficie de la pala de turbina eólica; y
realizar una acción de inspección y una acción de mantenimiento sobre la pala de turbina eólica.
11. Un método como se reivindica en la reivindicación 10, en donde asegurar el dispositivo (10) robótico a la pala (2) de turbina eólica comprende generar succión en un punto de contacto donde los pies (40) del dispositivo robótico están en contacto con la superficie de la pala de turbina eólica.
12. Un método como se reivindica en la reivindicación 10 u 11, en donde la maniobra comprende operar las patas (14) del dispositivo (10) robótico de tal manera que el dispositivo robótico se arrastre a lo largo del borde (3) de ataque de la pala (2) de la turbina eólica, en donde opcionalmente el dispositivo robótico comprende una ventosa (28) en cada pie y la maniobra comprende aplicar y liberar succión para unir y liberar la ventosa desde la pala de turbina eólica cuando se levantan y reposicionan las patas correspondientes.
13. Un método como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 10 a 12, en donde el método incluye una etapa de inspeccionar la condición de la pala (2) de turbina eólica con un dron antes de asegurar el dispositivo (10) robótico, en donde opcionalmente realizar una acción de inspección comprende inspeccionar una región de la pala de turbina eólica usando una cámara (30) y/o un sensor montado en el lado inferior del cuerpo (12) y/o una pata (14) del dispositivo robótico.
14. Un método como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 10 a 13, en donde realizar una acción de mantenimiento comprende amolar una región de la pala (2) de turbina eólica usando un dispositivo (32) de amoladura.
15. Un método como se reivindica en cualquiera de las reivindicaciones 10 a 14, comprendiendo el método llevar a cabo pruebas de continuidad de rayos para asegurar que un sistema de protección contra rayos de la pala de turbina eólica está operando correctamente.
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