Ein glänzender silberner Roboter fährt auf einer Spur in einem Bezirksgefängnis in Dublin, Kalifornien, entlang und hält neben einer Reihe von Sonnenkollektoren, die von einem riesigen Arm gestützt werden. Der Roboter rastet an der Basis des Arms ein und dreht ihn langsam, wobei er die Vorderseite der Paneele wie Blumen zur Sonne neigt. Indem der Roboter die Sonnenkollektoren so abwinkelt, können die Kollektoren mehr Strahlen fangen und mehr Energie produzieren.
Dieser Roboter, ungefähr so groß wie ein Mikrowellenherd, stammt von QBotix, einem dreijährigen Unternehmen aus dem Silicon Valley, das seine Entwicklung im vergangenen Jahr vorgestellt hat. Während das Kippen von Sonnenkollektoren zur Verfolgung der Sonnenbewegung kein neues Konzept ist, hat QBotix einen neuartigen Ansatz entwickelt, der die in den letzten zwei Jahrzehnten erzielten Fortschritte in der Robotertechnologie nutzt. Wenn sich die Idee als erfolgreich erweist, könnte dies zu einer günstigeren Nutzung erneuerbarer Energien und einer effizienteren Nutzung des Bodens für große Solaranlagen führen.
Solche Innovationen sind wichtig, wenn mit Solarstrom Kosten erzielt werden sollen, die mit Strom aus fossilen Brennstoffen wie Kohle und Erdgas vergleichbar sind. Und in einer Zeit, in der viele Solaranlagen für abgelegene Wüstenregionen gebaut oder geplant werden, in denen viel Sonnenlicht und große Flächen unbebauten Bodens vorhanden sind, bietet die Robotik eine Möglichkeit, die Notwendigkeit für Mitarbeiter vor Ort zu minimieren, Sonnenkollektoren zu reinigen, zu reparieren und zu überwachen und Tracking-Ausrüstung.
Der Bau eines großen Solarkraftwerks erfordert heute in der Regel eine Armee von Arbeitern, die unter anderem Gräben ausheben, Beton gießen, Bäume entfernen, Balken schweißen und Materialien verteilen müssen. Sobald ein Projekt angelaufen ist, beschäftigen die Anlagenbetreiber normalerweise Mitarbeiter, um die Paneele mit einem Schlauch und einer riesigen Rakel oder mit schweren Maschinen, die mit einem mechanischen Arm zum Sprühen und Abwischen ausgestattet sind, zu reinigen. Andere Mitarbeiter müssen problematische Panels und Teile reparieren oder austauschen, und Betreiber von Solaranlagen stellen manchmal Piloten ein, die über ihre Arrays fliegen und Infrarotbilder aufnehmen, um Risse, Kurzschlüsse und andere Fehlfunktionen zu erkennen, die zu einer Erwärmung eines Panels führen. Das Kippen der Sonnenkollektoren zur Verfolgung der Sonne erfolgt, wenn überhaupt, mithilfe von Hunderten teurer Motoren und Tonnen Stahl.
Das Design von QBotix, das an fünf Pilotstandorten in Kalifornien, Arizona und Japan zum Einsatz kommt, lässt Roboter entlang einer erhöhten Einschienenbahn fahren, die neben Reihen von Sonnenkollektoren aufgebaut ist. Jeder batteriebetriebene Bot ist so programmiert, dass er mehr als eintausend Panels in einer sorgfältig choreografierten Reihenfolge anpasst und jedes Panel in seiner zugewiesenen Herde alle 40 Minuten um 10 Grad kippt, um mit dem Lichtbogen der Sonne Schritt zu halten. Wenn der Akku fast leer ist, manövriert sich der Roboter zu einem Ladepunkt auf der Einschienenbahn und steckt ihn ein.
"Sie möchten so viel Energie wie möglich aus den Sonnenkollektoren gewinnen, weil diese Energie Ihre Einnahmen sind", sagt Wasiq Bokhari, Gründer und CEO von QBotix. Energieversorger sind häufig bereit, eine Prämie für erneuerbaren Strom zu zahlen, der in Zeiten hoher Nachfrage, wie zum Beispiel am Nachmittag, geliefert wird, was zum großen Teil auf ehrgeizige Mandate für erneuerbare Energien durch staatliche oder lokale Regierungen zurückzuführen ist. Diese Anstrengungen zur Reduzierung der CO2-Emissionen haben einen Boom in der Entwicklung von Solaranlagen ausgelöst, insbesondere in westlichen Bundesstaaten wie Kalifornien, wo die Energieversorger den Anteil an erneuerbarem Strom bis 2020 auf 33 Prozent erhöhen müssen.
In einem konventionellen Solarpark sind die Paneele der nördlichen Hemisphäre permanent nach Süden ausgerichtet (im südlichen Winkel fangen die nach Norden ausgerichteten Paneele mehr Sonne ein). Bei diesem Design, das als „Fixed Tilt“ -Paneele bezeichnet wird, sind die Paneele jedoch nur wenige Stunden pro Tag direkt der Sonne zugewandt.
Um mehr Strom aus jedem Modul herauszuholen, haben große Solarprojektentwickler in den letzten Jahren damit begonnen, die Stahlkonstruktion, die die einzelnen Solarmodule trägt, mit einem System aus Motoren, Sensoren und anderen Geräten auszustatten. Dieses als Tracker bezeichnete System erhöht die Energieabgabe, indem die Panels automatisch gedreht werden, um sie an den Sonnenstrahlen auszurichten.
Tracker sind jedoch teuer. Jeder Tracker verfügt über einen eigenen Motor und ein eigenes Getriebe, um mehrere Panels zu drehen. Sie funktionieren am besten auf einer ebenen Fläche, daher muss der Boden uneben sein. Dies erhöht die Kosten und kann die Umwelt auf eine Weise belasten, die es schwieriger macht, Genehmigungen zu erhalten. Und nur die teuersten Systeme kippen die Paneele um zwei Achsen - Ost-West und Nord-Süd - und ermöglichen so eine maximale Sonneneinstrahlung zu allen Jahreszeiten. (Niedrigpreisversionen kippen die Paneele nur von Ost nach West.) Infolgedessen müssen die Projektbesitzer bei herkömmlichen Nachverfolgungssystemen entscheiden, ob sie mehr Zeit und Geld investieren, um zusätzliche Energie zu erzeugen, oder ob sie sich für ein kostengünstigeres System mit geringeren Einnahmen entscheiden.
Roboter können ein fröhliches Medium bieten und bieten den niedrigeren Preis eines einachsigen Trackersystems mit der höheren Energieleistung eines erstklassigen zweiachsigen Systems. „Traditionelle Zweiachs-Tracker benötigen mehr Motoren und Stahl“, sagt Randy Wu, General Manager für Entwicklung bei Trina Solar, einem Hersteller von Solarmodulen und Projektentwickler, der plant, die Technologie von QBotix in den von ihm gebauten Anlagen für Investoren als Option anzubieten. „Der Ansatz von QBotix ist sehr unterschiedlich“, fügt er hinzu, weil ein QBotix-Roboter die Arbeit von Hunderten von Zweiachsentrackern übernehmen kann. Das Design macht die Installation von Motoren überflüssig, und die erhöhte Schiene macht das Sortieren überflüssig. "Sie kontrollieren die Umwelt, indem sie die Robotik auf eine Schiene bringen", sagt Geoffrey Kinsey, Direktor für Photovoltaik-Technologien am Bostoner Fraunhofer-Zentrum für Nachhaltige Energiesysteme.
Bokhari sagt, dass der Einsatz von Robotern zum Kippen von Paneelen dem Hinzufügen eines Turboladers zu Ihrem Motor gleicht. Und sie können auch andere Arbeiten ausführen. In der Welt des Baus und Betriebs von Solarkraftwerken, die noch weitgehend auf Handarbeit beruht, ist die Robotik ein aufkommender Trend. Einige Unternehmen, wie Alion Energy und Greenbotics, haben Roboter entwickelt, um den klebrigen, sonnenblockierenden Staub, der sich auf Sonnenkollektoren ansammelt, wegzuwischen. Ein anderes Design von Alion installiert Sonnenkollektoren und Montagezubehör.
In der Vergangenheit hat sich die Entwicklung von Robotern als Ersatz für Menschen für einige Branchen als entmutigende Aufgabe erwiesen, da Roboter nur begrenzte Aufgaben ausführen und sich nicht an sich ändernde Umgebungen anpassen oder für neue Aufgaben geschult werden können, so Kinsey. Bis vor kurzem war der Einsatz von Robotern deshalb teurer und riskanter als die Einstellung von Menschen für Arbeiten wie Bauarbeiten und elektrische Reparaturen. Die Entwicklung von Robotern für den Außenbereich ist daher eine besondere Herausforderung.
Laut Kinsey haben leistungsstärkere Prozessoren, Sensoren und ausgefeilte Software dazu beigetragen, die Größe von Industrierobotern zu verringern und sie mobiler und intelligenter für komplexere Aufgaben zu machen. Er verweist auf das in Boston ansässige Unternehmen Rethink Robotics, das im vergangenen Jahr einen Roboter vorgestellt hat, der lernen kann, verschiedene Aufgaben an einer Fertigungsstraße auszuführen und auf Änderungen wie verlegte Teile zu reagieren. Ein anderes Unternehmen namens Kiva Systems (2012 von Amazon übernommen) liefert Roboterflotten an Lagerhäuser im ganzen Land. Die mobilen orangefarbenen Roboter, die von einem zentralen Computer gesteuert werden, tummeln sich auf den Lagerböden und scannen am Boden Barcodes, um Artikel aus den Regalen für den Versand zu entnehmen. Im kalifornischen Werk von Tesla Motors können Roboter an der hochautomatisierten Montagelinie des Unternehmens zwischen verschiedenen Funktionen wechseln. "Sie sind wie Edward Scissorhands", sagt Kinsey.
Designs verbessern sich. Die Roboter von QBotix sind mit GPS, Sensoren und drahtlosen Kommunikationsgeräten ausgestattet, um ihre Arbeit aufzuzeichnen und zu protokollieren. In diesem Sommer stellte das Unternehmen eine optimierte Version seines Robot-on-Rails-Systems vor, das einen kleineren, leichteren und schnelleren Bot vorstellt, der alle 40 Minuten 340 Kilowatt Sonnenkollektoren verwalten kann. Das ist ein Array, das groß genug ist, um die Dächer von 85 typischen Einfamilienhäusern in Kalifornien zu bedecken. "Es ist ein aerodynamisches Design für Robustheit und Geschwindigkeit - als ob Sie einen Hummer mit einem Lamborghini heiraten", sagt Bokhari.
Laut QBotix könnte die Technologie mit einachsigen Trackern bis zu 15 Prozent mehr Strom produzieren als ein Projekt - ohne zusätzliche Kosten. "QBotix ist einen Sprung voraus, weil es die Kosten erheblich senkt", sagt Wu. "Es ist sehr ansprechend."
Das Unternehmen plant, seine Technologie über die Verfolgungsroboter hinaus zu entwickeln. Das Team von 15 Ingenieuren arbeitet an einem neuen Roboter, der Solarmodule säubern und Risse oder andere Probleme mit Solarmodulen und Geräten erkennen soll, so Bokhari. Die Idee ist, dasselbe Schienensystem mit unterschiedlichen Robotern für die Arbeit zu verwenden oder ein System nur für die Reinigungs- und Inspektionsroboter einzurichten.
Kinsey zufolge ist die Verwendung von Robotern zum Anpassen von Sonnenkollektoren eine gute Idee, doch der Tag, an dem Roboter die Menschen beim Bau und Betrieb von Sonnenkraftwerken überholen werden, ist noch weit entfernt. Versorger, die Strom von Solarentwicklern kaufen möchten, möchten die Strompreise für 20 Jahre oder länger einschränken. Interessierte Kunden möchten daher die Gewissheit haben, dass neue Technologien von neuen Unternehmen wie QBotix und ihren Kollegen langfristig zuverlässig sind. Bei jeder Runde der Strecke sammeln die Roboter Daten, um sich zu rechtfertigen.
