Een glimmende zilveren robot ritst langs een spoor bij een gevangenis in Dublin, Californië, en stopt naast een set zonnepanelen gestut door een gigantische arm. De robot vergrendelt aan de basis van de arm en draait deze langzaam, waarbij het gezicht van de panelen als bloemen naar de zon kantelt. Door de zonnepanelen zo te kantelen, helpt de robot de panelen meer stralen op te vangen en meer energie te produceren.
Deze robot, ongeveer zo groot als een magnetron, is het geesteskind van QBotix, een driejarig bedrijf gevestigd in Silicon Valley dat vorig jaar zijn creatie onthulde. Hoewel het kantelen van zonnepanelen om de beweging van de zon te volgen, geen nieuw concept is, heeft QBotix een nieuwe aanpak bedacht die gebruikmaakt van de vooruitgang in de robottechnologie die de afgelopen twee decennia is gemaakt. Als het idee succesvol blijkt, kan dit leiden tot goedkopere duurzame energie en een efficiënter gebruik van land voor grote zonne-installaties.
Dergelijke innovaties zijn belangrijk als zonne-elektriciteit kosten moet realiseren die vergelijkbaar zijn met die van fossiele brandstoffen zoals steenkool en aardgas. En in een tijd waarin veel zonnepanelen worden gebouwd of gepland voor afgelegen woestijngebieden, waar zonlicht en brede delen van onontwikkeld land overvloedig aanwezig zijn, bieden robotica een manier om de behoefte aan on-site werknemers om zonnepanelen schoon te maken, te repareren en te bewaken te minimaliseren en volgapparatuur.
De bouw van een grootschalige zonne-energiecentrale vereist tegenwoordig meestal legers van werkkrachten om greppels te graven, beton te gieten, bomen te verwijderen, balken te lassen en materialen te verdelen. Als een project eenmaal van start is gegaan, stellen fabrieksexploitanten meestal mensen in dienst om de panelen te reinigen met een slang en een grote zuigmond, of zware machines uitgerust met een mechanische arm voor spuiten en vegen. Andere werknemers zijn nodig om problematische panelen en onderdelen te repareren of te vervangen, en exploitanten van zonnepanelen huren soms piloten in om over hun arrays te vliegen en infraroodbeelden te maken om scheuren, kortsluiting en andere storingen te detecteren waardoor een paneel warm wordt. Het kantelen van zonnepanelen om de zon te volgen wordt bereikt, of helemaal niet, door middel van honderden kostbare motoren en tonnen staal.
Het ontwerp van QBotix, ingezet op vijf pilootlocaties in Californië, Arizona en Japan, stuurt robots langs een verhoogde monorail gebouwd langs rijen zonnepanelen. Elke batterij-aangedreven bot is geprogrammeerd om meer dan duizend panelen aan te passen in een zorgvuldig gechoreografeerde volgorde, waarbij elk paneel in de toegewezen kudde elke 40 minuten 10 graden wordt gekanteld om gelijke tred te houden met de boog van de zon. Wanneer de batterij bijna leeg is, manoeuvreert de robot zichzelf naar een oplaadpunt bovenop de monorail en wordt deze aangesloten.
"U wilt zoveel mogelijk energie uit de zonnepanelen produceren omdat die energie uw inkomsten is", zegt Wasiq Bokhari, oprichter en CEO van QBotix. Nutsbedrijven zijn vaak bereid een premie te betalen voor hernieuwbare energie die wordt geleverd in tijden van grote vraag, zoals halverwege de middag, grotendeels vanwege ambitieuze mandaten voor hernieuwbare energie door de staat of lokale overheden. Deze inspanningen om de CO2-uitstoot te verminderen hebben geleid tot een explosie van de ontwikkeling van zonne-energiecentrales, met name in westerse staten zoals Californië, waar nutsbedrijven de hoeveelheid hernieuwbare elektriciteit in hun leveringen tegen 2020 tot 33 procent moeten verhogen.
In een conventioneel zonnepark zijn panelen op het noordelijk halfrond permanent gepositioneerd om naar het zuiden te zijn gericht (in de zuidelijke hoek vangen panelen op het noorden meer zon). Maar met dit ontwerp, bekend als 'fixed-tilt', worden panelen slechts een paar uur per dag rechtstreeks naar de zon gericht.
Om meer elektriciteit uit elk paneel te persen, zijn grote zonne-projectontwikkelaars de afgelopen jaren begonnen met het toevoegen van een systeem van motoren, sensoren en andere uitrusting aan de stalen structuur die elk zonnepaneel ondersteunt. Dit systeem, een tracker genoemd, helpt om de energie-output te verhogen door panelen automatisch te roteren om ze op de zonnestralen gericht te houden.
Trackers zijn echter duur. Elke tracker heeft zijn eigen motor en versnelling om een set van meerdere panelen te roteren. Ze werken het beste op een vlakke ondergrond, dus oneffen grond moet worden gesorteerd. Dit voegt kosten toe en kan het milieu zodanig beïnvloeden dat het moeilijker wordt om vergunningen te verkrijgen. En alleen de duurste systemen kantelen panelen op twee assen - oost-west en noord-zuid - waardoor maximale blootstelling aan de zon tijdens alle seizoenen mogelijk is. (Lagere kostenversies kantelen panelen alleen oost-west.) Daarom dwingen conventionele volgsystemen projecteigenaren om te kiezen tussen extra tijd en geld te investeren om extra energie te genereren of te kiezen voor een goedkoper systeem dat minder inkomsten zal genereren.
Robots kunnen een gelukkig medium bieden, met de lagere prijs van een enkelassig trackersysteem met de hogere energie-output van een premium dubbelassig systeem. "Traditionele tweeassige trackers vereisen meer motoren en staal", zegt Randy Wu, algemeen ontwikkelingsmanager bij Trina Solar, een zonnepaneelmaker en projectontwikkelaar die van plan is de technologie van QBotix als optie aan te bieden in de fabrieken die het voor investeerders bouwt. "De aanpak van QBotix is heel anders", voegt hij eraan toe, omdat één QBotix-robot het werk van honderden dubbelassige trackers kan doen. Het ontwerp elimineert de noodzaak om een veld van motoren te installeren en de verhoogde rail maakt nivellering overbodig. "Ze beheersen het milieu door robotica op een spoor te zetten", zegt Geoffrey Kinsey, directeur van fotovoltaïsche technologieën bij het in Boston gevestigde Fraunhofer Center for Sustainable Energy Systems.
Bokhari gebruikt robots om panelen te kantelen, "is als het toevoegen van een turbolader aan je motor." En ze kunnen ook andere taken uitvoeren. In de wereld van de bouw en exploitatie van zonne-energiecentrales, die nog steeds grotendeels afhankelijk is van handarbeid, is robotica een opkomende trend. Sommige bedrijven, zoals Alion Energy en Greenbotics, hebben robots ontwikkeld om het kleverige, zonblokkerende stof dat zich ophoopt op zonnepanelen weg te vegen. Een ander ontwerp van Alion installeert zonnepanelen en bevestigingsapparatuur.
Historisch gezien is engineering van robots om mensen te vervangen een ontmoedigende taak gebleken voor sommige industrieën, omdat robots slechts een beperkte taak uitvoeren en zich niet kunnen aanpassen aan een veranderende omgeving of getraind kunnen worden voor nieuwe taken, zegt Kinsey. Tot voor kort heeft dat robots een duurdere en riskantere investering gemaakt dan mensen inhuren voor klussen als de bouw en elektrische reparaties. Het maakt het ontwerpen van robots voor buitengebruik ook bijzonder uitdagend.
De opkomst van krachtigere processors, sensoren en geavanceerde software heeft ertoe bijgedragen dat industriële robots kleiner zijn geworden en mobieler en slimmer zijn geworden bij het uitvoeren van complexere taken, zegt Kinsey. Hij wijst bijvoorbeeld op het in Boston gevestigde Rethink Robotics, dat vorig jaar een robot onthulde die in staat was verschillende taken uit te voeren op een assemblagelijn in de fabriek en reageerde op veranderingen zoals verkeerd geplaatste onderdelen. Een ander bedrijf, genaamd Kiva Systems (overgenomen door Amazon in 2012), levert vloten van robots aan magazijnen in het hele land. Gecontroleerd door een centrale computer, zoemen de mobiele oranje robots rond magazijnvloeren en scannen ze barcodes op de grond om items uit de schappen te halen voor verzending. En in de fabriek van Tesla Motors in Californië kunnen robots op de sterk geautomatiseerde assemblagelijn van het bedrijf schakelen tussen meerdere functies. "Ze zijn als Edward Scissorhands, " zegt Kinsey.
Ontwerpen verbeteren. De robots van QBotix zijn uitgerust met GPS, sensoren en draadloze communicatieapparatuur om hun werk op te nemen en te rapporteren. En het bedrijf onthulde deze zomer een gestroomlijnde versie van zijn robots-op-rails-systeem, met een kleinere, lichtere en snellere bot die elke 40 minuten 340 kilowatt zonnepanelen kan beheren. Dat is een reeks die groot genoeg is om de daken van 85 typische eengezinswoningen in Californië te bedekken. "Het is een aerodynamisch ontwerp voor robuustheid en snelheid - alsof je een Hummer met een Lamborghini trouwt", zegt Bokhari.
QBotix zegt dat zijn technologie tot 15 procent meer elektriciteit zou kunnen produceren dan een project met eenassige trackers - zonder extra kosten. "QBotix is een sprong voorwaarts omdat het de kosten ver naar beneden heeft gebracht", zegt Wu. "Het is erg aantrekkelijk, "
Het bedrijf heeft plannen om zijn technologie verder te ontwikkelen dan tracker-robots. Het team van 15 ingenieurs werkt aan een nieuwe robot die zonnepanelen zou reinigen en scheuren of andere problemen met zonnepanelen en apparatuur zou detecteren, zegt Bokhari. Het idee is om hetzelfde railsysteem te gebruiken, maar verschillende robots om het werk te doen, of om een systeem op te zetten alleen voor de reinigings- en inspectierobots.
Hoewel het gebruik van robots om zonnepanelen aan te passen een goed voorstel is, zegt Kinsey, dat de dag waarop robots mensen zullen inhalen bij het grootste deel van het bouwen en exploiteren van zonnecentrales nog ver weg is. Nutsbedrijven die elektriciteit van zonne-ontwikkelaars willen kopen, willen de energieprijzen 20 jaar of langer vasthouden, dus potentiële klanten willen zeker weten dat nieuwe technologie van nieuwe bedrijven zoals QBotix en zijn collega's op de lange termijn betrouwbaar zullen zijn. Met elke ronde van het circuit verzamelen de robots gegevens om hun zaak te verdedigen.
