Autonomer Roboter soll schweres Heben in Solarparks erleichtern

Ein Arbeiter programmiert Anweisungen in den Solarmodul-Montageroboter (links), während der Träger für Photovoltaikmodule (rechts) in der Nähe wartet. (Foto: Rosendin)

Der Bau einer Solarfarm ist keine leichte Aufgabe. Jedes Photovoltaikmodul (PV) ist so schwer zu tragen, dass zwei Personen dafür nötig sind. Techniker müssen die Module anschließend an ihren Platz heben und die notwendigen Anschlüsse herstellen. Diesen Prozess müssen die Installateure den ganzen Tag auf einem oft mehrere Hektar großen Gelände und in der Regel bei sengender Hitze wiederholen.

Das Elektroinstallationsunternehmen Rosendin unterstützt den Bau dieser Solarparks. Das Unternehmen erkannte die Möglichkeit, die Installation der PV-Module schneller, sicherer und weniger anspruchsvoll für die Techniker zu gestalten. In Zusammenarbeit mit dem Roboterlösungsunternehmen ULC Technologies entwickelte Rosendin den branchenweit ersten Prototyp eines autonomen Roboters, der buchstäblich die ganze Schwerstarbeit übernimmt.

David Lincoln, Senior Vice President bei Rosendin und verantwortlich für den Bereich Erneuerbare Energien, hatte die Idee bereits 2019, um die körperliche Belastung der Arbeiter zu reduzieren. Der Roboter handhabt die schweren Photovoltaikmodule, sodass sich qualifizierte Elektriker auf die Befestigung der Module und die Herstellung der wichtigen elektrischen Anschlüsse konzentrieren können.

Ein schwieriger Job

Lincoln beschrieb den anspruchsvollen manuellen Installationsprozess von Photovoltaikmodulen, der die Entwicklung des Roboters inspirierte. Er beginnt mit Paletten von Modulen, die etwa alle 7,5 Meter auf dem Gelände des Solarparks aufgestellt werden und dort darauf warten, von einem zehnköpfigen Team installiert zu werden.

„Die Module wiegen derzeit 36 bis 40 Kilogramm“, sagte Lincoln. „Zwei Personen müssen das Modul hochheben.“

Die Monteure tragen die Module über ihren Köpfen. „Und sie laufen mit jedem Modul durchschnittlich sechs Meter“, fügte Lincoln hinzu. Sie müssen jedes Modul auf der tragenden Struktur platzieren, während andere Teammitglieder die Verbindungen herstellen.

Laut Lincoln muss eine Mannschaft im Laufe eines Arbeitstages fast sechs Kilometer zu Fuß zurücklegen und Module transportieren.

In einem Rosendin-Video über den Roboter sagte Bill Mazzetti, Rosendins Senior Vice President für Forschung und Entwicklung, über den Installationsprozess: „Es ist keine Arbeit, die Menschen nicht machen können, aber es ist vielleicht Arbeit, die Menschen nicht machen sollten.“

Den Roboter entwerfen

Der Solarmodul-Installationsroboter ist ein Hybrid-Elektroroboter. Ein 30-kW-Dieselgenerator lädt die Lithium-Eisen-Magnesiumphosphat-Batterien (LiFeMgPO4) der Maschine bei Bedarf auf und sorgt so für eine zuverlässige Laufzeit.

Der Roboter kann bei Bedarf manuell per Fernbedienung gesteuert werden. (Foto: Rosendin)

„Als wir zum ersten Mal zusammenarbeiteten und die Designaspekte unserer Wünsche durchgingen, hatten wir zunächst nur einen einfachen, leicht zu wartenden Dieselmotor im Sinn, der etwa so groß war wie der eines Minibaggers“, sagte Lincoln. „Aber als wir uns damit beschäftigten, kam die Frage auf, ob wir ihn nicht einfach rein elektrisch machen könnten.“

Spätere Gespräche über einen vollelektrischen Roboter konzentrierten sich auf die Herausforderungen beim Aufladen angesichts der Abgelegenheit von Solarparks. Lincoln sagte, das Team habe sich für eine hybridelektrische Lösung entschieden.

Die Maschine verfügt über einen integrierten Roboterarm mit neun Vakuumsaugern zum präzisen Anheben und Platzieren der PV-Module.

„Als ich mir das Design ursprünglich so vorstellte, wie es aussehen sollte, dachte ich, es wäre im Grunde ein Minibagger mit einem Baggerlader“, sagte Lincoln und fügte hinzu, die Idee sei gewesen, den Baggerarm zu entfernen und durch einen Roboterarm zu ersetzen, der die PV-Module greifen und anheben könne.

Außerdem war die Maschine ursprünglich für die Steuerung durch einen Bediener konzipiert.

„Aber im Laufe der Design-Iterationen stellten wir fest, dass wir den manuellen Aspekt des Fahrens durch eine Person wahrscheinlich beseitigen und es autonom machen könnten, was wirklich allen die Augen geöffnet hat“, sagte Lincoln.

ULC brachte sein Fachwissen in eine bestehende Maschine mit einem Roboterarm ein, der für eine andere Anwendung eingesetzt wurde, sagte Lincoln. Im Zuge der Zusammenarbeit der Unternehmen entwickelte sich der Roboter zum aktuellen Prototyp.

Widerstandsfähig in rauen Umgebungen

Die autonome Maschine wurde speziell für die harten Anforderungen bei der Installation von Solarparks entwickelt.

„Diese riesigen Solarparks im großen Maßstab werden mitten im Nirgendwo gebaut“, sagte Lincoln. „Sie sind abgelegen, heiß, regnerisch, staubig, windig und manchmal gibt es Hagel.“

Die Fähigkeit, unter diesen Bedingungen zu funktionieren und gleichzeitig leicht zu warten, war das Leitprinzip bei der Entwicklung des Roboters. So entschied man sich beispielsweise bewusst für die Verwendung von Ketten anstelle von Rädern zur Fortbewegung.

„Wir haben auf diesen großen Solarparks schnell gelernt, dass fahrbare Anlagen nicht funktionieren“, sagte Lincoln. „Regen, Schlamm und Staub sind hier vorherrschend, daher ist alles mit Lufträdern nicht praktikabel. Uns war von Anfang an klar, dass die Anlagen auf Raupenfahrwerken montiert werden müssen.“

Autonomer Betrieb

Begleitet wird der Roboter von zwei ebenfalls autonom agierenden, kettenbetriebenen Modulträgern, die die in festgelegten Abständen auf der Baustelle positionierten Modulpaletten ersetzen.

Draufsicht auf den Roboter, der ein PV-Modul aufnimmt. Der Roboter nimmt Module von autonomen Modulträgern auf, die mit ihm zusammenarbeiten. (Foto: Rosendin)

Lincoln erklärte, dass der Roboter eine Reihe zwischen Gestellen entlangfährt, in denen die Photovoltaikmodule untergebracht sind. Auf beiden Seiten sind zwei Elektriker postiert.

„Wenn der Roboter ein Modul aufnimmt und es nach links zu dem Zweierteam ablegt“, sagte Lincoln, „lösen sich die Saugnäpfe, sobald es sich auf zwei bis drei Millimeter nähert. Die Elektriker haben es und setzen das Panel an seinen Platz.“

Währenddessen fährt der Roboterarm wieder hoch, nimmt ein weiteres Modul auf und fährt dann zur anderen Seite. Das andere zweiköpfige Elektrikerteam nimmt es dann. Sobald sie fertig sind, fahren der Roboter und sein Modulträger, der direkt daneben fährt, nach oben.

Lincoln fügte hinzu, dass ein leerer Modulträger autonom zu einem nahegelegenen Ort zurückkehrt, wo er wieder aufgefüllt werden kann. Anschließend kehrt er zum Roboter zurück. Währenddessen zieht der Roboter Module aus dem zweiten Träger.

Der Roboter nutzt Lidar zur Hinderniserkennung und -vermeidung im Rahmen seines autonomen Betriebs. Die präzise Positionierung der PV-Module wird durch GPS- und KMZ-Mapping ermöglicht.

Sicherheit, weitere Vorteile

Durch die Minimierung der Laufwege der Mannschaft und den Verzicht auf das Heben schwerer Lasten konnten erhebliche Sicherheitsvorteile erzielt werden.

„Alle Verstauchungen und Zerrungen, die Stolperfallen, all das gibt es praktisch nicht mehr – mit der Hilfe des Roboters, der beim Einrichten des Moduls hilft“, sagte Lincoln.

Darüber hinaus wurden Arbeitsteams für andere Aufgaben frei, ohne dass sich dies negativ auf den Durchsatz auswirkte.

Laut Lincoln kann ein 10-köpfiges Team an einem achtstündigen Arbeitstag etwa 725 Module manuell installieren.

„[Der Roboter] hat eine fünfköpfige Besatzung – vier Elektriker und einen Bediener, der bereitsteht“, sagte er. „Sie installieren 600 Module in acht Stunden und das bei 50 Prozent Geschwindigkeit.“

Zu den weiteren Vorteilen gehört die Abfallvermeidung.

„Nachdem wir die Module installiert hatten, nahmen wir sie ab und schickten sie zum Testen“, sagte Lincoln. „Wir schickten sie an drei verschiedene Testeinrichtungen, und die über hundert Module, die wir installiert hatten, kamen alle noch einwandfrei zurück. Wir hatten keine Mikrofrakturen, nichts. Die Garantie erlischt also nicht, wenn wir die Module mit Saugnäpfen anheben.“

Der Roboter verhindert außerdem, dass die Module völlig kaputt gehen.

„Mit dem Roboter liegt die Zahl praktisch bei null, während bei der manuellen Ausführung – ich kann Ihnen nicht sagen, wie viele Module bei uns kaputtgehen – die Zahl nicht mehr zu schätzen ist“, sagte er.

Kein Ersatz für Arbeitnehmer

Diejenigen in der Branche, die befürchten, dass eine Halbierung der Belegschaft zu Arbeitsplatzverlusten führen könnte, sagte Lincoln, dass dies nicht der Fall sei, insbesondere angesichts des chronischen Arbeitskräftemangels in der Solarfarmbranche.

„Ich hatte eine zehnköpfige Crew, jetzt brauche ich fünf“, sagte er. „Diese fünf Leute kann ich für anspruchsvollere Aufgaben einsetzen. Wir nehmen ihnen also keine Arbeitskräfte weg, sondern nutzen sie für andere Aufgaben.“

Laut Lincoln können der Roboter und seine Modulträger in einem 12-Meter-Container transportiert werden. Künftig soll ein solcher Container auch Verbrauchsmaterial und andere Wartungsartikel enthalten, um etwaige Betriebsprobleme zu beheben. Mehrere Container könnten an einem Standort eingesetzt werden, wobei jeder Roboter unabhängig arbeitet.

Suche nach einem Hersteller

Obwohl die Roboter von den Installateuren gut angenommen wurden – Lincoln sagte, sie gehörten zu den Ersten, die Verbesserungen für einen effizienteren Betrieb vorschlugen – ist Rosendin kein Gerätehersteller. Das Unternehmen war stets bestrebt, einen Partner für die Vermarktung des Roboters zu finden.

Der Roboter übergibt einem Arbeiter ein PV-Modul. (Foto: Rosendin)

„Wir wollten einen Hersteller finden, der diese Anlagen übernimmt, vielleicht eine Wertanalyse durchführt, die zweite Revision durchführt, einige weitere Optimierungen vornimmt, die wir im Sinn haben, und sie auf einem Niveau produziert, das es uns ermöglicht, eine Menge dieser Anlagen in die erneuerbaren Energien-Branche zu bringen“, sagte Lincoln.

Nach der Robotervorführung habe Rosendin laut Lincoln zahlreiche Anfragen zum Kauf der Roboter und des geistigen Eigentums erhalten, mit dem Ziel, die Roboter in Massenproduktion zu bringen. Die jüngste Vorführung fand am 17. April in einem im Bau befindlichen großen Solarprojekt in der Nähe von Abilene, Texas, statt.

„Wir sind nicht im Fertigungsgeschäft tätig, aber wenn uns jemand die Sachen wegnimmt, alles aufkauft und produziert, werden wir sie entweder kaufen oder zurückmieten und für unsere eigenen Zwecke verwenden“, fügte er hinzu.

Rosendin gab kürzlich bekannt, dass es Angebote für den Verkauf seiner autonomen Roboterlösung entgegennimmt. Das Unternehmen teilte mit, dass es die Angebote bis Mai anhand der Fertigungskapazitäten, der Marktreichweite und des Engagements für den Ausbau der Infrastruktur für erneuerbare Energien prüfen werde.

Das Unternehmen erklärte, dass diejenigen, die an der Herstellung und Vermarktung des Robotersystems interessiert sind, es direkt erwerben oder als Teil einer Mietflotte nutzen können, die Solaranlagenbauern weltweit dient.