Un robot autonome vise à faciliter le levage de charges lourdes dans les parcs solaires

Un ouvrier programme les instructions du robot d'installation des panneaux solaires (à gauche), tandis que le transporteur de modules photovoltaïques (PV) (à droite) attend à proximité. (Photo : Rosendin)

Construire un parc solaire n'est pas chose aisée. Chaque module photovoltaïque (PV) est si lourd à transporter qu'il faut deux personnes. Les techniciens doivent ensuite les soulever pour les mettre en place avant d'effectuer les connexions nécessaires. C'est un processus que les installateurs doivent répéter toute la journée sur un site souvent constitué de dizaines d'hectares de terrain accidenté, et généralement sous une chaleur accablante.

L'entreprise d'électricité Rosendin participe à la construction de ces parcs solaires. Elle a vu l'opportunité de rendre l'installation des modules photovoltaïques plus rapide, plus sûre et moins exigeante pour les techniciens. En partenariat avec l'entreprise de solutions robotiques ULC Technologies, Rosendin a développé un prototype de robot autonome, une première dans l'industrie, capable de réaliser toutes les tâches les plus lourdes.

David Lincoln, vice-président senior de Rosendin en charge du groupe énergies renouvelables de l'entreprise, a eu l'idée en 2019 pour réduire la fatigue physique des travailleurs. Le robot manipule les lourds panneaux photovoltaïques, permettant aux électriciens qualifiés de se concentrer sur la fixation des panneaux et les raccordements électriques critiques.

Un travail difficile

Lincoln a décrit le processus rigoureux d'installation manuelle des modules photovoltaïques qui a inspiré le développement du robot. Tout commence par des palettes de modules placées tous les 7,6 mètres environ sur le site du parc solaire, où elles attendent d'être installées par une équipe de 10 personnes.

« Les modules pèsent actuellement entre 36 et 40 kg », a expliqué Lincoln. « Il faut être deux pour les soulever. »

Les installateurs transportent les modules au-dessus de leurs têtes. « Ils marchent en moyenne 6 mètres avec chaque module », ajoute Lincoln. Ils doivent placer chaque module sur la structure qui le soutient pendant que les autres membres de l'équipe effectuent les connexions.

Selon Lincoln, au cours d'une journée de travail, une équipe parcourt près de quatre miles en transportant des modules.

Dans une vidéo de Rosendin sur le robot, Bill Mazzetti, vice-président senior de la recherche et du développement de Rosendin, a déclaré à propos du processus d'installation : « Ce n'est pas un travail que les gens ne peuvent pas faire, mais c'est peut-être un travail que les gens ne devraient pas faire. »

Conception du robot

Le robot d'installation de panneaux solaires est hybride électrique. Un générateur diesel embarqué de 30 kW recharge les batteries lithium-fer-magnésium-phosphate (LiFeMgPO4) de la machine selon les besoins, pour une autonomie fiable.

Le robot peut être piloté manuellement via une télécommande si nécessaire. (Photo : Rosendin)

« Lorsque nous avons commencé à collaborer et à définir les aspects de conception de notre projet, nous disposions initialement d'un moteur diesel simple, facile à entretenir et de la taille d'un moteur de mini-pelle », a expliqué Lincoln. « Mais au fur et à mesure que nous nous y sommes mis, nous avons commencé à nous demander : et si nous le transformions en un modèle tout électrique ? »

Les discussions ultérieures sur un robot entièrement électrique ont porté sur les défis de la recharge, compte tenu de l'éloignement des sites de parcs solaires. Lincoln a expliqué que l'équipe avait décidé de trouver un compromis avec une solution hybride électrique.

La machine est équipée d'un bras robotisé intégré doté de neuf ventouses à vide pour soulever et placer les panneaux photovoltaïques avec précision.

« Lorsque j'ai initialement esquissé le design de ce à quoi je pensais que cela ressemblerait, il s'agirait essentiellement d'une mini-excavatrice équipée d'une pelle rétrocaveuse », a déclaré Lincoln, ajoutant que l'idée était de retirer le bras de la pelle rétrocaveuse et de le remplacer par un bras robotisé capable de saisir et de soulever les modules photovoltaïques.

La machine a également été conçue à l’origine pour être conduite par un opérateur.

« Mais au fur et à mesure que nous avancions dans les itérations de conception, nous avons découvert que nous pouvions probablement nous débarrasser de cet aspect manuel d'une personne conduisant le véhicule et le rendre autonome, ce qui a vraiment ouvert les yeux de tout le monde », a déclaré Lincoln.

ULC a apporté son expertise concernant une machine existante dotée d'un bras robotisé utilisé pour une autre application, a expliqué Lincoln. Grâce à la collaboration des entreprises, le robot a évolué vers le prototype actuel.

Résister aux environnements difficiles

La machine autonome a été spécialement conçue pour les rigueurs de l’installation d’une ferme solaire.

« Ces grandes centrales solaires industrielles sont construites au milieu de nulle part », a déclaré Lincoln. « Elles sont isolées, chaudes, pluvieuses, poussiéreuses, venteuses, et il y a parfois de la grêle. »

La capacité à fonctionner dans ces conditions tout en étant facile à entretenir a été le principe directeur du développement du robot. Par exemple, l'utilisation de chenilles plutôt que de roues a été un choix délibéré pour la locomotion.

« Nous avons rapidement compris, sur ces parcs solaires à grande échelle, que les équipements sur roues ne fonctionnaient pas », a déclaré Lincoln. « Avec la pluie, la boue et la poussière, tout équipement à roues pneumatiques était inutilisable. Nous savions dès le départ qu'il fallait le monter sur chenilles. »

Fonctionnement autonome

Le robot est accompagné de deux transporteurs de modules sur chenilles, également autonomes, qui remplacent les palettes de modules disposées à intervalles réguliers sur le chantier.

Vue aérienne du robot prélevant un module photovoltaïque. Le robot prélève les modules sur les supports de modules autonomes qui fonctionnent avec lui. (Photo : Rosendin)

Lincoln a expliqué que le robot se déplace le long d'une rangée de racks destinés à accueillir les modules photovoltaïques. Deux électriciens sont postés de chaque côté.

« Lorsque le robot saisit un module et le place à gauche de l'équipe de deux personnes », explique Lincoln, « dès qu'il atteint 2 ou 3 mm, les ventouses se détachent. Les électriciens l'ont et installent le panneau. »

Pendant ce temps, le bras du robot remonte, récupère un autre module et passe de l'autre côté. L'autre équipe de deux électriciens le prend alors. Une fois l'opération terminée, le robot et son support de module, qui se trouve juste à côté, remontent.

Lincoln a ajouté que lorsqu'un des supports de modules est vide, il retourne automatiquement à un endroit proche où il peut être rechargé, après quoi il revient au robot. Pendant ce temps, le robot récupère les modules du second support.

Le robot utilise le Lidar pour détecter et éviter les obstacles dans le cadre de son fonctionnement autonome. Le positionnement précis des panneaux photovoltaïques est rendu possible grâce au GPS et à la cartographie KMZ.

Sécurité, autres avantages

La réduction de la quantité de marche effectuée par l’équipage, associée à l’élimination des charges lourdes, a entraîné des avantages significatifs en matière de sécurité.

« Toutes les entorses et foulures, les risques de trébuchement, sont tous éliminés – pratiquement nuls grâce à l'aide du robot qui aide à régler le module », a déclaré Lincoln.

De plus, cela a libéré les équipes de travail pour d’autres tâches sans avoir d’effets négatifs sur le rendement.

Selon Lincoln, une équipe de 10 personnes peut installer manuellement environ 725 modules au cours d’une journée de travail de huit heures.

« [Le robot] dispose d'une équipe de cinq personnes : quatre électriciens et un opérateur en veille », a-t-il expliqué. « Ils installent 600 modules en huit heures, à une vitesse de 50 %. »

D’autres avantages incluent l’absence de déchets.

« Après avoir installé les modules, nous les avons démontés et envoyés pour les tester », explique Lincoln. « Nous les avons envoyés à trois centres de test différents, et la centaine de modules que nous avons installés est revenue, et ils étaient tous encore parfaits. Nous n'avions aucune microfracture, rien du tout. Nous n'annulons donc pas la garantie en récupérant les modules [avec] des ventouses. »

Le robot évite également la rupture pure et simple des modules.

« Avec le robot, c'est pratiquement zéro, alors que manuellement, je ne peux pas vous dire combien de modules nous avons qui sont cassés », a-t-il déclaré.

Ne pas remplacer les travailleurs

Pour ceux du secteur qui pourraient craindre que la réduction de moitié de l'effectif entraîne des pertes d'emplois, Lincoln a déclaré que ce ne sera pas le cas, en particulier compte tenu de la pénurie chronique de main-d'œuvre dans le secteur des parcs solaires.

« J'avais une équipe de dix hommes, et maintenant il en faut cinq », a-t-il expliqué. « Ces cinq personnes, je peux les affecter à des tâches plus complexes, selon nos besoins. Donc, nous ne réduisons pas la main-d'œuvre. Nous la réaffectons à autre chose. »

Selon Lincoln, le robot et ses supports de modules peuvent être transportés dans un conteneur de 12 mètres. À l'avenir, ce conteneur contiendra également des consommables et autres éléments de maintenance pour répondre à d'éventuels problèmes opérationnels. Plusieurs conteneurs pourraient être déployés sur un site, chaque robot fonctionnant indépendamment.

À la recherche d'un fabricant

Bien que les robots aient été bien accueillis par les installateurs – Lincoln a déclaré qu'ils ont été parmi les premiers à suggérer des améliorations pour un fonctionnement plus efficace – Rosendin n'est pas un fabricant d'équipements. L'entreprise a toujours eu pour objectif de trouver un partenaire pour commercialiser le robot.

Le robot remet un panneau photovoltaïque à un ouvrier. (Photo : Rosendin)

« Nous voulions trouver un fabricant qui les prendrait, peut-être les valoriserait, passerait à la deuxième révision, apporterait d'autres modifications que nous avions en tête et les produirait à un niveau qui permettrait d'apporter un grand nombre de ces unités à l'industrie des énergies renouvelables », a déclaré Lincoln.

Après la démonstration du robot, Lincoln a indiqué que Rosendin avait reçu plusieurs demandes d'achat concernant les robots et la propriété intellectuelle, en vue d'une production en série. La dernière démonstration a eu lieu le 17 avril dans le cadre d'un projet solaire de grande envergure en cours de construction près d'Abilene, au Texas.

« Nous ne sommes pas dans le secteur de la fabrication, mais si quelqu'un nous les prend, achète tout et les produit, soit nous les achèterons, soit nous les louerons et les utiliserons pour nos propres besoins », a-t-il ajouté.

Rosendin a récemment annoncé avoir commencé à accepter des offres pour la commercialisation de sa solution robotique autonome. L'entreprise a indiqué qu'elle évaluerait les propositions jusqu'en mai en fonction de leurs capacités de production, de leur présence sur le marché et de leur engagement à promouvoir les infrastructures d'énergies renouvelables.

La société a déclaré que les personnes intéressées par la fabrication et la commercialisation du système robotique peuvent le posséder directement ou l'utiliser dans le cadre d'une flotte de location au service des constructeurs solaires du monde entier.