Robô autônomo visa facilitar o levantamento de peso em fazendas solares

Um trabalhador programa instruções no robô instalador de painéis solares (à esquerda) enquanto o suporte do módulo fotovoltaico (FV) (à direita) aguarda próximo. (Foto: Rosendin)

Construir uma usina solar não é uma tarefa fácil. Cada módulo solar fotovoltaico (FV) é tão pesado que requer duas pessoas para carregá-lo. Os técnicos precisam então erguê-los e colocá-los no lugar antes de fazer as conexões necessárias. É um processo que os instaladores precisam repetir o dia todo em um local que geralmente abrange dezenas de hectares de terreno desafiador — e geralmente sob um calor escaldante.

A empresa de construção elétrica Rosendin ajuda a construir esses parques solares. A empresa viu uma oportunidade de tornar a instalação dos módulos fotovoltaicos mais rápida, segura e menos exigente para os técnicos. Em parceria com a empresa de soluções em robótica ULC Technologies, a Rosendin desenvolveu um protótipo de robô autônomo pioneiro no setor, que literalmente faz todo o trabalho pesado.

David Lincoln, vice-presidente sênior da Rosendin, responsável pelo grupo de energia renovável da empresa, teve a ideia em 2019 como forma de reduzir o esforço físico dos trabalhadores. O robô manuseia os pesados painéis fotovoltaicos, permitindo que eletricistas qualificados se concentrem na fixação dos painéis e nas conexões elétricas essenciais.

Um trabalho difícil

Lincoln descreveu o rigoroso processo de instalação manual dos módulos fotovoltaicos que inspirou o desenvolvimento do robô. Começa com paletes de módulos colocados a cada 7,5 metros aproximadamente no local da usina solar, onde aguardam para serem instalados por uma equipe de 10 pessoas.

"Os módulos pesam de 80 a 90 libras agora", disse Lincoln. "É preciso ter duas pessoas para levantar o módulo."

Os instaladores carregam os módulos sobre suas cabeças. "E eles andam em média 6 metros com cada módulo", acrescentou Lincoln. Eles devem colocar cada módulo na estrutura que o sustenta enquanto outros membros da equipe fazem as conexões.

De acordo com Lincoln, ao longo de um dia de trabalho, uma equipe caminha quase seis quilômetros carregando módulos.

Em um vídeo da Rosendin sobre o robô, Bill Mazzetti, vice-presidente sênior de pesquisa e desenvolvimento da Rosendin, disse sobre o processo de instalação: "Não é um trabalho que as pessoas não podem fazer, mas talvez seja um trabalho que as pessoas não devam fazer".

Projetando o robô

O robô instalador de painéis solares é um híbrido elétrico. Um gerador a diesel de 30 kW a bordo recarrega as baterias de fosfato de lítio, ferro e magnésio (LiFeMgPO4) da máquina conforme necessário para um tempo de operação confiável.

O robô pode ser acionado manualmente por controle remoto, se necessário. (Foto: Rosendin)

“Quando começamos a colaborar e analisamos os aspectos de design do que queríamos, inicialmente tínhamos apenas um motor diesel básico, de fácil manutenção e com tamanho semelhante ao de um motor de miniescavadeira”, disse Lincoln. “Mas, à medida que nos aprofundamos no projeto, houve [discussões] do tipo: e se fizéssemos tudo elétrico?”

Mais tarde, falaram sobre um robô totalmente elétrico focado nos desafios de recarga, considerando o quão remotos os parques solares podem ser. Lincoln disse que a equipe decidiu encontrar um meio-termo com uma solução elétrica híbrida.

A máquina possui um braço robótico integrado com nove ventosas a vácuo para levantar e posicionar os painéis fotovoltaicos com precisão.

“Quando esbocei originalmente o design do que imaginei que seria, seria basicamente uma miniescavadeira com uma retroescavadeira”, disse Lincoln, acrescentando que a ideia era remover o braço da retroescavadeira e substituí-lo por um braço robótico que pudesse agarrar e levantar os módulos fotovoltaicos.

A máquina também foi originalmente projetada para ser conduzida por um operador.

“Mas, à medida que avançávamos nas iterações do design, descobrimos que provavelmente poderíamos nos livrar desse aspecto manual de uma pessoa dirigindo e torná-lo autônomo, o que realmente abriu os olhos de todos”, disse Lincoln.

A ULC trouxe sua expertise em uma máquina existente com um braço robótico usado para outra aplicação, disse Lincoln. À medida que as empresas trabalharam juntas, o robô evoluiu para o protótipo atual.

Suportando ambientes adversos

A máquina autônoma foi projetada especificamente para os rigores da instalação de fazendas solares.

“Essas grandes usinas solares de grande porte estão sendo construídas no meio do nada”, disse Lincoln. “São remotas, quentes, chuvosas, empoeiradas, ventosas e, às vezes, com granizo.”

Ser capaz de operar nessas condições e, ao mesmo tempo, ser facilmente reparável foi o princípio norteador do desenvolvimento do robô. Por exemplo, uma escolha consciente foi o uso de esteiras em vez de rodas para locomoção.

“Aprendemos rapidamente, nesses parques solares de grande porte, que equipamentos com rodas não funcionam”, disse Lincoln. “Há chuva, lama, poeira, então qualquer coisa com roda pneumática não funcionaria. Sabíamos que precisava ser montado sobre esteiras desde o início.”

Operação Autônoma

O robô é acompanhado por dois transportadores de módulos sobre esteiras, também de operação autônoma. Eles substituem os paletes de módulos posicionados em intervalos definidos no local.

Visão aérea do robô coletando um módulo fotovoltaico. O robô coleta módulos de transportadores de módulos autônomos que trabalham com ele. (Foto: Rosendin)

Lincoln explicou que o robô se move por uma fileira entre racks destinados a acomodar os módulos fotovoltaicos. Dois eletricistas ficam posicionados em cada lado.

"Quando o robô pega um módulo e o coloca à esquerda, em direção àquela equipe de duas pessoas", disse Lincoln, "assim que ele se aproxima de 2 a 3 mm, as ventosas se soltam. Os eletricistas o pegam e instalam o painel no lugar."

Enquanto fazem isso, o braço robótico sobe novamente, pega outro módulo e depois vai para o outro lado. A outra equipe de dois eletricistas então o pega. Quando terminam, o robô e seu carregador de módulo, que viaja bem ao lado, sobem.

Lincoln acrescentou que, quando um dos transportadores de módulos estiver vazio, ele retornará autonomamente para um local próximo onde poderá ser reabastecido, retornando em seguida ao robô. Enquanto isso, o robô puxará módulos do segundo transportador.

O robô utiliza Lidar para detecção e desvio de obstáculos como parte de sua operação autônoma. O posicionamento preciso dos painéis fotovoltaicos é possível por meio de GPS e mapeamento KMZ.

Segurança, outros benefícios

Minimizar a quantidade de caminhada realizada pela equipe, aliado à eliminação do levantamento de peso, resultou em benefícios significativos à segurança.

“Todas as torções e distensões, os riscos de tropeços, são todos eliminados — praticamente zero com a assistência do robô que ajuda a ajustar o módulo”, disse Lincoln.

Além disso, liberou equipes de trabalho para outras tarefas sem causar efeitos negativos na produtividade.

De acordo com Lincoln, uma equipe de 10 pessoas pode instalar manualmente cerca de 725 módulos em um dia de trabalho de oito horas.

“[O robô] tem uma equipe de cinco pessoas — quatro eletricistas e um operador que fica de prontidão”, disse ele. “Eles estão instalando 600 módulos em um período de oito horas, e isso a uma velocidade de 50%.”

Outros benefícios incluem a ausência de desperdício.

“Depois de instalar os módulos, nós os retiramos e os enviamos para testes”, disse Lincoln. “Enviamos para três instalações de teste diferentes, e aqueles mais de cem módulos que instalamos voltaram, e todos estavam perfeitos. Não tivemos microfraturas, nem nada. Portanto, não invalidamos a garantia pegando os módulos com ventosas.”

O robô também evita a quebra total dos módulos.

“Com o robô, o risco é praticamente zero. Já manualmente, não sei dizer quantos módulos quebram”, disse ele.

Não substituir trabalhadores

Para aqueles no setor que podem estar preocupados que cortar a equipe pela metade resultará em perda de empregos, Lincoln disse que esse não será o caso, principalmente devido à escassez crônica de mão de obra no setor de fazendas solares.

“Tenho uma equipe de 10 homens, e agora são necessários cinco”, disse ele. “Esses cinco indivíduos, posso colocá-los em algo mais complexo, para o qual precisamos deles. Então, não estamos tirando mão de obra. Estamos desviando-a para colocá-los em outra tarefa.”

Segundo Lincoln, o robô e seus transportadores de módulos podem ser transportados dentro de um contêiner de 12 metros. No futuro, esse contêiner também conterá consumíveis e outros itens de manutenção para solucionar quaisquer problemas operacionais. Vários contêineres poderão ser implantados em um local, com cada robô operando de forma independente.

Procurando um fabricante

Embora os robôs tenham sido bem recebidos pelos instaladores — Lincoln afirmou que eles foram os primeiros a sugerir melhorias no robô para uma operação mais eficiente — a Rosendin não é fabricante de equipamentos. A intenção da empresa sempre foi encontrar um parceiro para comercializar o robô.

O robô entrega um painel fotovoltaico a um trabalhador. (Foto: Rosendin)

“Queríamos encontrar um fabricante que pegasse essas unidades, talvez fizesse uma engenharia de valor, partisse para a segunda revisão, fizesse alguns outros ajustes que tínhamos em mente e as produzisse em um nível que permitisse levar várias dessas unidades para a indústria de energias renováveis”, disse Lincoln.

Após a demonstração do robô, Lincoln disse que Rosendin recebeu diversas consultas sobre a compra dos robôs e a propriedade intelectual, visando a produção em massa. A demonstração mais recente ocorreu em 17 de abril em um projeto solar de grande porte perto de Abilene, Texas, que está em construção.

“Não estamos no ramo de manufatura, mas se alguém os tirar de nós, comprar tudo e produzi-los, nós os compraremos ou os alugaremos de volta e os usaremos para nós mesmos”, acrescentou.

A Rosendin anunciou recentemente que começou a aceitar ofertas para vender sua solução robótica autônoma. A empresa afirmou que avaliará as propostas até maio com base na capacidade de fabricação, alcance de mercado e compromisso com o avanço da infraestrutura de energia renovável.

A empresa disse que os interessados em fabricar e comercializar o sistema robótico podem adquiri-lo diretamente ou usá-lo como parte de uma frota de aluguel que atende construtores de energia solar no mundo todo.