Intelligente droner finner feil i store solcelleparker

Tor Atle Solend navigerer en drone med stødig hånd under en av testene. Foto: ITS

Solcelleparkene over hele verden blir større og større, og det blir stadig vanligere at nye kontorbygg blir utstyrt med solcellepaneler på tak og fasader. Men solcellepaneler blir av og til skadet, slik at strømutbyttet og lønnsomheten blir redusert. Det er viktig å finne fram til de skadde panelene som bør byttes ut, men den jobben er ikke enkel.
   – Tidligere har det vært vanlig å gå rundt i solcelleparkene med et håndholdt varmekamera for å finne de skadde solcellepanelene. Men disse parkene blir jo bare større og større, og dermed blir den jobben mer og mer uhåndterlig. Det er heller ikke enkelt å klatre rundt på hustak og fasader for å lete etter defekte solcellepaneler, forteller doktorgradsstipendiaten Victoria Lofstad-Lie ved Institutt for teknologisystemer (ITS) på Kjeller.

Droner, maskinsyn og grønn energi
Victoria Lofstad-Lie og tre andre stipendiater ved ITS – Mari Øgaard, Tor Atle Solend og Bjørn Lupton Aarseth – er derfor i gang med å utvikle en ny teknologi, basert på droner og maskinsyn, som skal gjøre den «grønne» solcelle-elektrisiteten enda grønnere. Istedenfor å basere seg på manuelle inspeksjoner, vil de fire forskerne sende opp en selvstyrende drone – eller en hel dronesverm hvis anlegget er stort nok – som er utstyrt med et varmefølsomt kamera og en bitteliten pc.
   – Feil på solcellepaneler fører nemlig som regel til at det defekte området blir varmere, forteller Lofstad-Lie.
Forskerne bruker maskinsyn når de skal trene opp dronene til å finne de defekte og varmere solcellepanelene og til å manøvrere rundt på anleggene.
   – Maskinsyn er en type bildebehandling hvor målet er at dronen skal "forstå" mest mulig av hva som er på bildene den tar. Jeg jobber blant annet med en programvare som kan gjøre at dronen automatisk finner rammen på modulene, slik at den også kan vite hvor den skal lete etter varme defekter. Deretter skal dronen også kunne utføre en automatisk indeksering av modulene og gi beskjed om at det for eksempel er "feil på modul 16E!", og så kan vi se på et kart hvilken modul det er, forteller Lofstad-Lie.
   Hun synes det er et tankekors at produsentene av solceller ofte bruker store summer på å utvikle nye generasjoner av solceller med en økt effektivitet på kanskje 0,1 prosent.
   – Men etter at solcellepanelene er blitt utplassert, kan det fort oppstå feil som reduserer strømutbyttet med kanskje 2 prosent uten at noen reagerer. Da får man ikke noe igjen for de kostnadene som gikk med til å øke effekten i produksjonsfasen. Derfor mener vi det er en god investering å bruke droner til å lete etter slike feil, tilføyer hun.

Utviklingsarbeid basert på «hyllevare»
De varmere og defekte områdene på solcellepanelene kan oppdages med et nokså vanlig kamera som registrerer infrarød stråling, og ITS-forskerne fant en leverandør som produserte veldig små og lette kameraer.
   – Vi kjøpte også inn en nokså vanlig batteridrevet drone, og en bitteliten datamaskin (single board computer) med ett kretskort, som bare veide ca. 50 gram. Alt dette er hyllevare, så jobben vår består i å montere sammen komponentene og utvikle den programvaren som trengs, forteller Lofstad-Lie.
De fysiske komponentene er altså forholdsvis enkle, men prosjektet rommer mye utviklingsarbeid. ITS-forskerne er blant annet i ferd med å utvikle programvare som gjør at den lille datamaskinen kan brukes til å styre både dronen og kameraet. Dessuten fantes det ingen holder som kunne brukes til å montere akkurat det kameraet på akkurat den dronen, så den biten måtte studentene lage selv med en av 3D-printerne på instituttets MakerSpace.

Mest mulig autonomt
Datamaskinen om bord i dronen skal fortløpende lagre nøyaktige GPS-data om hvor dronen er, hvor høyt den flyr, med hvilken fart og så videre. Når dronen finner et defekt panel, kan det også være aktuelt at den flyr nærmere inn mot panelet og tar et mer detaljert bilde. Målet er at alt dette skal foregå mest mulig autonomt mens dronen flyr, forteller Lofstad-Lie.
   – Det er også et mål at teknologien vi utvikler skal kunne si noe om hvilken type feil som er funnet. I dag er det vanlig å bytte hele solcellepanelet hvis de infrarøde bildene avslører en feil, men det er ikke gitt at det alltid lønner seg å skifte ut et panel med en liten feil. Det finnes jo mange slags feil, og det er ikke alle som fører til et stort strømtap, tilføyer hun.
   De fire forskerne har hittil fløyet dronen manuelt, blant annet har de vært et par ganger i Glava Energy Center i Sverige. Der har solcelleprodusenten Glava bygd opp en hel park med paneler som inneholdt feil som var store nok til at panelene ikke kunne selges, men de produserer likevel strøm.
   – Det var jo ideelt for oss når vi skulle lete etter termiske signaturer på defekte paneler. Litt av utfordringen for oss er ellers at de fleste solcelleparker er ganske nye og at feil er sjeldne. Derfor er det ikke så mange feil å finne på vanlige anlegg. Men i Glava-parken var det mange feil som ga oss gode muligheter til å teste dronen og programvarene, kommenterer Lofstad-Lie.

Sammenkoblede paneler
Et solcellepanel består typisk av 60 sammenkoblede solceller, som hver har en dimensjon på 15 x 15 centimeter. Hele panelet dekker dermed om lag halvannen kvadratmeter, og ved installasjonen er det vanlig at for eksempel 20 paneler er koblet sammen til en gruppe – som leverer elektrisk strøm via den samme kabelen.
   – Derfor kan du ikke sitte i et kontrollrom og oppdage feil på ett av de 20 panelene. En feil minker ikke nødvendigvis effekten med mer enn et par prosent, så når man leser av strømmen fra en hel gruppe, vil strømtapet være mindre enn målevariasjonene. Strømutbyttet fra en gruppe paneler kan jo også variere av andre årsaker, som varierende solinnstråling og solvinkel, temperatur, vind, støv og skitt og så videre. Det er i det hele tatt vanskeligere enn man skulle tro å finne en defekt ved å se på strømutbyttet, understreker Lofstad-Lie.
   De fire ITS-forskerne er ikke de eneste i verden som har tenkt på å bruke droner til å finne feil i solcelleparkene, men arbeidet hittil har vært preget av enkeltstående aktører har forsøkt å «finne opp hjulet på nytt» hver for seg.
   – Det finnes ingen standardisert måte å gjøre dette på, og vi ser derfor et potensial for å gjøre dette mye mer effektivt. Hvis solcelleparken er over en viss størrelse, vil det blant annet være gunstig å bruke en dronesverm istedenfor en enkelt drone. Da må vi også lære dronene i svermen å manøvrere slik at de dekker hvert sitt område og ikke kræsjer med hverandre. Det er nok av utfordringer å ta tak i her, understreker Victoria Lofstad-Lie.

Mange slags feil
– Hva slags feil er det vanlig å finne på solcellepaneler?
   – Det kan være mange forskjellige slags feil, og noen av dem skyldes at det kan dannes sprekker i panelene under produksjon, transport eller montering. En risiko under installasjon er for eksempel at montørene bærer panelene på hjelmen, for da kan modulen bli bøyd slik at det oppstår sprekker som etterhvert blir større. Jeg har hørt dette bli kalt en «hard hat failure», svarer Lofstad-Lie.
   – Det kan også oppstå feil i de elektriske koblingene, og panelene er dekket av et laminat som skal hindre vanninntrengning, men som kan bli skadd etterhvert. I tørre områder kan det fort dannes mye støv på panelene, og i kombinasjon med mye vind kan dette føre til at de optiske egenskapene blir endret. De aller fleste feilene kan uansett oppdages ved hjelp av et varmesøkende kamera, tilføyer hun.

Vanskeligere enn man skulle tro
Alle de fire ITS-forskerne er sertifiserte dronepiloter: Det betyr at de har gjennomført et selvstudium og avlagt en test som er utformet av Luftfartstilsynet, men som må avlegges ved personlig frammøte på en av Statens vegvesens trafikkstasjoner. Victoria Lofstad-Lie fikk inntrykk av at de ansatte på den trafikkstasjonen hun besøkte ikke hadde fått mange slike forespørsler tidligere.
   – Det er forresten vanskeligere enn man skulle tro å fly drone! Vi hadde også et uhell med den første dronen vi kjøpte, fordi vi klarte å montere kompass- og GPS-modulen feil vei. Dermed fløy dronen bakover når vi skulle styre den framover, og attpåtil forsøkte dronen å korrigere sin egen kurs ved å fly framover – men da fløy den bare enda mer bakover. Det hele endte med at dronen dundret rett inn i et tre, forteller Lofstad-Lie.
   – Den historien har visst alle på instituttet fått høre om etterpå! Vi kan le av det nå som vi har fått det litt på avstand, tilføyer hun – og understreker at øvelsesflygingen var helt trygg til tross for uhellet. Dette foregikk nemlig på en skytebane i Fetsund, med trær på alle kanter, så det var ingen fare for at en villfaren drone skulle forårsake skade på folk eller fe.
   De fire drone-utviklerne er i ferd med å ta det som kalles innovasjonsdoktorgrader ved Institutt for teknologisystemer (ITS) på Kjeller. Institutt for energiteknikk (IFE) og Forsvarets forskningsinstitutt (FFI), som også holder til på Kjeller, er partnere i prosjektet.

Kilde: UiO