Dynamic Solar: SpectX en TU/e ontwikkelen slimme drone-navigatie voor controle op de prestaties van zonneparken

• SpectX en TU/e ontwikkelen in project Dynamic Solar een zwerm kleine drones voor prestatiecontrole van grote zonneparken.

• Doel: instraling op PV-panelen in kaart brengen en afwijkende opbrengst onderscheiden van defecten.

• Focus op simulaties: geavanceerde navigatie- en beslisalgoritmen worden eerst grondig gevalideerd voordat veldtests volgen.

• Technologie breed inzetbaar: kansen voor Nederlandse industrie bij inspecties in de energiesector, landbouw en milieumonitoring.

Voor de optimale werking van fotovoltaïsche (PV) zonnepanelen in grote zonneparken is meer nodig dan het controleren van hun opbrengst in kilowattuur. Individuele panelen kunnen uitvallen, er treden beschadigingen op of ze raken vervuild door bijvoorbeeld stof, zand of uitwerpselen van vogels. Wanneer de opbrengst lager is dan verwacht, moet dus worden bepaald of er sprake is van een defect of simpelweg minder zonlicht. Daarvoor worden instralingsmetingen vergeleken met de daadwerkelijke stroomproductie.

Bij een opstelling met een relatief gering aantal panelen, bijvoorbeeld op een dak of in een klein park, plaatsen ontwerpers een statische sensor om het invallende licht op een bepaald punt te meten.
Bij het plannen van nieuwe zonneparken kijken ontwerpers naar steeds grotere installaties. Zo hebben de Groningse zonneparken Vlagtwedde I en II al een omvang van circa 120 hectare. In het buitenland zijn al parken met een oppervlakte van 160 hectare.

De lichtverdeling over zo’n groot park kan flink variëren, bijvoorbeeld doordat een wolk een deel van het park in de schaduw zet, terwijl op een ander deel juist volop zon valt. Het plaatsen van enkele statische sensoren geeft dan een onvolledig beeld. “Voor panelen die op 200 meter van een statische sensor liggen, weet je al niet meer of de meting accuraat is. Die informatie is er gewoon niet”, verklaart Milosz Plucinski, Simulation Engineer bij het Delftse drone-inspectiebedrijf SpectX. Deze statische sensoren op veel meer plekken neerzetten is te kostbaar. De inzet van drones kan daarom een mobiele aanvulling op de statische metingen bieden, bedachten de specialisten van SpectX.

Maatschappelijke impact van Dynamic Solar

SpectX heeft veel ervaring met het controleren van industriële objecten die moeilijk bereikbaar zijn, zoals windturbines op zee, hoogspanningskabels, bruggen en procesinstallaties. Zonneparken horen daar ook bij, maar dan gaat het meer om inspectie van de constructie. In het project Dynamic Solar wil SpectX verder verkennen hoe drones kunnen bijdragen aan het in kaart brengen van de instraling op de PV-panelen en het analyseren van de prestaties van het zonnepark.

Mani Kamalzadeh, CEO van SpectX, benadrukt het maatschappelijk belang van dit onderzoeksproject. “We dragen hiermee bij aan de verduurzaming. Energie is altijd een van de pijlers geweest onder de ontwikkeling van de mensheid. Overschakelen op duurzame energie is essentieel om dit proces op gang te houden. Volgens het Internationaal Energieagentschap (IEA) is zonne-energie uit PV-panelen naar verwachting in de toekomst de snelstgroeiende bron van hernieuwbare energie. Dat betekent dat de betrouwbaarheid en de opbrengst van zonne-energie voor een belangrijk deel afhangen van de instraling. In feite zorgt Dynamic Solar ervoor dat we dit aspect beter kunnen beheren en plannen.”

“De betrouwbaarheid en de opbrengst van zonne-energie hangen voor een belangrijk deel af van de instraling.”

Mani Kamalzadeh, CEO SpectX

Het idee om een zwerm microdrones in te zetten om metingen te verrichten voor een rendementsanalyse ontstond tijdens een brainstormsessie met een aantal wetenschappers van het Department of Mechanical Engineering van TU/e. Universitair docent Paula Chanfreut Palacio van de onderzoeksgroep Control Systems Technology deed in haar vorige functie aan de universiteit van Sevilla al ervaring op met metingen aan invallend licht op grote zonneparken met behulp van mobiele robots en drones.

Met een zwerm autonome drones moet het mogelijk zijn een heel precieze kaart te maken van de lichtverdeling over zo’n groot oppervlak. Die kaart kan dan worden vergeleken met de opbrengst van de panelen in diezelfde periode. Voor het maken van de kaart is het niet nodig om systematisch over het hele oppervlak te vliegen. Door slimme navigatie van de drones kunnen vooral de overgangen tussen zon- en schaduwplekken worden bepaald. “Wat er tussen de grenzen van die plekken zit, weten we min of meer,” legt Plucinski uit.

Drones moeten navigatie onderling afstemmen

Voor dit project zijn nieuwe geavanceerde navigatie- en beslisalgoritmen nodig. De ontwikkeling daarvan gebeurt voor een belangrijk deel aan TU/e. Veldexperimenten staan voorlopig nog niet op de planning, vertelt onderzoeker Koen de Vos van de Mechanical Engineering-groep aan TU/e. SpectX en de onderzoekers in dit Dynamic Solar-project willen eerst de navigatie van de drones optimaliseren met simulaties. Plucinski: “Het concept waar we aan werken is uitdagend en vereist eerst een zeer grondige validatie met simulaties.” Hij ontwikkelde daarvoor een zeer realistische simulatieomgeving van een zonnepark. De Vos gebruikt die omgeving voor het testen en verfijnen van de nieuwe drone-algoritmen. De simulatieomgeving bevat inmiddels zeer realistische wolkenbeelden. “Als dit uiteindelijk goed werkt in de simulatie, hebben we er veel vertrouwen in dat het ook werkt in de praktijk”, verzekert Plucinski.

Complex samenspel van beslisalgoritmen

In theorie heb je een oneindig aantal punten om te meten, maar er is slechts een beperkt aantal drones, schetst De Vos de uitdaging in het project. “De wolken bewegen voortdurend, dus na elk meetpunt moet de drone in real time beslissen naar welk volgend meetpunt hij moet vliegen. Bovendien moeten de drones onderling afstemmen welk deel van de opdracht ze voor hun rekening nemen.” Zo kan het algoritme overlap voorkomen en de meetcapaciteit optimaal benutten.

“De wolken bewegen voortdurend, dus na elk meetpunt moet de drone in real time beslissen naar welk volgend meetpunt hij moet vliegen.”

Koen de Vos, onderzoeker Mechanical Engineering-groep TU/e

Elena Torta, universitair docent robotica aan TU/e, voegt daaraan toe dat ook de weersomstandigheden een belangrijke factor zijn in het onderzoek. Boven een zonnepark is vrijwel altijd luchtstroming. Het minimaliseren van het effect van windvlagen is mogelijk door alleen metingen te verrichten onder ideale vliegomstandigheden. Dan zijn er echter vaak ook minder wolken die zorgen voor de variaties in lichtinval waarin de projectdeelnemers geïnteresseerd zijn. “Zinvolle inzet van de drones betekent dus dat we geavanceerde stabiliteitscontrollers moeten ontwikkelen die de drone op zijn plaats houden. Tegelijk moeten we systemen ontwikkelen die voorkomen dat de drone ergens tegenaan vliegt als deze door een windvlaag uit zijn positie wordt geblazen.” Een dronecrash op een zonnepaneel levert natuurlijk direct grote schade op. Bovendien hebben de drones te maken met een beperkte accucapaciteit waar het algoritme tijdens het navigeren rekening mee moet houden.

Resultaten zijn breed toepasbaar

De algoritmen die door het onderzoek worden gecreëerd, zijn niet alleen toepasbaar voor metingen aan zonnepanelen, benadrukt Torta. “Autonome robots krijgen steeds vaker een rol bij inspecties in verschillende domeinen binnen de energiesector. De technologie die we hier ontwikkelen kan daarbij van pas komen.” Plucinski wijst ook op de mogelijkheden van de algoritmen die in staat zijn dynamische grenzen te volgen. Bijvoorbeeld in de landbouw en bij bosbeheer kan zo de verspreiding van plantenziekten in kaart worden gebracht. “Er zijn waarschijnlijk vele fenomenen die zich op deze manier gedragen, met een verspreiding en een duidelijke grens.”

“Autonome robots krijgen steeds vaker een rol bij inspecties in verschillende domeinen binnen de energiesector.”

Elena Torta, universitair docent robotica TU/e

“Er zijn waarschijnlijk vele fenomenen die zich op deze manier gedragen, met een verspreiding en een duidelijke grens.”

Milosz Plucinski, engineer SpectX

Daardoor ontstaan ook nieuwe kansen voor de Nederlandse industrie. Drone-onderzoek staat momenteel erg in de belangstelling, onderstreept Kamalzadeh. Er worden in dit project verschillende technologische bouwstenen ontwikkeld die andere bedrijven kunnen hergebruiken. Afgezien van de zwermnavigatie vindt er in Dynamic Solar onderzoek plaats naar sensorintegratie, dataverzameling en -verwerking. De resultaten daarvan zijn bijvoorbeeld toepasbaar voor milieumonitoring.

Eerdere artikelen uit de reeks: