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如何建設和運營智能太陽能光伏電站

面臨的挑戰(zhàn)：

太陽能光伏電站的機械性能挑戰(zhàn)

太陽能電池板中沒有活動部件——這是其他類型發(fā)電系統(tǒng)可靠性問題的主要來源。因此，光伏組件的使用壽命很大程度上取決于其制造材料的穩(wěn)定性和耐腐蝕性。然而，有幾種故障模式和退化機制可能會降低太陽能發(fā)電站的功率輸出或導致組件和跟蹤器發(fā)生故障。故障的發(fā)生幾乎都受天氣影響或面板、支撐結構上基于溫度的應力有關：

1. 陣風和風暴造成的機械損壞 —— 這占美國因風暴和颶風而導致的太陽能發(fā)電站故障的 15% 左右
2. 由于太陽熱效應，支撐結構中的熱機械應力和開裂
3. 太陽能電池板支架周圍的地面侵蝕、潛在的植被過度生長和鄰近結構的陰影效應
4. 灰塵、雪和碎屑堆積在太陽能電池板上，偶爾還會有冰雹損壞
5. 電路退化和電路短路
6. 功率逆變器/變壓器過熱和光伏火災相關風險
7. 進水對面板和跟蹤器的侵蝕和腐蝕

8. 野生動物（動物、鳥類甚至水生生物）對光伏電池板的損壞和污染。

所有這些因素都可能導致維護、停機和發(fā)電短缺。

圖1:Archidona設施建設和監(jiān)控中使用的幾種Hexagon技術

來自海克斯康的解決方案：

基于 CFD 的數(shù)字孿生-Archidona 太陽能電站

?？怂箍档?Cradle CFD 是世界上最現(xiàn)代的通用 CFD 軟件，它專注于多物理場，并與精度領先的計算機輔助工程軟件（如 MSC Nastran、Marc、Adams 和 Actran）相耦合，用于結構、多體動力學和聲學模擬。我們希望將其應用到太陽能發(fā)電站，以便生產(chǎn)出可運行的數(shù)字孿生設備，供運營商在現(xiàn)場使用。

圖2：通過掃描、地理空間和CFD模型創(chuàng)建一個太陽能發(fā)電站運行的數(shù)字孿生

為此，我們使用 Hexagon 地理空間和地理系統(tǒng)掃描數(shù)據(jù)創(chuàng)建了 Archidona 設施和鄰近山丘周圍景觀的完整模型（見圖 2）。這使我們能夠獲取真實世界的安裝數(shù)據(jù)（以及工程圖紙）和徠卡設備從實際太陽*掃描的數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建非常準確的地形和光伏設備模型。

根據(jù)氣象數(shù)據(jù)，我們知道在Archidona地區(qū)的主要風向在一年中的大部分時間都是從西北-東南方向。然后利用海克斯康 ODYSSEE CAE AI/ML 軟件進行一系列精確的 3D CFD 模擬，使它適用于風速、風向、面板垂直方向等條件，并創(chuàng)建強大的 0D 降階模型。

我們能夠確定，唯一值得關注的風向是東風它在太陽能發(fā)電站的東南部分附近顯示出復雜的再循環(huán)模式，并且它可以預測面板上的精確流體結構效應，以便采取相應的行動。同樣，我們能夠使用 CFD 評估對傾斜地面站點（Archidona 2 傾斜 3 度）的太陽能電池板結構的影響，結果表明，它具有最小的機械效應。

如今，隨著太陽能電池板變得越來越大，越來越高，太陽能電池板就像巨大的帆。因此，強風會抓住并扭曲它們，從而給面板造成巨大損壞。今年 8 月，桑迪亞國家實驗室和美國能源部報告稱，在過去 6 年中，估計有 15% 的面板損壞事件是由颶風造成的，隨著氣候變化，颶風的強度會逐漸增加。

令人驚訝感到驚訝的是，平均只有約 25% 的射入到太陽能電池板的太陽輻射被轉化為電能。其余的只是加熱面板，或者它會反射到大氣中。事實上，太陽能電池板會有過熱問題，隨著溫度升高，它們的發(fā)電能力開始下降。因此，讓太陽能電站運營商感興趣的是，如何使用當?shù)仫L冷效應來增加發(fā)電量的可能性。

圖 4：?？怂箍堤柲苻r(nóng)場智能數(shù)字現(xiàn)實的運營數(shù)字孿生示意圖

同樣，Cradle CFD 支持網(wǎng)友在網(wǎng)站上進行大量此類“假設”分析，CFD 甚至可以幫助評估太陽能電池板在雨天傾斜的最佳角度，以便預算出，在每年下雨的西班牙西南部這個地區(qū)，平均 6 天就需要清洗一次電池板！圖 4 顯示了在西班牙創(chuàng)建的“?？怂箍颠\營數(shù)字孿生”示意圖，描述了與當?shù)靥鞖忸A報事件相關的電站操作員的工作流程：傳感 - 模擬 - 行動。能夠通過 Cradle CFD 和 Adams 進行多物理場流體-結構-多體模擬，以表明超過 40° 傾斜的太陽能電池板，風壓水平可能會影響其結構安全。

事實證明，在太陽能電站的項目中，Cradle CFD 與Hexagon Xalt 技術相結合，操作員可以通過他們的 iPad 或 iPhone查看流體流動效應和溫度場，實現(xiàn)了現(xiàn)場設備的增強現(xiàn)實可視化。除了作為操作洞察力的強大工具外，它還可以用于培訓場景。每個 3D Cradle CFD 模型場景通常需要大約 1 小時才能在多核 PC 上進行計算，但基于ODYSSEE中，只要有足夠的仿真樣本庫，即在不同天氣和操作條件的各種排列組合下，仿真模擬，生成樣本庫，就可以讓操作員在幾秒鐘內運行各種不同的場景，而這些場景可能適用于特定日期的主要天氣情況（圖5）。這是Hexagon Archidona 太陽能電站項目在提高設備性能和在特定日期采取必要措施方面最主要的成果之一。

圖5：Cradle CFD 模擬為0d AI/ML ROM 提供實時天氣預報

客戶簡介：

2021年初，海克斯康宣布成立一家新的子公司，R-evolution，旨在通過使用?？怂箍地S富的軟件和硬件技術組合來加速世界向可持續(xù)全球經(jīng)濟的過渡，從而加快履行?？怂箍祵沙掷m(xù)發(fā)展的承諾。

R-evolution的任務是利用海克斯康強大的技術資源和人才，專注于投資組合來助力可持續(xù)發(fā)展。在第一輪可持續(xù)投資浪潮中，R-evolution把大量的資金和技術投入到太陽能和風能，以及生態(tài)監(jiān)測中。因此，我們有三個目標：

- 獲得建造、擁有和運營可再生能源電場的一手經(jīng)驗。

- 將這些設施用作?？怂箍低暾漠a(chǎn)品組合創(chuàng)新平臺
- 產(chǎn)生可再生能源現(xiàn)金流并將我們的設施作為P&L業(yè)務運營，盡早實現(xiàn)盈利。我們相信我們可以實現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展并能盈利。

海克斯康的 R-evolution 子公司在短短四個多月內就在西班牙Archidona創(chuàng)建、調試并開始運營其第一個太陽能電站。通過使用海克斯康的硬件和軟件監(jiān)控解決方案（包括可視化平臺和傳感器）將數(shù)據(jù)助力工作，從而提高太陽能電站的效率。采用?？怂箍档?nbsp;Cradle CFD 和 Adams MBD 仿真工具來模擬太陽能場的熱、流體和結構效應，以實現(xiàn)整個太陽能電站的智能數(shù)字化，可以遠程和智能監(jiān)控以檢測太陽能電池板異常、改善維護、協(xié)助檢查和應對日常氣象條件。目標是讓 Archidona 成為世界上最智能、最高效的太陽能發(fā)電站，能夠預測潛在的破壞性影響，例如風和過熱，并能夠抵御這些影響。
通過將電站的可操作“數(shù)字孿生”模型與實時監(jiān)控和天氣預報相結合，電場的操作員可以預測并將如何對環(huán)境條件做出反應，準確指示何時以及如何進行正確的操作調整，以防止任何損壞，同時保持大量的發(fā)電業(yè)務。

?？怂箍稻哂歇毺氐膬?yōu)勢，可以為可持續(xù)發(fā)展應用提供數(shù)字和傳感器解決方案。在 Archidona，我們已經(jīng)能夠使用基于 AI 的降階建模來操作模擬，并將其與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)相結合，生成可用于優(yōu)化設備運營的可操作數(shù)字孿生。使用所有可用的模擬和傳感器數(shù)據(jù)來為太陽能電站提高性能，為太陽能電站業(yè)務決策提供供需和資產(chǎn)管理的信息。

光伏電站今天在很大程度上是智能運行的，?？怂箍导夹g使用數(shù)據(jù)驅動的系統(tǒng)來控制太陽能電站的更多功能，我們相信海克斯康技術將來能加速這一轉變。海克斯康可持續(xù)發(fā)展使命專注于將虛擬和真實數(shù)據(jù)用于提高可再生能源設備的效率、生產(chǎn)力和質量，并為減輕自然資源枯竭和浪費提供解決方案。