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如何建设和运营智能太阳能光伏电站

面临的挑战：

太阳能光伏电站的机械性能挑战

太阳能电池板中没有活动部件——这是其他类型发电系统可靠性问题的主要来源。因此，光伏组件的使用寿命很大程度上取决于其制造材料的稳定性和耐腐蚀性。然而，有几种故障模式和退化机制可能会降低太阳能发电站的功率输出或导致组件和跟踪器发生故障。故障的发生几乎都受天气影响或面板、支撑结构上基于温度的应力有关：

1. 阵风和风暴造成的机械损坏 —— 这占美国因风暴和飓风而导致的太阳能发电站故障的 15% 左右
2. 由于太阳热效应，支撑结构中的热机械应力和开裂
3. 太阳能电池板支架周围的地面侵蚀、潜在的植被过度生长和邻近结构的阴影效应
4. 灰尘、雪和碎屑堆积在太阳能电池板上，偶尔还会有冰雹损坏
5. 电路退化和电路短路
6. 功率逆变器/变压器过热和光伏火灾相关风险
7. 进水对面板和跟踪器的侵蚀和腐蚀

8. 野生动物（动物、鸟类甚至水生生物）对光伏电池板的损坏和污染。

所有这些因素都可能导致维护、停机和发电短缺。

图1:Archidona设施建设和监控中使用的几种Hexagon技术

来自海克斯康的解决方案：

基于 CFD 的数字孪生-Archidona 太阳能电站

海克斯康的 Cradle CFD 是世界上最现代的通用 CFD 软件，它专注于多物理场，并与精度领先的计算机辅助工程软件（如 MSC Nastran、Marc、Adams 和 Actran）相耦合，用于结构、多体动力学和声学模拟。我们希望将其应用到太阳能发电站，以便生产出可运行的数字孪生设备，供运营商在现场使用。

图2：通过扫描、地理空间和CFD模型创建一个太阳能发电站运行的数字孪生

为此，我们使用 Hexagon 地理空间和地理系统扫描数据创建了 Archidona 设施和邻近山丘周围景观的完整模型（见图 2）。这使我们能够获取真实世界的安装数据（以及工程图纸）和徕卡设备从实际太阳*扫描的数据，以创建非常准确的地形和光伏设备模型。

根据气象数据，我们知道在Archidona地区的主要风向在一年中的大部分时间都是从西北-东南方向。然后利用海克斯康 ODYSSEE CAE AI/ML 软件进行一系列精确的 3D CFD 模拟，使它适用于风速、风向、面板垂直方向等条件，并创建强大的 0D 降阶模型。

我们能够确定，唯一值得关注的风向是东风它在太阳能发电站的东南部分附近显示出复杂的再循环模式，并且它可以预测面板上的精确流体结构效应，以便采取相应的行动。同样，我们能够使用 CFD 评估对倾斜地面站点（Archidona 2 倾斜 3 度）的太阳能电池板结构的影响，结果表明，它具有最小的机械效应。

如今，随着太阳能电池板变得越来越大，越来越高，太阳能电池板就像巨大的帆。因此，强风会抓住并扭曲它们，从而给面板造成巨大损坏。今年 8 月，桑迪亚国家实验室和美国能源部报告称，在过去 6 年中，估计有 15% 的面板损坏事件是由飓风造成的，随着气候变化，飓风的强度会逐渐增加。

令人惊讶感到惊讶的是，平均只有约 25% 的射入到太阳能电池板的太阳辐射被转化为电能。其余的只是加热面板，或者它会反射到大气中。事实上，太阳能电池板会有过热问题，随着温度升高，它们的发电能力开始下降。因此，让太阳能电站运营商感兴趣的是，如何使用当地风冷效应来增加发电量的可能性。

图 4：海克斯康太阳能农场智能数字现实的运营数字孪生示意图

同样，Cradle CFD 支持网友在网站上进行大量此类“假设”分析，CFD 甚至可以帮助评估太阳能电池板在雨天倾斜的最佳角度，以便预算出，在每年下雨的西班牙西南部这个地区，平均 6 天就需要清洗一次电池板！图 4 显示了在西班牙创建的“海克斯康运营数字孪生”示意图，描述了与当地天气预报事件相关的电站操作员的工作流程：传感 - 模拟 - 行动。能够通过 Cradle CFD 和 Adams 进行多物理场流体-结构-多体模拟，以表明超过 40° 倾斜的太阳能电池板，风压水平可能会影响其结构安全。

事实证明，在太阳能电站的项目中，Cradle CFD 与Hexagon Xalt 技术相结合，操作员可以通过他们的 iPad 或 iPhone查看流体流动效应和温度场，实现了现场设备的增强现实可视化。除了作为操作洞察力的强大工具外，它还可以用于培训场景。每个 3D Cradle CFD 模型场景通常需要大约 1 小时才能在多核 PC 上进行计算，但基于ODYSSEE中，只要有足够的仿真样本库，即在不同天气和操作条件的各种排列组合下，仿真模拟，生成样本库，就可以让操作员在几秒钟内运行各种不同的场景，而这些场景可能适用于特定日期的主要天气情况（图5）。这是Hexagon Archidona 太阳能电站项目在提高设备性能和在特定日期采取必要措施方面最主要的成果之一。

图5：Cradle CFD 模拟为0d AI/ML ROM 提供实时天气预报

客户简介：

2021年初，海克斯康宣布成立一家新的子公司，R-evolution，旨在通过使用海克斯康丰富的软件和硬件技术组合来加速世界向可持续全球经济的过渡，从而加快履行海克斯康对可持续发展的承诺。

R-evolution的任务是利用海克斯康强大的技术资源和人才，专注于投资组合来助力可持续发展。在第一轮可持续投资浪潮中，R-evolution把大量的资金和技术投入到太阳能和风能，以及生态监测中。因此，我们有三个目标：

- 获得建造、拥有和运营可再生能源电场的一手经验。

- 将这些设施用作海克斯康完整的产品组合创新平台
- 产生可再生能源现金流并将我们的设施作为P&L业务运营，尽早实现盈利。我们相信我们可以实现可持续发展并能盈利。

海克斯康的 R-evolution 子公司在短短四个多月内就在西班牙Archidona创建、调试并开始运营其第一个太阳能电站。通过使用海克斯康的硬件和软件监控解决方案（包括可视化平台和传感器）将数据助力工作，从而提高太阳能电站的效率。采用海克斯康的 Cradle CFD 和 Adams MBD 仿真工具来模拟太阳能场的热、流体和结构效应，以实现整个太阳能电站的智能数字化，可以远程和智能监控以检测太阳能电池板异常、改善维护、协助检查和应对日常气象条件。目标是让 Archidona 成为世界上最智能、最高效的太阳能发电站，能够预测潜在的破坏性影响，例如风和过热，并能够抵御这些影响。
通过将电站的可操作“数字孪生”模型与实时监控和天气预报相结合，电场的操作员可以预测并将如何对环境条件做出反应，准确指示何时以及如何进行正确的操作调整，以防止任何损坏，同时保持大量的发电业务。

海克斯康具有独特的优势，可以为可持续发展应用提供数字和传感器解决方案。在 Archidona，我们已经能够使用基于 AI 的降阶建模来操作模拟，并将其与物联网数据相结合，生成可用于优化设备运营的可操作数字孪生。使用所有可用的模拟和传感器数据来为太阳能电站提高性能，为太阳能电站业务决策提供供需和资产管理的信息。

光伏电站今天在很大程度上是智能运行的，海克斯康技术使用数据驱动的系统来控制太阳能电站的更多功能，我们相信海克斯康技术将来能加速这一转变。海克斯康可持续发展使命专注于将虚拟和真实数据用于提高可再生能源设备的效率、生产力和质量，并为减轻自然资源枯竭和浪费提供解决方案。