面臨的挑戰(zhàn)：
太陽(yáng)能光伏電站的機(jī)械性能挑戰(zhàn)
太陽(yáng)能電池板中沒有活動(dòng)部件——這是其他類型發(fā)電系統(tǒng)可靠性問題的主要來(lái)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(jī)制可能會(huì)降低太陽(yáng)能發(fā)電站的功率輸出或?qū)е陆M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(jié)構(gòu)上基于溫度的應(yīng)力有關(guān)：
1. 陣風(fēng)和風(fēng)暴造成的機(jī)械損壞 —— 這占美國(guó)因風(fēng)暴和颶風(fēng)而導(dǎo)致的太陽(yáng)能發(fā)電站故障的 15% 左右
2. 由于太陽(yáng)熱效應(yīng)，支撐結(jié)構(gòu)中的熱機(jī)械應(yīng)力和開裂
3. 太陽(yáng)能電池板支架周圍的地面侵蝕、潛在的植被過(guò)度生長(zhǎng)和鄰近結(jié)構(gòu)的陰影效應(yīng)
4. 灰塵、雪和碎屑堆積在太陽(yáng)能電池板上，偶爾還會(huì)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(guò)熱和光伏火災(zāi)相關(guān)風(fēng)險(xiǎn)
7. 進(jìn)水對(duì)面板和跟蹤器的侵蝕和腐蝕
8. 野生動(dòng)物（動(dòng)物、鳥類甚至水生生物）對(duì)光伏電池板的損壞和污染。
所有這些因素都可能導(dǎo)致維護(hù)、停機(jī)和發(fā)電短缺。
圖1:Archidona設(shè)施建設(shè)和監(jiān)控中使用的幾種Hexagon技術(shù)
來(lái)自?？怂箍档慕鉀Q方案：
基于 CFD 的數(shù)字孿生-Archidona 太陽(yáng)能電站
海克斯康的 Cradle CFD 是世界上最現(xiàn)代的通用 CFD 軟件，它專注于多物理場(chǎng)，并與精度領(lǐng)先的計(jì)算機(jī)輔助工程軟件（如 MSC Nastran、Marc、Adams 和 Actran）相耦合，用于結(jié)構(gòu)、多體動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)模擬。我們希望將其應(yīng)用到太陽(yáng)能發(fā)電站，以便生產(chǎn)出可運(yùn)行的數(shù)字孿生設(shè)備，供運(yùn)營(yíng)商在現(xiàn)場(chǎng)使用。
圖2：通過(guò)掃描、地理空間和CFD模型創(chuàng)建一個(gè)太陽(yáng)能發(fā)電站運(yùn)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(shè)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(shí)世界的安裝數(shù)據(jù)（以及工程圖紙）和徠卡設(shè)備從實(shí)際太陽(yáng)*掃描的數(shù)據(jù)，以創(chuàng)建非常準(zhǔn)確的地形和光伏設(shè)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(fēng)向在一年中的大部分時(shí)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(jìn)行一系列精確的 3D CFD 模擬，使它適用于風(fēng)速、風(fēng)向、面板垂直方向等條件，并創(chuàng)建強(qiáng)大的 0D 降階模型。
我們能夠確定，唯一值得關(guān)注的風(fēng)向是東風(fēng)它在太陽(yáng)能發(fā)電站的東南部分附近顯示出復(fù)雜的再循環(huán)模式，并且它可以預(yù)測(cè)面板上的精確流體結(jié)構(gòu)效應(yīng)，以便采取相應(yīng)的行動(dòng)。同樣，我們能夠使用 CFD 評(píng)估對(duì)傾斜地面站點(diǎn)（Archidona 2 傾斜 3 度）的太陽(yáng)能電池板結(jié)構(gòu)的影響，結(jié)果表明，它具有最小的機(jī)械效應(yīng)。
如今，隨著太陽(yáng)能電池板變得越來(lái)越大，越來(lái)越高，太陽(yáng)能電池板就像巨大的帆。因此，強(qiáng)風(fēng)會(huì)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(guó)家實(shí)驗(yàn)室和美國(guó)能源部報(bào)告稱，在過(guò)去 6 年中，估計(jì)有 15% 的面板損壞事件是由颶風(fēng)造成的，隨著氣候變化，颶風(fēng)的強(qiáng)度會(huì)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(yáng)能電池板的太陽(yáng)輻射被轉(zhuǎn)化為電能。其余的只是加熱面板，或者它會(huì)反射到大氣中。事實(shí)上，太陽(yáng)能電池板會(huì)有過(guò)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(yáng)能電站運(yùn)營(yíng)商感興趣的是，如何使用當(dāng)?shù)仫L(fēng)冷效應(yīng)來(lái)增加發(fā)電量的可能性。
圖 4：海克斯康太陽(yáng)能農(nóng)場(chǎng)智能數(shù)字現(xiàn)實(shí)的運(yùn)營(yíng)數(shù)字孿生示意圖
同樣，Cradle CFD 支持網(wǎng)友在網(wǎng)站上進(jìn)行大量此類“假設(shè)”分析，CFD 甚至可以幫助評(píng)估太陽(yáng)能電池板在雨天傾斜的最佳角度，以便預(yù)算出，在每年下雨的西班牙西南部這個(gè)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\(yùn)營(yíng)數(shù)字孿生”示意圖，描述了與當(dāng)?shù)靥鞖忸A(yù)報(bào)事件相關(guān)的電站操作員的工作流程：傳感 - 模擬 - 行動(dòng)。能夠通過(guò) Cradle CFD 和 Adams 進(jìn)行多物理場(chǎng)流體-結(jié)構(gòu)-多體模擬，以表明超過(guò) 40° 傾斜的太陽(yáng)能電池板，風(fēng)壓水平可能會(huì)影響其結(jié)構(gòu)安全。
事實(shí)證明，在太陽(yáng)能電站的項(xiàng)目中，Cradle CFD 與Hexagon Xalt 技術(shù)相結(jié)合，操作員可以通過(guò)他們的 iPad 或 iPhone查看流體流動(dòng)效應(yīng)和溫度場(chǎng)，實(shí)現(xiàn)了現(xiàn)場(chǎng)設(shè)備的增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)可視化。除了作為操作洞察力的強(qiáng)大工具外，它還可以用于培訓(xùn)場(chǎng)景。每個(gè) 3D Cradle CFD 模型場(chǎng)景通常需要大約 1 小時(shí)才能在多核 PC 上進(jìn)行計(jì)算，但基于ODYSSEE中，只要有足夠的仿真樣本庫(kù)，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(kù)，就可以讓操作員在幾秒鐘內(nèi)運(yùn)行各種不同的場(chǎng)景，而這些場(chǎng)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(yáng)能電站項(xiàng)目在提高設(shè)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(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)
客戶簡(jiǎn)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(guò)使用?？怂箍地S富的軟件和硬件技術(shù)組合來(lái)加速世界向可持續(xù)全球經(jīng)濟(jì)的過(guò)渡，從而加快履行?？怂箍祵?duì)可持續(xù)發(fā)展的承諾。
R-evolution的任務(wù)是利用?？怂箍祻?qiáng)大的技術(shù)資源和人才，專注于投資組合來(lái)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(shù)投入到太陽(yáng)能和風(fēng)能，以及生態(tài)監(jiān)測(cè)中。因此，我們有三個(gè)目標(biāo)：
- 獲得建造、擁有和運(yùn)營(yíng)可再生能源電場(chǎng)的一手經(jīng)驗(yàn)。- 將這些設(shè)施用作?？怂箍低暾漠a(chǎn)品組合創(chuàng)新平臺(tái)
- 產(chǎn)生可再生能源現(xiàn)金流并將我們的設(shè)施作為P&L業(yè)務(wù)運(yùn)營(yíng)，盡早實(shí)現(xiàn)盈利。我們相信我們可以實(shí)現(xiàn)可持續(xù)發(fā)展并能盈利。
?？怂箍档?nbsp;R-evolution 子公司在短短四個(gè)多月內(nèi)就在西班牙Archidona創(chuàng)建、調(diào)試并開始運(yùn)營(yíng)其第一個(gè)太陽(yáng)能電站。通過(guò)使用?？怂箍档挠布蛙浖O(jiān)控解決方案（包括可視化平臺(tái)和傳感器）將數(shù)據(jù)助力工作，從而提高太陽(yáng)能電站的效率。采用?？怂箍档?nbsp;Cradle CFD 和 Adams MBD 仿真工具來(lái)模擬太陽(yáng)能場(chǎng)的熱、流體和結(jié)構(gòu)效應(yīng)，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)太陽(yáng)能電站的智能數(shù)字化，可以遠(yuǎn)程和智能監(jiān)控以檢測(cè)太陽(yáng)能電池板異常、改善維護(hù)、協(xié)助檢查和應(yīng)對(duì)日常氣象條件。目標(biāo)是讓 Archidona 成為世界上最智能、最高效的太陽(yáng)能發(fā)電站，能夠預(yù)測(cè)潛在的破壞性影響，例如風(fēng)和過(guò)熱，并能夠抵御這些影響。
通過(guò)將電站的可操作“數(shù)字孿生”模型與實(shí)時(shí)監(jiān)控和天氣預(yù)報(bào)相結(jié)合，電場(chǎng)的操作員可以預(yù)測(cè)并將如何對(duì)環(huán)境條件做出反應(yīng)，準(zhǔn)確指示何時(shí)以及如何進(jìn)行正確的操作調(diào)整，以防止任何損壞，同時(shí)保持大量的發(fā)電業(yè)務(wù)。
?？怂箍稻哂歇?dú)特的優(yōu)勢(shì)，可以為可持續(xù)發(fā)展應(yīng)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(lái)操作模擬，并將其與物聯(lián)網(wǎng)數(shù)據(jù)相結(jié)合，生成可用于優(yōu)化設(shè)備運(yùn)營(yíng)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(lái)為太陽(yáng)能電站提高性能，為太陽(yáng)能電站業(yè)務(wù)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(yùn)行的，海克斯康技術(shù)使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)來(lái)控制太陽(yáng)能電站的更多功能，我們相信海克斯康技術(shù)將來(lái)能加速這一轉(zhuǎn)變。海克斯康可持續(xù)發(fā)展使命專注于將虛擬和真實(shí)數(shù)據(jù)用于提高可再生能源設(shè)備的效率、生產(chǎn)力和質(zhì)量，并為減輕自然資源枯竭和浪費(fèi)提供解決方案。
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