通過智能數(shù)字化技術(shù)夫咏，實(shí)現(xiàn)可操作的數(shù)字孿生

2021年初，核某克斯康宣布成立一家新的子公司勿见，R-evolution，旨在通過使用喊偾埽克斯康豐富的軟件和硬件技術(shù)組合來加速世界向可持續(xù)全球經(jīng)濟(jì)的過渡资村，從而加快履行海克斯康對(duì)可持續(xù)發(fā)展的承諾仍桌。

R-evolution的任務(wù)是利用何桑克斯康強(qiáng)大的技術(shù)資源和人才，專注于投資組合來助力可持續(xù)發(fā)展忱叭。在第一輪可持續(xù)投資浪潮中隔崎，R-evolution把大量的資金和技術(shù)投入到太陽能和風(fēng)能，以及生態(tài)監(jiān)測(cè)中韵丑。因此爵卒，我們有三個(gè)目標(biāo)：- 獲得建造、擁有和運(yùn)營可再生能源電場(chǎng)的一手經(jīng)驗(yàn)

- 將這些設(shè)施用作耗斐梗克斯康完整的產(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)營钓株，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)展并能盈利千康。

我們選擇開始建造

2021年4月享幽，R-evolution的可再生能源項(xiàng)目在西班牙西南部馬拉加附近的 Archidona，收購了一個(gè)40公頃的太陽能光伏電站拾弃，利用褐底克斯康和合作伙伴的產(chǎn)品技術(shù)，在項(xiàng)目中獲得了第一手寶貴的太陽能應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)豪椿。我們的第一個(gè)光伏電站-Archidona 1 -在2021年9 月連接到西班牙電網(wǎng)奔坟，它是一個(gè)年發(fā)電8.24 兆瓦，橫跨 60 個(gè)足球場(chǎng)大小的光伏電場(chǎng)祸弥。它有 20,592 個(gè)雙面太陽能光伏板偎旱，具有單軸跟蹤器船庐，當(dāng)白天有太陽時(shí)，這些跟蹤器可以在一個(gè)軸上旋轉(zhuǎn)地捂。同時(shí)將其擴(kuò)展到正在建設(shè)的鄰近 Archidona 2 設(shè)施中羽捻，這將使電站總?cè)萘窟_(dá)到 16.44 MWp；每年足以為一個(gè)有 6000 人的村莊供電滤重。光伏電池板將太陽能轉(zhuǎn)化為電能酣疏，為西班牙國家電網(wǎng)提供綠色能源。

R-evolution的目標(biāo)很簡(jiǎn)單——打造世界上最智能的太陽能項(xiàng)目組合鲫庆，我們的雄心是提供比不使用何苁铮克斯康技術(shù)的同等電站高 30% 的電力。禾桶瘢克斯康的目標(biāo)效率提升將涵蓋從太陽能電站規(guī)劃霹孙、設(shè)計(jì)、制造络兜、建造辐赞、運(yùn)營和優(yōu)化的方方面面。我們目前已經(jīng)安裝（參見圖 1）以及在 Archidona 中已經(jīng)使用 Hexagon 產(chǎn)品組合中的技術(shù)如下疏橄，隨著時(shí)間的推移占拍，我們還會(huì)添加其他技術(shù)：

? 規(guī)劃 – HXDR 內(nèi)容3D 規(guī)劃 ? 數(shù)字孿生/現(xiàn)實(shí)捕捉 – BLK2GO 和 RT 360 掃描儀 

? 設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)監(jiān)控和預(yù)測(cè)——AI Hub 和 Xalt 

? 設(shè)備建設(shè)監(jiān)控——Oxblue 攝像頭 

? 設(shè)備安全監(jiān)控——BLK247 攝像頭 

? 設(shè)計(jì)與工程仿真和 AR – Cradle CFD、Adams MBD 和 Xalt

太陽能光伏電站的機(jī)械性能挑戰(zhàn)

太陽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源捎迫。因此晃酒，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。然而窄绒，有幾種故障模式和退化機(jī)制可能會(huì)降低太陽能發(fā)電站的功率輸出或?qū)е陆M件和跟蹤器發(fā)生故障贝次。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 —— 這占美國因風(fēng)暴和颶風(fēng)而導(dǎo)致的太陽能發(fā)電站故障的 15% 左右 2. 由于太陽熱效應(yīng)彰导，支撐結(jié)構(gòu)中的熱機(jī)械應(yīng)力和開裂 3. 太陽能電池板支架周圍的地面侵蝕蛔翅、潛在的植被過度生長和鄰近結(jié)構(gòu)的陰影效應(yīng) 4. 灰塵、雪和碎屑堆積在太陽能電池板上位谋，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)物山析、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)掏父、停機(jī)和發(fā)電短缺羽嘉。

圖1:Archidona設(shè)施建設(shè)和監(jiān)控中使用的幾種Hexagon技術(shù)

基于 CFD 的數(shù)字孿生-Archidona 太陽能電站

海克斯康的 Cradle CFD 是世界上最現(xiàn)代的通用 CFD 軟件鹏亥，它專注于多物理場(chǎng)反腺，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）相耦合聊浊，用于結(jié)構(gòu)薄好、多體動(dòng)力學(xué)和聲學(xué)模擬。我們希望將其應(yīng)用到太陽能發(fā)電站斩缘，以便生產(chǎn)出可運(yùn)行的數(shù)字孿生設(shè)備唁底，供運(yùn)營商在現(xiàn)場(chǎng)使用。

圖2：通過掃描嚣咕、地理空間和CFD模型

創(chuàng)建一個(gè)太陽能發(fā)電站運(yùn)行的數(shù)字孿生

為此溜信，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)際太陽跟蹤器掃描的數(shù)據(jù)绷咳，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)琅翻，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-東南方向位仁。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 模擬方椎，使它適用于風(fēng)速聂抢、風(fēng)向、面板垂直方向等條件棠众，并創(chuàng)建強(qiáng)大的 0D 降階模型琳疏。

我們能夠確定，唯一值得關(guān)注的風(fēng)向是東風(fēng)（視頻 3）它在太陽能發(fā)電站的東南部分附近顯示出復(fù)雜的再循環(huán)模式闸拿，并且它可以預(yù)測(cè)面板上的精確流體結(jié)構(gòu)效應(yīng)空盼，以便采取相應(yīng)的行動(dòng)。同樣新荤，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）的太陽能電池板結(jié)構(gòu)的影響揽趾，結(jié)果表明，它具有最小的機(jī)械效應(yīng)苛骨。

視頻 3:Archidona現(xiàn)場(chǎng)當(dāng)?shù)刂饕L(fēng)向

和組件支架的CFD模擬預(yù)測(cè)

如今篱瞎，隨著太陽能電池板變得越來越大，越來越高痒芝，太陽能電池板就像巨大的帆遥局。因此，強(qiáng)風(fēng)會(huì)抓住并扭曲它們肛精，從而給面板造成巨大損壞莽烫。今年 8 月，桑迪亞國家實(shí)驗(yàn)室和美國能源部報(bào)告稱夕涧，在過去 6 年中魄蔗，估計(jì)有 15% 的面板損壞事件是由颶風(fēng)造成的，隨著氣候變化刹讹，颶風(fēng)的強(qiáng)度會(huì)逐漸增加肆洽。

令人驚訝感到驚訝的是易麻，平均只有約 25% 的射入到太陽能電池板的太陽輻射被轉(zhuǎn)化為電能。其余的只是加熱面板社咒，或者它會(huì)反射到大氣中秽祷。事實(shí)上，太陽能電池板會(huì)有過熱問題位俩，隨著溫度升高矗寂，它們的發(fā)電能力開始下降。因此勇蝙，讓太陽能電站運(yùn)營商感興趣的是沫勿，如何使用當(dāng)?shù)仫L(fēng)冷效應(yīng)來增加發(fā)電量的可能性。

圖 4：何痘欤克斯康太陽能農(nóng)場(chǎng)智能數(shù)字現(xiàn)實(shí)的

運(yùn)營數(shù)字孿生示意圖

同樣产雹，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)估太陽能電池板在雨天傾斜的最佳角度翁锡，以便預(yù)算出蔓挖，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馆衔！圖 4 顯示了在西班牙創(chuàng)建的“何僚校克斯康運(yùn)營數(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)角溃。能夠通過 Cradle CFD 和 Adams 進(jìn)行多物理場(chǎng)流體-結(jié)構(gòu)-多體模擬拷获，以表明超過 40° 傾斜的太陽能電池板，風(fēng)壓水平可能會(huì)影響其結(jié)構(gòu)安全开镣。

視頻 5：Xalt 增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)-從iPad中實(shí)時(shí)查看

陽能農(nóng)場(chǎng)的Cradle CFD 數(shù)字孿生流預(yù)測(cè)

事實(shí)證明刀诬，在太陽能電站的項(xiàng)目中，Cradle CFD 與Hexagon Xalt 技術(shù)相結(jié)合常籍，操作員可以通過他們的 iPad 或 iPhone查看流體流動(dòng)效應(yīng)和溫度場(chǎng)健吃，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)大工具外锨圣，它還可以用于培訓(xùn)場(chǎng)景（視頻 5）陕绢。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中骗采，只要有足夠的仿真樣本庫闯揪，即在不同天氣和操作條件的各種排列組合下，仿真模擬词趾，生成樣本庫避某，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 7）。 這是Hexagon Archidona 太陽能電站項(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蚯垫。

視頻6：太陽能農(nóng)場(chǎng)的CFD 數(shù)字孿生體

圖7：Cradle CFD 模擬為0d AI/ML ROM 提供實(shí)時(shí)天氣預(yù)報(bào)

總結(jié)

合刑椋克斯康的 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)營其第一個(gè)太陽能電站咳碰。通過使用浩侍海克斯康的硬件和軟件監(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，從而提高太陽能電站的效率教馆。采用貉纺保克斯康的 Cradle CFD 和 Adams MBD 仿真工具來模擬太陽能場(chǎng)的熱、流體和結(jié)構(gòu)效應(yīng)土铺，以實(shí)現(xiàn)整個(gè)太陽能電站的智能數(shù)字化胶滋，可以遠(yuǎn)程和智能監(jiān)控以檢測(cè)太陽能電池板異常、改善維護(hù)舒憾、協(xié)助檢查和應(yīng)對(duì)日常氣象條件镀钓。目標(biāo)是讓 Archidona 成為世界上最智能、最高效的太陽能發(fā)電站镀迂，能夠預(yù)測(cè)潛在的破壞性影響，例如風(fēng)和過熱唤蔗，并能夠抵御這些影響探遵。

通過將電站的可操作“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)妓柜，準(zhǔn)確指示何時(shí)以及如何進(jìn)行正確的操作調(diào)整箱季，以防止任何損壞，同時(shí)保持大量的發(fā)電業(yè)務(wù)寸纠。

忽ㄐ郏克斯康具有獨(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帮课。在 Archidona匙久，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(jié)合八泡，生成可用于優(yōu)化設(shè)備運(yùn)營的可操作數(shù)字孿生趾马。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(wù)決策提供供需和資產(chǎn)管理的信息锚揍。

光伏電站今天在很大程度上是智能運(yùn)行的毁察，海克斯康技術(shù)使用數(shù)據(jù)驅(qū)動(dòng)的系統(tǒng)來控制太陽能電站的更多功能防养，我們相信荷腥荆克斯康技術(shù)將來能加速這一轉(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)備的效率逗柴、生產(chǎn)力和質(zhì)量蛹头，并為減輕自然資源枯竭和浪費(fèi)提供解決方案。

（汉坑冢克斯康制造智能）

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