本文最初发布于2018年3月7日，是《自动化世界》3月刊的一部分。有关通用电气正在为塔塔电力优化可再生能源和热资产所做的最新工作，请阅读“在印度实现热能和可再生能源数字化”。
像风能和太阳能这样的可再生能源产业在过去几年里经历了起起伏伏，市场变化是由许多因素驱动的，其中包括政府的支持和当前化石燃料的价格。尽管人们担心电网兼容性和能源存储，但可再生能源似乎已经占据了自己的地位，与传统能源展开正面竞争。
这对可再生能源来说是个好消息。但如果他们要继续在能源市场上取得进展，那就不是出于保护地球的理想。这是因为它们是最具成本效益的技术，可以满足我们的能源需求。
自动化不仅可以降低太阳能电池板和风力涡轮机的初始生产成本，还可以帮助现有的基础设施从现有资产中获得尽可能多的能源——提高可靠性和正常运行时间，并优化这些资产产生的能源的生产和交付。
“对他们来说，要想获得更好的投资回报，最便宜的方法就是从他们已经投资的东西上获得更好的回报，”丹·西拉瓦(Dan Sylawa)说菲尼克斯．
西拉瓦指出，近年来，这种对话发生了一些变化。“业界已经意识到，这不仅仅是一个太阳能阵列或风力发电场。这是一个发电厂，它必须运行20年，”他说。“这一切都是为了优化资产性能——现在更是如此，因为整个行业都认识到了这一点。我们现在拥有临界质量的风能和太阳能发电。”
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一个更具互联性、动态性和适应性的风能系统有助于优化风力涡轮机的生产和安装后的运行。来源:通用电气 |
优化现有资产
在可再生能源领域，现有资产的效率始终是最关键的因素通用电气动力．“可再生能源理论上是免费的。而且基础设施的建设需要固定成本。所以获得电力的效率很重要，”他说。“控制在提高设备效率方面发挥着非常重要的作用。”
以太阳能为例，这种控制可能相对简单。如果今天和明天都是晴天，但明天的输出比今天少，那么你就必须理解是什么导致了这种差异。卡朋特说:“也许有一只鸟在太阳能电池板上，什么东西断开了。”“你越快找到产出减少的原因，就能越快解决问题。”
风能不那么稳定，需要更多的控制来优化效率。卡彭特说:“在风力发电场中，所有的元素都不会以相同的方式得到相同的风。”例如，前面的风车可能会影响后面的风车得到的风。“控制的重点是让叶片的倾斜和方向赶上风。在农场层面，前面的单位如何告诉后面的单位发生了什么，让他们知道会发生什么?”
GE的数字风电场创造了一个更加互联、动态和适应性强的风能系统，优化了涡轮机的生产和安装后的运行。在生产中，GE使用数字孪生建模系统，在风电场的每个独特位置建立多达20个不同的涡轮机配置，以根据周围环境以最高效率发电。数字双胞胎还实时分析涡轮机的运行情况，并做出调整，以提高运行效率。
在风力发电场，涡轮机上的连接传感器收集数据，并通过通用电气的Predix软件进行实时分析，使运营商能够通过涡轮机、发电场或整个车队的数据监控性能。这些数据提供了温度、涡轮失调或振动等可能影响性能的信息。
虽然大多数人可能认为云对太阳能不是朋友——特别是当它们阻挡太阳光线并阻止电池板发电时——霍尼韦尔是云太阳能的大力支持者。
霍尼韦尔(Honeywell)的鲍勃•埃尔(Bob Ell)表示，有了云计算，对现有资产的可见性就更容易了。对于刚刚成立的太阳能企业来说，利用云技术可以为构建和配置系统提供更好的技术。“他们拥有霍尼韦尔管理的现代技术和基础设施，”他表示。“他们不必担心升级或软件，可以使用标准的电信和网络安全技术。”
控制部门目前面临的一个巨大挑战是风力涡轮机的体积越来越大。卡朋特说:“机组越来越大，越来越高，叶片越来越长，这给叶片带来了很大的压力，但它们可以产生很大的动力。”这是一个基于模型的控制问题，需要大量复杂的数学运算。“反应越好，就越能优化功率，同时降低损坏设备本身的风险。”
卡朋特说，这些日益复杂的算法需要更多的边缘处理能力，使用多核处理器进行控制。虽然标准控制在一个核心中确定地完成，但模型在另一个核心上的非确定性控制器中运行。作为一个数字双胞胎，它可以将命令传递到确定性方，以优化涡轮机的运行方式。卡彭特补充道:“大型车型需要很大的马力才能运行。“我们将在边缘投入更大的马力来运行它。”
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串级监测提供了对太阳能电池阵列性能的可见性，有助于最大限度地提高电力产量和最小化维护成本。来源:凤凰联系 |
改善资产正常运行时间
甚至不考虑优化性能，光是停机时间就会让可再生能源付出高昂的代价。根据能源信息署(EIA)的数据，在美国，2016年风能增长了近20%，超过52000台风力涡轮机产生了226太瓦时的能量。但根据最近的一份报告吸收该公司是一家预测分析初创公司，目前美国风力发电机组中有大约12太瓦时的未开发能源是由于停机造成的。即使增加1%的可用性，每年也会增加约2.4太瓦时的能源，这足以为22.2万户家庭提供一年的清洁能源。
对于风力发电商来说，节约的成本也相当可观。Uptake可再生能源副总裁Ray Blitstein表示:“在风力生产商部署先进分析技术后的几天内，他们通过预测主轴承故障，能够节省约25万美元的损坏和停机时间。”“那是在冬季，而冬季是一年中产量最高的季节之一，所以它对供应和生产效率产生了重大影响。”
中西部的另一家舰队运营商有一台无法发电的涡轮机，据报道是因为没有风。而旁边的涡轮却在发电。布利斯坦说，这个问题很难确定，“除非你有非常简单的工具和复杂的后端。”由于他们能够从正确的数据中学习，一个校准错误的风速表使涡轮机即使在有风的情况下也不能产生能量。
>>阅读杜克能源如何使用用于检查太阳能和风力发电场的小型无人机系统．
向边缘移动的部分原因是资产上到处都有越来越多的传感器。冰探测、振动传感和弯矩只是工业中传感器激增所实现的测量中的一小部分。
就像冰会导致飞机机翼出现问题一样，它也会对风力涡轮机的负载造成严重破坏。Sylawa解释说，涡轮机操作员可以从资产上获得实时数据，当叶片上结冰时，他们可以关闭涡轮机。然而，运营商没有一个很好的方法来知道冰什么时候融化，所以他们经常错过潜在的正常运行时间。传感器可以为他们提供所需的实时数据，以确定何时重新启动涡轮机。
根据Sylawa的说法，涡轮机上磨损最大的部件是齿轮箱。使用传感器测量叶片的弯矩有助于了解涡轮上的负载以及它将如何影响齿轮箱。他说:“我们可以通过有效加载来优化变速箱的性能，并延长变速箱的使用寿命。”“我们获得了更好的性能，并减少了维护需求。”
特别是随着风力涡轮机变得越来越大、越来越高，它们的高度和暴露度使得它们很容易捕捉过往的风，也使它们很容易受到雷击的破坏。凤凰接触公司风能产品组合中的一个重要产品是其闪电监测系统(LM-S)，该系统使用偏振传感精确地测量和分析雷电浪涌电流的全方位特征。
据凤凰接触公司称，闪电电流测量系统以前很难实施，或者提供的信息范围有限。Sylawa说，派遣工人去检查涡轮机需要大量的劳动力和成本，而且并不总是能够区分雷击和其他类型的损坏。另一方面，由于其重量轻，体积小，偏振传感器易于安装在风力涡轮机上，并且可以安装在新的和改造的应用中。
Sylawa表示，太阳能行业的传感器也出现了同样的趋势。太阳能发电厂表现不佳通常不是由电池本身引起的，而是由各种问题引起的，如连接问题、云层覆盖或其他阴影问题。越来越多的连接传感器使公用事业公司能够从他们的太阳能电池阵列获得实时数据，以最大限度地提高电力产量，最小化运营和维护成本，并最大限度地提高阵列性能。
Phoenix Contact技术可以监控到管柱级别，这可以帮助识别隐藏的阵列损失，也可以帮助定位故障点。
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加州的涡轮机可能已经有几十年的历史了，它们缺乏远程监控和控制系统，这些系统可以帮助它们根据需要减少或增加产量。来源:Opto 22 |
工厂自动化
如此专注于优化现有资产，重要的是太阳能电池制造商不要忽视通过优化工厂生产所获得的效率收益。“如果没有重大投资，今天的太阳能解决方案将很难与化石燃料资源竞争，特别是在目前的低价格下，”丹·韦斯特说，他是该公司电子和组装的行业部门销售经理费斯托．
韦斯特说，费斯托特别专注于为运动需求创造一个完整的系统。他说:“总的来说，太阳能制造业需要找到灵活自动化的自动化方法，例如电气自动化，这可以允许一些简单的产品变更，通过不为新生产线购买新的自动化设备来降低总体成本。”
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更灵活的工厂自动化将帮助太阳能电池制造商优化生产效率。来源:费斯托 |
保持电网稳定
可再生能源进入电网后，电池存储是最大的挑战。卡朋特指出，当风不吹或太阳不照耀时，减弱的能量负荷意味着系统的其余部分必须重新定向。
关于该行业如何协调未来能源类型之间的舞蹈，有各种各样的想法，但今天许多电力公司用来管理负荷的是峰值电厂——仅在需求高时(即高峰时段)运行的发电厂。
卡彭特说:“但你必须知道什么时候把它转起来。”他描绘了一幅相关场景的画面。“现在是7月4日的中午，天气超级热，每个人都开着空调。你有很好的可再生能源进入电网，但突然间它变得多云。然后有人会把不运转的燃气轮机修好，让它运转起来。”
未来的电网可以自动控制，将天气数据、能源需求、可用资源等因素考虑在内。
在加州，获取所需数据以了解资产运营的最佳时机尤为重要，因为可再生能源目前在该州能源结构中占据了重要部分。“风力涡轮机恰好在加州相对流行，并且已经存在了30年，”该公司营销和产品战略副总裁本森·霍格兰(Benson Hougland)指出光电子的22．
虽然我们倾向于认为，如果风不吹，风能就没有效率，但将过多的风能投入电网也会产生同样多的问题。“电网在可调度负荷方面存在问题，即根据市场条件、天气、需求等各种原因打开或关闭负荷的能力，”霍格兰解释说。
为了迫使风力涡轮机可调度，并保持能量水平平衡，电力公司加州ISO已经开始操纵涡轮机发电的市场价格。霍兰德说:“如果因为需求不足而需要抑制供应，他们会把市场价格降得非常低。”“如果他们需要关闭负荷，他们会将其转向负市场价格。所以，如果你仍然在转动涡轮机，向电网输送能量，你就是在给他们写支票。”
风能的长期成功意味着加州的许多涡轮机已经使用了几十年，缺乏远程监测和控制系统，这些系统可以帮助它们根据需要减少或增加产量。电力公司不得不24小时为他们的风力发电场配备技术人员，在短短5分钟内实际启动或关闭单个涡轮机，否则将面临经济处罚。
相反,SCADA解决方案开发了WindCapture在线监测和控制系统，以远程监控和自动管理风电场发电，直至单个涡轮机。该系统使用Opto 22的SNAP PAC控制器来监督每个涡轮机上的单个I/O控制器，一个用于通信的无线网状无线电网络，以及Opto 22的groov操作界面用于移动设备。
SCADA Solutions工程师Craig VanWagner指出:“Opto 22的软件应用套件为我们提供了各种接口和协议，并能够将OPC数据推送到云端，而groov允许我们的客户通过智能手机或其他移动设备访问实时涡轮机数据并控制这些涡轮机。”
该系统能够向加州ISO发出API调用，以确定该地区的边际价格(LMP)，并在必要时关闭涡轮机。霍兰德说:“加州ISO得到了他们想要的，所有者/运营商也不必被迫开支票。”
可以肯定的是，对于那些习惯于使用更稳定能源的传统能源公司来说，可再生能源在带来机遇的同时也带来了一些新的挑战。但是根据Ell的说法，公用事业公司对新技术已经变得更加开放。“可再生能源的模式正在发生变化。这更像是美国的狂野西部。”“他们愿意倾听，愿意尝试过去可能没有的东西。”
