可再生能源 | 仿真技术助力HelioRec开发漂浮式海上太阳能

随着全球企业纷纷承诺减少碳排放，工程师和研究人员一直在寻找创新技术，以最大限度地利用可再生能源。据美国能源部称，在短短一个半小时内照射到地球表面的阳光所产生的太阳能，就足以满足全球一年的能耗需求。太阳能的能量如此巨大，因此，其理所当然地成为了世界上最有前景的可再生能源解决方案之一。然而，太阳能电池板通常需要占用大量的空地，而这是许多地区无法提供的。

法国初创公司HelioRec是可再生能源解决方案的先驱，也是Ansys初创公司计划的成员。为了在土地有限的情况下开发太阳能，该公司正在研发一种可放置在近岸水域的漂浮式太阳能技术。

漂浮式太阳能技术成功的前提是，其系统必须能够承受各种环境载荷，例如风、浪和水流，以及系泊线设计等运行因素。为了确保这些系统的结构完整性和最佳性能，HelioRec集成了Ansys仿真技术用于精细的设计优化，包括高级有限元分析（FEA）、计算流体力学（CFD）和材料选择。上述优化的工作流程使HelioRec能够加速推进太阳能技术的发展，扩大其运营范围，并支持全球可持续能源计划。

 

法国初创公司HelioRec利用Ansys仿真技术为近岸水域开发了创新型漂浮式太阳能电池板技术    

最大限度地利用海上太阳能

   

漂浮式太阳能电池板不仅在那些原本无法部署太阳能技术的地区推动太阳能的发展，而且还能通过水的冷却提高太阳能电池板的效率。温度在光伏（PV）转换过程中发挥着关键作用——太阳能电池的性能随着温度升高而下降。太阳能电池板的电气效率和功率输出都与其工作温度呈线性关系。一项研究发现，海上的年均相对输出能量比陆地高出约13%，在某些月份的能源产量甚至高出18%。

漂浮式太阳能发电厂利用湖泊、水库和池塘等水体作为太阳能电池板的装置平台。与传统的陆地太阳能装置相比，这种方法具有多种优势，包括提高效率、节约土地资源以及与现有水力发电基础设施产生潜在的协同效应。此外，这些装置还可以缓解与土地征用相关的问题，并为能源生产提供一种环保的替代方案。

漂浮式太阳能电池板系统的另一个好处是，其不依赖于电网，因此可提供独立的能源来源。

如前所述，漂浮式太阳能技术系统需要承受环境载荷和运行因素的影响。有限元法（FEM）使工程师能够仿真和分析不同载荷条件下的结构行为，有助于优化材料使用和结构设计，而CFD则有助于评估作用在漂浮式平台上的流体作用力，包括波浪引起的运动和风载荷。通过结合FEM和CFD，工程师可以优化设计参数，以提高漂浮式太阳能装置的稳定性、耐用性和能量输出。

 

在Ansys Fluent中对具有30度倾斜角的多个浮体进行静态风载荷仿真    

2022年末，Ansys精英渠道合作伙伴4CAD集团将HelioRec引入Ansys初创公司计划，该计划通过提供价格合理、可负担的Ansys多物理场仿真解决方案和技术支持，助力早期到中期阶段的初创公司发展。

此后，HelioRec开展了广泛的仿真，以优化其漂浮式太阳能平台的设计，从而确保其在承受环境载荷时具有鲁棒性，同时最大限度地提高能源产量。

HelioRec创始人兼首席执行官Polina Vasilenko表示：“Ansys作为工程仿真软件的领先企业，提供了一套专门用于FEM和CFD分析的综合工具。其先进的功能使工程师能够准确仿真复杂的现象，从而推动包括可再生能源在内的各个行业的设计优化。”

 

Polina Vasilenko，HelioRec创始人兼首席执行官    

了解该技术

   

标准漂浮式太阳能电池板技术包含六个基本系统组件：

1. 光伏系统：光伏太阳能电池板

2. 浮力系统：浮力结构和材料

3. 电缆系统：连接到电气平衡系统（BOS）的电缆

4. 平台和支架系统：太阳能电池板的基础

5. 系泊和锚定系统：用于将系统固定到位

6. 电气平衡系统：包含其他设备，例如可将直流（DC）电转换为交流（AC）电的太阳能逆变器

 

漂浮式光伏（FPV）技术包含六个基本系统组件（图片改编自美国能源部）    

通常，在光伏板组之间也设有人行道，以便工程师和其他团队成员可以在设备上行走，从而可接触到光伏板和其他组件。

除了这些基本组件外，HelioRec的发电厂还提供三项创新功能，包括独特的设计、使用回收塑料的循环经济方法以及机器学习（ML）算法，这些算法有助于预测能源生产、优化运营维护以及进行系统优化。

让我们进一步了解HelioRec技术的工作原理，以及仿真如何确保其成功。

 

这些基本草图描绘了HelioRec典型太阳能电池板系统的设计，包括浮力系统、FPV技术和系泊线    

利用仿真开发太阳能

   

在Ansys Mechanical的有限元分析中，HelioRec工程师可以微调漂浮式平台的结构配置，优化材料选择和布局，以有效承受动态载荷。Mechanical是具有完整分析工具的动态环境，从准备几何结构进行分析到连接其它物理场以实现更高的保真度。可定制的直观用户界面使各种水平的工程师能够快速而满怀信心地获得答案。

 

在Ansys Mechanical中对人行道结构与系泊线连接处的耳板进行了应力分析    

在此基础上，他们使用Ansys Granta Selector和内置的综合数据集MaterialUniverse来增强材料选择，该数据集包含数千种工程材料的技术、经济和环境信息。此外，Granta Selector的系统化材料选择方法使工程师能够对属性进行比较、可视化并设置限制。

HelioRec使用柔性材料，并对漂浮元件之间的连接器采用了独特设计。这种组合可减小整个系统的机械应力。在太阳能电池板和浮体之间保留空气间隙，可形成一种被动冷却系统，从而支持更高效的发电厂运行，同时还能增强自然水的冷却效应。

 

HelioRec使用Ansys Granta Selector为其漂浮式光伏（FPV）技术确定最具可持续性和耐用性的材料    

此外，其获得了专利的水锁（hydro-lock）功能旨在将水保留在浮体内，因为水可提供额外的质量，从而在不增加金属或混凝土等压载材料成本的情况下提高稳定性。

Ansys Fluent提供了现代化用户友好型界面，可简化从前处理到后处理的流程。

CFD仿真为HelioRec提供了有关水动力学行为的关键洞察，从而为改进系泊线设计和提升平台稳定性提供了指导。

通过加速的工作流程，HelioRec得以将其制造业务从爱沙尼亚转移到法国，并建立了新的生产设施。迄今为止，该团队已有两个漂浮式太阳能电池板发电厂投入运营，还有三个正在建设中。

Vasilenko表示：“利用Ansys软件，HelioRec实现了之前难以想象的设计优化水平，从而得以在法国建立新的生产设施。”

 

HelioRec在法国布雷斯特港的漂浮式太阳能发电厂    

太阳能技术将迎来更多成功

   

凭借改进的设计和更高的运营效率，HelioRec致力于为全球可再生能源领域做出重大贡献。

漂浮式太阳能技术的设计优化，对于充分发挥其作为可持续能源解决方案的潜力至关重要。通过集成仿真技术，HelioRec将继续优化其设计，并推动太阳能技术的发展，以支持更环保、更可持续的未来。