科技議題

首頁> 科技議題 - 能源科技> 太陽能與風能巡檢技術數位化發展
太陽能與風能巡檢技術數位化發展 Advancements in Digital Technologies for Solar and Wind Farm Inspection
2021/04
Frost & Sullivan
https://ww2.frost.com/
內文:
新冠疫情的爆發對於風力與太陽能發電量皆產生重大影響,由於嚴格的封鎖措施、建設延遲以及供應鏈中斷,導致2020年可再生電力容量下降13%。邁入2021年,延遲計畫陸續恢復執行,太陽能與風力的產能預計將復歸成長,其裝機容量有望比2020年成長17.5%,約可達到196GW。Frost & Sullivan針對疫情後太陽能與風電場巡檢技術的數位化進程,分析關鍵技術趨勢,以及接踵而來的挑戰與轉機。

一、促進巡檢技術數位化發展的影響因素
(一)地緣政治因素的混亂:全球性規模的封鎖、停工與保持社會距離等防疫措施,使技術和專家無法如期親臨現場巡檢,突顯了自動(automatic)、自主(autonomous)或數位化巡檢的重要性。以先進感測與成像技術,便可在人力需求最小的情況下完成準確、經濟且快速的巡檢任務。

(二)顛覆性創新科技:導入智能系統將改變過去以人力為主的巡檢作業流程,例如:機器學習開啟人工智慧的新頁,經由訓練、創造與自主執行演算法等歷程,大幅提升了檢查的準確度和效率。此外,無人機與機器人可搭載先進的成像攝影機與感測器,結合深度學習與電腦視覺(computer vision),在無人的情境下進行即時物體追蹤、自主導航和巡檢,而智能化的創新技術預估在未來3年內將為產業帶來全新的生態樣貌。

(三)競爭強度:近年來市場上的數位技術如雨後春筍般出現,例如:擴增實境、虛擬實境、巨量資料、無人機、機器人與數位分身(digital twin)等,使競爭走向白熱化。未來巡檢後的檢測數據將上傳到雲端進行處理與分析,使企業可提供即時的分析資料、增強演算法和自動產出報告,以創造更高的競爭優勢,因此預估在未來三年內資料分析將成為舉足輕重的數位化技術。

二、巡檢技術數位化優勢
回顧傳統執行巡檢,專業人員必須前往現場,進行拍攝與檢查任務,因此當攝像清晰度不足時,直接影響了對設備故障或損害的判讀。現今許多太陽能和風電場雖已配載物聯網感測器,用來監測振動、氣候狀況等,但在多數情況下這類數據並無法替代目視檢查,作業人員卻更偏好能眼見為憑的遠端視覺檢測(remote visual inspection, RVI)結果。而數位科技除了保有精確掌握數據的優點,更能實現資料可視化,強化了巡檢與分析程序,並滿足巡檢作業人員的實務需求,其主要優勢如下:

(一)資源優化:
(1)自動化:以最少人力資源執行巡檢,並可改善工安與維運效率。
(2)移動性:具良好的機動性,並能節省差旅成本並提高維運表現。

(二)流程優化:
(1)資訊技術(Information Technology, IT)與維運技術(Operation Technology, OT)的整合:現場作業和檢測資料的整合有利於讓巡檢更加周全。
(2)雲端技術:檢測數據可在端雲平台上存儲和分析,進而提升了巡檢效率。

(三)性能優化:
(1)自主性(Autonomy):巡檢機器人和無人機可以在無人操控的情況下執行物理性測量和任務。
(2)智能分析:巡檢數據透過認知分析能有助於即時決策。

三、數位化巡檢技術趨勢
巡檢技術的數位化進程不僅提高作業人員的工作品質與效率,更兼具成本優勢。目前數位化巡檢技術發展如下:

(一)無人機:無人機可進行數據搜集、自主巡檢與自動報告,相較於傳統巡檢方式更具機動性。

(二)RGB /紅外線攝影機:可識別像是由二極管故障、痕跡、侵蝕或柵欄周邊植披所造成的熱點,搭載這類鏡頭的無人機或機器人即可執行可視化巡檢。

(三)人工智慧:在搜集分析數據後,迅速整合識別出問題,亦可透過演算法的訓練,預測潛在故障。

(四)5G網路:無人機與其他數位技術需仰賴低延遲的數據傳輸,5G網路較4G網路快了百倍,能滿足回傳巡檢數據所需的高速傳輸。

(五)雲端運算:先進的數位技術必須結合雲端運算,來上傳數據與即時分析,並提供資訊交換平台與其他參與者共享。

(六)擴增實境/虛擬實境:提供虛擬作業環境,使技術人員無需親臨現場即可遠端監看設備;並為維運人員在評估太陽能和風電場時,提供了兼具成本優勢與安全性的對策。

(七)數位分身(Digital Twins):透過數位分身,所有的數據資料都能代表一個具像的系統。因此,實體設備所取得的多元數據,都能在數位世界中的系統進行建構,維運人員可利用數位分身來規劃與分析資產。

(八)機器人:可進行遠端檢測、維護和故障排除等任務,並透過微波或超音波傳感裝置分析結構外觀,找出其中潛在的損壞。

四、專利分析
除了上述數位技術外,技術專利申請領域也是觀察技術趨勢與市場先機的另一項重要指標。從2018年到2020年間,以美國為主力,共計有3391項專利被提出申請。在專利申請部分,目前由丹麥維斯塔斯(Vestas)與美國奇異能源(GE)居於領導地位,主要申請之技術領域為:無人機與機器人、檢驗儀器、以及智能系統,技術重點概述如下:

(一)無人機與機器人:專利技術能具體處理發生在系統架構與巡檢流程上的諸多問題,其研發重心在開發風機與太陽能板的先進巡檢技術。

(二)檢驗儀器:利用非破壞性檢驗儀器(包含:熱影像檢測、電流偵測與接地故障偵測等)檢測故障系統,並進行數據分析,而診斷方法透過不斷優化也提高了檢測效率與成效。

(三)智能系統:多數太陽能和風電場地處偏遠,需要導入自動或自主對策來執行定期巡檢、維運與監控。因此可透過智能系統的開發,利用歷史數據構建學習模型以進行預測。

五、2021年技術發展趨勢
就以上技術發展趨勢,就太陽能與風電場巡檢技術數位化進程,綜整三項主要技術趨勢:

(一)智能顛覆巡檢技術:
先進的鏡頭、感測器、無人機和機器人等,可利用AI技術進行即時跟蹤、自主巡檢;或與太陽能及風力發電廠的資料收集及監控系統(Supervisory Control and Data Acquisition, SCADA) 連接,以AI技術透過歷史數據搜集與模型訓練等來進行高精度的預測。

(二)新產品著重產品與創新技術結合:
數位化轉型可促進產品與服務的發展,如結合巨量資料、AR/VR、數位分身、無人機和機器人除可提供安全、高效率、低成本的巡檢方法外,亦可增強客戶體驗及產品競爭優勢。

(三)研發合作以增強競爭優勢:
跨產業合作因技術背景各異,可透過資源共享和優化,能有效加速產品開發與拓展市場版圖。
陳霈
英文