Аs спрос на возобновляемые источники энергии распространяется по США, солнечная фотоэлектрическая установкастроительство ведется в регионах, где холмистый рельеф и почти затенение создают проблемы. Плоский фотоэлектрический проект без деревьев относительно легко смоделировать с помощью модели солнечной энергии, но холмистая топография и неправильно рассчитанная близость к затенению могут привести к снижению годовой энергоэффективности на 5–10 процентов. Разработчики должны должным образом решить проект, близкий к затенению и топографическим потерям сейчас, иначе они столкнутся с повышенным риском невыполнения проекта и потери дохода.
Рис. 1: Пример фотоэлектрической установки около потерь затенения, показывающий короткое снижение клиренса (вверху) и более широкое снижение клиринга (внизу). Высоту деревьев также важно учитывать при точном моделировании влияния затенения на производительность.
Земельные участки в регионах со значительным лесным покровом часто используются для развития солнечной энергетики из-за более низкой стоимости и более легкого доступа к электросети. Затенение, связанное с растительностью и древесным покровом возле фотоэлектрического проекта, со временем может значительно снизить выработку энергии. На рисунке 1 показано концептуальное влияние затенения от деревьев на фотоэлектрический проект.
Расстояние для очистки и высота близлежащих деревьев определяют величину потери затенения, которую может понести фотоэлектрический проект. Увеличение расстояния для вырубки от края фотоэлектрической матрицы до ближайшей линии деревьев уменьшит количество потерь затенения, но должно быть сопоставлено с дополнительными затратами на вырубку деревьев и любыми экологическими ограничениями (например, ограничения на отступление водно-болотных угодий, соображения, касающиеся исчезающих видов, углеродный след анализ и др.).
Рис. 2: Иллюстрация потерь затенения вблизи (деревья) от одинакового затененного на восток, запад и юг фотоэлектрического проекта с разной высотой деревьев и 10-, 20-, 30- и 50-метровыми потерями при расчистке.
На Рисунке 2 дана количественная оценка ожидаемых потерь при затенении в зависимости от высоты дерева для различных соображений снижения расчистки для гипотетического фотоэлектрического проекта, расположенного на юго-востоке США. Показанные результаты взяты из упрощенного квадратного фотоэлектрического проекта мощностью 50 МВт переменного тока с равными восточными, западными и южными сторонами. затенение профилей. Рассеянная доля солнечного излучения (то есть отношение диффузной освещенности к глобальной горизонтальной освещенности или GHI) в этом месте составляет 0,4. Более солнечные регионы могут ожидать более высоких потерь при затенении, в то время как более облачные регионы могут ожидать более низких потерь.
Типичная высота деревьев находится в диапазоне от 20 до 30 метров, что может иметь широко варьирующиеся потери затенения в зависимости от расстояния для высадки при расчистке. Как и ожидалось, чем ближе деревья к фотоэлектрическим модулям, тем сильнее потеря тени при увеличении высоты дерева. Неточная высота деревьев и расчистка расстояний для отступления быстро распространяются через оценки производства энергии из-за их постоянного воздействия в течение дня и года, когда ограничение инвертора и точки межсоединения минимально.
Ограничения на землепользование и экологические требования ограничивают расчистку водно-болотных угодий в большинстве мест. Наличие точных высот деревьев и отступов в пределах сцены затенения сайта в базовой модели энергопотребления имеет решающее значение, чтобы помочь разработчику получить точную оценку производительности.
Топографические потери
Рис. 3: Пример конфигурации стандартной таблицы слежения SAT (вверху) и таблицы с возвратом для профиля солнечной активности в конце полудня. Затенение строк устраняется с помощью функции обратного отслеживания SAT.
Уравновешивание потребностей гражданского строительства на объекте с влиянием на производительность становится все более сложной задачей, поскольку объект становится все хуже и хуже. Выбор ограничения профилирования до менее желательных пределов уклона может привести к значительной экономии, связанной со строительными работами на площадке, но повлечет за собой затраты на выполнение проекта. Правильная количественная оценка потерь на откосе для фотоэлектрического проекта поможет разработчику оптимизировать производительность.
Типичный одноосный трекер (SAT) PV будет использовать алгоритмы обратного отслеживания, чтобы исключить любое затенение строки в строке, которое может возникнуть на объекте. Иллюстрация стандартных конфигураций отслеживания и обратного отслеживания SAT показана на рисунке 3. Алгоритм обратного отслеживания SAT определяется расстоянием (шагом) между строками SAT и шириной коллектора SAT.
Рис. 4: Иллюстрированная фотоэлектрическая установка с восточным / западным наклоном, вызванная потерями затенения для плоского базового варианта (вверху), наклонного случая со стандартным обратным отслеживанием (в центре) и адаптивным обратным отслеживанием (внизу).
На плоском сайте (вверху) реализация SAT-отслеживания с возвратом проста и легко развернута. Однако алгоритм обратного отслеживания SAT для плоских участков быстро выходит из строя, когда местность становится неровной в восточном и западном направлениях. На рис. 4 (в центре) показано, как затенение строки за строкой индуцируется на восточном склоне во второй половине дня, если изменения в высоте таблицы SAT не учитываются в алгоритме отслеживания с возвратом.
Рисунок 5: Пример дневных энергетических профилей фотоэлектрической станции для плоского базового варианта (сплошная) и с нанесенными воздействиями потерь на восточном и западном склоне (пунктирная линия).
Аналогичная потеря затенения также будет происходить утром на наклонных к западу стоек SAT, что приведет к повторяющейся потере энергии в раннее утро и поздно вечером (рис. 5). С точки зрения производительности проекта предположение о плоской Земле всегда приводит к завышению оценки энергии при наличии восточных и западных склонов.
Хорошая новость заключается в том, что существует способ уменьшить потери на восточном и западном склоне, показанный на рисунках 4 (в центре) и 5. Это включает в себя реализацию так называемого адаптивного поиска с возвратом, показанного на рисунке 4 (внизу). Включая детали высот таблицы SAT в алгоритм обратного отслеживания SAT, можно значительно уменьшить количество потерь на восточном и западном уклонах из-за затенения строки за строкой. Хотя результатом адаптивного обратного отслеживания является меньший угол падения ориентации солнечного модуля, он все же приводит к большему производству энергии, чем когда затенение рядов происходит на склонах, обращенных на восток / запад.
Практически все производители стеллажей SAT предлагают различные формы адаптивного обратного отслеживания, которые могут быть реализованы во время строительства и ввода в эксплуатацию, чтобы помочь уменьшить большую часть потерь энергии, вызванных восточно-западным уклоном. Это сокращение потерь на восточно-западном откосе варьируется от 60 до 90 процентов и зависит от выбора стеллажа SAT, величины и изменчивости восточно-западных откосов на территории проекта.
Проблемы моделирования
Проблемы, связанные как с затенением, так и с потерями на восточно-западном склоне, начинаются с их включения в базовую энергетическую модель фотоэлектрического проекта. Солнечная промышленность обычно полагается на программное обеспечение для моделирования производительности, такое как PVsyst, в качестве источника базовой энергетической модели проекта. Эффекты затенения, близкие к затенению от высоты деревьев, и устранение неудач можно набрать в сцене затенения 3D в PVsyst. Хотя на настройку в PVsyst уходит много времени, точно смоделированная сцена, близкая к затенению, позже принесет дивиденды в виде улучшенных оценок производительности.
Анализ влияния обрыва откосов в PVsyst - более сложная задача. В рамках PVsyst можно моделировать простые, однородные склоны, обращенные на север и юг, но не на склоны, обращенные на восток / запад, и их соответствующие потери, связанные с проектами SAT PV. Предлагаемые схемы проекта должны быть оценены с точки зрения деталей восточного / западного откоса, а затем обычно анализируются с использованием комбинации итерационных прогонов модели PVsyst и приложений постобработки для количественной оценки потерь на восточно-западном откосе. При грамотном моделировании потерь на откосе ожидаемое восстановление потерь восток / запад, которое может принести адаптивное отслеживание SAT, может быть соответствующим образом применено к производительности проекта.
Тематическое исследование
Рисунок 6: Схема фотоэлектрического проекта в восточной части США с обширной штриховкой (дерево) и топографической разницей по всему участку.
На рисунке 6 показан пример компоновки фотоэлектрической площадки, который иллюстрирует влияние затенения и сложной местности. Этот макет основан на предложении фотоэлектрического проекта, которое в настоящее время оценивается для разработки. Участок изрезан водно-болотными угодьями, а неудачи с вырубкой деревьев сильно различаются по планировке. Различные разрешительные и экологические ограничения привели к сокращению пригодной для строительства площади в рамках проекта, что привело к значительному снижению ожидаемой производительности.
В таблице 1 приведены результаты анализа топографических откосов участка. Проект PV имеет примерно такое же средневзвешенное процентное соотношение склонов восток / запад, но имеет соотношение 2: 1 покрытия склона запад-восток. Северный и южный склоны участка почти одинаково компенсируют друг друга. Около затенения участка и потери на восточном / западном склоне приведены в Таблице 2.
На этом участке ожидается значительная потеря затенения в размере -3,6 процента, исходя из текущего макета участка и сбоев при очистке. Потеря восточно-западного уклона прогнозируется на уровне -2,6 процента с ожидаемым восстановлением при адаптивном обратном прослеживании SAT на уровне 80 процентов, что приведет к чистым потерям на восточно-западном уклоне в -0,5 процента.
Обсуждение
Затенение и сложные ландшафты становятся все более распространенными, поскольку фотоэлектрические проекты разрабатываются на менее привлекательных участках. Эти два основных соображения бросают вызов текущим инструментам моделирования производительности фотоэлектрических систем и еще больше затрудняют разработчикам солнечных батарей определение производительности. Суть в том, что есть все больше и больше неэффективных солнечных проектов. Это связано с стремлением отрасли разрабатывать и продавать финансово жизнеспособные проекты. После постройки практически не остается средств для исправления фотоэлектрических проектов, в которых отсутствуют показатели производительности. Привлечение компетентной независимой инженерной фирмы на этапе проектирования и строительства фотоэлектрического проекта - лучший способ снизить дополнительные риски производительности, связанные с затенением и потерей восточно-западного уклона.