Sfide di prestazioni delle centrali fotovoltaiche da aree collinari e terreni complessi
UNs la domanda di energia rinnovabile si diffonde negli Stati Uniti, impianto solare fotovoltaicola costruzione è in corso nelle regioni in cui la topografia collinare e l'ombreggiatura vicina presentano difficoltà. Un progetto fotovoltaico piatto e senza alberi è relativamente semplice da simulare in un modello di rendimento solare, ma la topografia collinare e l'ombreggiatura non correttamente calcolata possono rappresentare una diminuzione dal 5 al 10% del rendimento energetico annuale. Gli sviluppatori devono affrontare in modo appropriato il progetto vicino all'ombreggiatura e alle perdite topografiche ora o devono affrontare un rischio maggiore di prestazioni insufficienti del progetto e perdita di entrate.
Fig 1: Esempio di impianto FV vicino a perdite di ombreggiamento che mostra una breve battuta d'arresto di compensazione (in alto) e una più ampia battuta d'arresto (in basso). Anche le altezze degli alberi sono importanti da considerare quando si modella accuratamente vicino agli impatti dell'ombreggiatura sulle prestazioni.
Gli appezzamenti di terreno nelle regioni con una significativa copertura arborea sono spesso destinati allo sviluppo solare a causa del costo inferiore e del più facile accesso alla rete elettrica. L'ombreggiatura associata alla vegetazione e alla copertura degli alberi vicino a un progetto fotovoltaico può ridurre significativamente la produzione di energia nel tempo. La figura 1 illustra l'impatto concettuale dell'ombreggiatura ravvicinata degli alberi su un progetto fotovoltaico.
La distanza di compensazione e l'altezza degli alberi vicini determinano la quantità di perdita di ombreggiatura che un progetto fotovoltaico subirà. L'aumento della distanza di compensazione dal bordo del campo fotovoltaico alla linea degli alberi più vicina ridurrà la quantità di perdita di ombreggiatura, ma deve essere soppesata rispetto ai costi aggiuntivi di rimozione degli alberi e qualsiasi limitazione ambientale (ad esempio, restrizioni di battuta d'arresto delle zone umide, considerazioni sulle specie minacciate di estinzione, impronta analisi, ecc.).
Fig. 2: Illustrazione delle perdite di ombreggiamento vicino (albero) da un progetto FV ombreggiato a est, ovest e sud con altezze variabili degli alberi e battute d'arresto di compensazione di 10, 20, 30 e 50 m.
La Figura 2 quantifica la perdita attesa in prossimità dell'ombreggiatura in funzione dell'altezza degli alberi per varie considerazioni sulla battuta d'arresto per un ipotetico progetto fotovoltaico situato negli Stati Uniti sudorientali I risultati mostrati provengono da un progetto fotovoltaico quadrato da 50 MWac semplificato con uguali lati est, ovest e sud profili ombreggianti. La frazione diffusa dell'irraggiamento solare (cioè il rapporto tra l'irraggiamento diffuso e l'irraggiamento orizzontale globale o GHI) è 0,4 in questa posizione. Le regioni più soleggiate possono aspettarsi perdite in prossimità dell'ombra più elevate, mentre le regioni più nuvolose possono aspettarsi perdite inferiori.
L'altezza tipica degli alberi è compresa tra 20 e 30 metri, che può avere perdite di ombreggiatura molto variabili a seconda della distanza di battuta d'arresto. Come previsto, più gli alberi sono vicini ai moduli fotovoltaici, maggiore sarà l'impatto della perdita di ombreggiamento degli alberi con l'aumentare dell'altezza degli alberi. Le altezze degli alberi imprecise e le distanze di compensazione per lo sgombero si propagano rapidamente attraverso le stime di produzione di energia a causa del loro impatto continuo durante le ore del giorno e l'anno in cui l'inverter e il limite di taglio del punto di interconnessione sono al minimo.
Le restrizioni sull'uso del suolo e i requisiti ambientali limitano le battute d'arresto nella rimozione delle zone umide nella maggior parte delle località. Avere altezze degli alberi e distanze di battuta d'arresto accurate all'interno della scena di ombreggiatura del sito nel modello energetico di base è fondamentale per aiutare a comporre una stima accurata delle prestazioni per lo sviluppatore.
Perdite topografiche
Fig. 3: Esempio di configurazione della tabella di inseguimento standard SAT (in alto) e di backtracking per un profilo solare del tardo pomeriggio. L'ombreggiatura riga su riga viene eliminata con il backtracking SAT.
Bilanciare le esigenze di classificazione civile del sito con gli impatti sulle prestazioni diventa più difficile man mano che il sito peggiora. La scelta di limitare la pendenza a limiti di pendenza meno desiderabili può portare a risparmi significativi associati ai lavori civili del sito, ma comporterà un costo per le prestazioni del progetto. Quantificare correttamente la perdita di pendenza per un progetto fotovoltaico aiuterà uno sviluppatore a ottimizzare le prestazioni.
La tipica installazione fotovoltaica con inseguitore ad asse singolo (SAT) utilizzerà algoritmi di backtracking per eliminare qualsiasi ombreggiatura riga su riga che potrebbe verificarsi in un sito. Nella Figura 3 è mostrata un'illustrazione delle configurazioni di tracking e backtracking standard SAT. L'algoritmo di backtracking SAT è determinato dalla distanza (passo) tra le righe SAT e dalla larghezza del collector SAT.
Figura 4: perdite di ombreggiatura indotte da pendenza est / ovest di un impianto fotovoltaico per un case a base piatta (in alto), case inclinate con backtracking standard (al centro) e backtracking adattivo (in basso).
In un sito piatto (in alto), l'implementazione del backtracking di SAT è semplice e facilmente implementabile. Tuttavia, l'algoritmo di backtracking SAT del sito piatto si interrompe rapidamente quando il terreno diventa irregolare nelle direzioni est e ovest. La Figura 4 (al centro) mostra come l'ombreggiatura riga su riga viene indotta su un pendio esposto a est durante il pomeriggio se i cambiamenti nelle quote altimetriche della tabella SAT non sono presi in considerazione nell'algoritmo di backtracking.
Figura 5: Esempio di profili energetici diurni di un impianto fotovoltaico da una base piatta (solida) e con impatti di perdita di pendenza est e ovest applicati (linea tratteggiata).
Una simile perdita di ombreggiatura si verificherebbe anche al mattino sui rack SAT inclinati rivolti a ovest, portando a una perdita ricorrente di energia nelle prime ore del mattino e in tarda serata (Figura 5). Dal punto di vista delle prestazioni del progetto, un'ipotesi di terra piatta porterà sempre a una sovrastima dell'energia quando sono presenti pendii est e ovest.
La buona notizia è che esiste un modo per ridurre le perdite sui versanti est e ovest mostrate nelle Figure 4 (al centro) e 5. Ciò implica l'implementazione di ciò che è noto come backtracking adattivo ed è illustrato nella Figura 4 (in basso). Incorporando i dettagli di elevazione della tabella SAT nell'algoritmo di backtracking SAT, è possibile ridurre notevolmente la quantità di perdita di pendenza est e ovest a causa dell'ombreggiatura riga su riga. Sebbene il risultato del backtracking adattivo sia un angolo di incidenza inferiore dell'orientamento del modulo solare, si traduce comunque in una maggiore produzione di energia rispetto a quando si verifica l'ombreggiatura fila su fila sui pendii rivolti a est / ovest.
Quasi tutti i produttori di scaffalature SAT offrono varie forme di backtracking adattivo che possono essere implementate durante la costruzione del progetto e la messa in servizio per aiutare a mitigare gran parte delle perdite di energia indotte dal pendio est / ovest. Questa riduzione della perdita di pendenza est / ovest varia tra il 60 e il 90 percento circa e dipende dalla scelta della scaffalatura SAT, dall'ampiezza e dalla variabilità delle pendenze est / ovest presenti nel sito del progetto.
Sfide di modellazione
Le sfide sia per l'ombreggiatura in prossimità che per la perdita di pendii est / ovest iniziano con la loro integrazione nel modello energetico di base del progetto fotovoltaico. L'industria solare si basa in genere su software di modellazione delle prestazioni come PVsyst come fonte del modello energetico di base di un progetto. Gli impatti vicini all'ombreggiatura dall'altezza degli alberi e le battute d'arresto di compensazione possono essere impostati all'interno della scena di ombreggiatura 3D all'interno di PVsyst. Sebbene la configurazione all'interno di PVsyst richieda molto tempo, una scena vicino all'ombreggiatura accuratamente modellata pagherà i dividendi in seguito sotto forma di stime delle prestazioni migliorate.
L'analisi degli impatti della perdita di pendenza in PVsyst è un'impresa più impegnativa. All'interno di PVsyst, è possibile modellare pendii orientati a nord e sud semplici e uniformi, ma non i pendii esposti a est / ovest e le rispettive perdite associate ai progetti SAT PV. I layout di progetto proposti devono essere valutati per i dettagli del pendio est / ovest e quindi vengono generalmente analizzati utilizzando una combinazione di percorsi iterativi del modello PVsyst e applicazioni di post-elaborazione per quantificare le perdite del pendio est / ovest. Con una modellazione competente della perdita di pendenza, il recupero previsto della perdita est / ovest che il backtracking adattivo SAT può portare può essere applicato in modo appropriato alle prestazioni del progetto.
Argomento di studio
Figura 6: Layout del progetto FV degli Stati Uniti orientali con ampia ombreggiatura (albero) e varianza topografica in tutto il sito.
La Figura 6 mostra un esempio di layout di un sito FV che illustra l'impatto dell'ombreggiatura ravvicinata e del terreno complesso. Questo layout si basa su una proposta di progetto fotovoltaico attualmente in fase di valutazione per lo sviluppo. Il sito è attraversato da zone umide e le battute d'arresto della rimozione degli alberi variano ampiamente in tutto il layout. Varie autorizzazioni e restrizioni ambientali hanno ridotto l'area edificabile all'interno del progetto, determinando un calo significativo delle prestazioni previste.
La tabella 1 elenca i risultati dell'analisi della pendenza topografica del sito. Il progetto fotovoltaico ha circa le stesse percentuali medie ponderate di pendenza est / ovest ma ha un rapporto 2: 1 di copertura del pendio ovest-est. I pendii del sito nord e sud si compensano quasi allo stesso modo. L'ombreggiatura in prossimità del sito e le perdite del versante est / ovest sono riportate nella Tabella 2.
In questo sito è prevista una significativa perdita di ombreggiatura quasi pari al -3,6% in base al layout corrente del sito e alla cancellazione degli ostacoli. Si prevede che la perdita del pendio est / ovest sarà del -2,6% con un recupero atteso del backtracking adattivo SAT dell'80%, con una conseguente perdita netta del pendio est / ovest del -0,5%.
Discussione
L'ombra in prossimità e le sfide del terreno complesso stanno diventando più comuni man mano che i progetti fotovoltaici vengono sviluppati su siti meno desiderabili. Queste due considerazioni principali mettono in discussione gli attuali strumenti di modellazione delle prestazioni fotovoltaiche e rendono ancora più difficile per gli sviluppatori di impianti solari determinare le prestazioni. La linea di fondo è che ci sono sempre più progetti solari sottoperformanti là fuori. Ciò è dovuto alla spinta del settore a sviluppare e vendere progetti finanziariamente sostenibili. Dopo essere stati costruiti, c'è poco ricorso a disposizione per rettificare i progetti fotovoltaici che mancano delle loro metriche di prestazione. Coinvolgere una società di ingegneria indipendente competente durante la fase di progettazione e costruzione di un progetto fotovoltaico è il modo migliore per mitigare i rischi di prestazioni aggiuntivi associati all'ombreggiatura vicina e alla perdita del pendio est / ovest.
