تحديات أداء محطة الطاقة الكهروضوئية من منطقة التلال والتضاريس المعقدة
أينتشر الطلب على الطاقة المتجددة في جميع أنحاء الولايات المتحدة ، محطة للطاقة الشمسية الكهروضوئيةيجري البناء في المناطق التي تمثل فيها التضاريس الجبلية والتظليل القريب تحديات. يعد المشروع الكهروضوئي المسطح الذي لا يحتوي على أشجار أمرًا سهلاً نسبيًا لمحاكاة نموذج الأداء الشمسي ، ولكن التضاريس الجبلية والتظليل القريب المحسوب بشكل غير صحيح يمكن أن يمثل انخفاضًا بنسبة 5 إلى 10 بالمائة في أداء الطاقة السنوي. يجب على المطورين معالجة المشروع بشكل صحيح بالقرب من التظليل والخسائر الطبوغرافية الآن أو يواجهون خطرًا متزايدًا يتمثل في ضعف أداء المشروع وفقدان الإيرادات.
الشكل 1: مثال على مصنع PV بالقرب من خسائر التظليل يظهر انتكاسة قصيرة للمقاصة (أعلى) وانتكاسة مقاصة أوسع (أسفل). من المهم أيضًا مراعاة ارتفاعات الأشجار عند النمذجة الدقيقة بالقرب من تأثيرات التظليل على الأداء.
غالبًا ما يتم استهداف قطع الأراضي في المناطق ذات الغطاء الشجري الكبير لتطوير الطاقة الشمسية نظرًا لانخفاض التكلفة وسهولة الوصول إلى شبكة الطاقة. يمكن أن يؤدي التظليل المرتبط بالنباتات والغطاء الشجري بالقرب من مشروع الكهروضوئية إلى تقليل إنتاج الطاقة بشكل كبير بمرور الوقت. يوضح الشكل 1 التأثير المفاهيمي للتظليل القريب من الأشجار على مشروع الكهروضوئية.
تحدد مسافة ارتداد المقاصة وارتفاع الأشجار القريبة مقدار فقد التظليل الذي سيتكبده مشروع الكهروضوئية. ستؤدي زيادة مسافة ارتداد المقاصة من حافة المصفوفة الكهروضوئية إلى أقرب خط شجري إلى تقليل مقدار فقد التظليل ولكن يجب موازنتها مقابل تكاليف إزالة الأشجار الإضافية وأي قيود بيئية (على سبيل المثال ، قيود انتكاسة الأراضي الرطبة ، واعتبارات الأنواع المهددة بالانقراض ، والبصمة الكربونية التحليل ، إلخ).
الشكل 2: رسم توضيحي لخسائر التظليل القريبة (الشجرية) من مشروع PV المظلل شرقًا وغربًا وجنوبًا مع ارتفاعات متفاوتة للأشجار ونكسات المقاصة 10 و 20 و 30 و 50 مترًا.
يحدد الشكل 2 مقدار فقدان التظليل القريب المتوقع كدالة لارتفاع الشجرة لاعتبارات انتكاسة تطهير مختلفة لمشروع PV افتراضي يقع في جنوب شرق الولايات المتحدة.النتائج المعروضة هي من مشروع PV مبسط 50 ميغاواط مع جوانب متساوية من الشرق والغرب والجنوب ملامح التظليل. الجزء المنتشر من الإشعاع الشمسي (أي نسبة الإشعاع المنتشر إلى الإشعاع الأفقي العالمي أو GHI) هو 0.4 في هذا الموقع. يمكن أن تتوقع المناطق المشمسة خسائر أعلى بالقرب من التظليل بينما تتوقع المناطق الملبدة بالغيوم خسائر أقل.
تتراوح ارتفاعات الأشجار النموذجية من 20 إلى 30 مترًا ، والتي يمكن أن يكون لها خسائر تظليل متفاوتة على نطاق واسع اعتمادًا على مسافة ارتداد المقاصة. كما هو متوقع ، كلما اقتربت الأشجار من الوحدات النمطية الكهروضوئية ، زاد تأثير فقدان تظليل الشجرة مع زيادة ارتفاع الشجرة. تنتشر ارتفاعات الأشجار غير الدقيقة وإزالة مسافات الارتداد بسرعة من خلال تقديرات إنتاج الطاقة نظرًا لتأثيرها المستمر خلال أوقات اليوم والسنة التي يكون فيها حد قطع العاكس ونقطة التوصيل البيني عند الحد الأدنى.
تحد قيود استخدام الأراضي والمتطلبات البيئية من نكسات تطهير الأراضي الرطبة في معظم المواقع. يعد وجود ارتفاعات شجرة دقيقة ومسافات انتكاسة داخل مشهد تظليل الموقع في نموذج الطاقة الأساسي أمرًا بالغ الأهمية للمساعدة في طلب تقدير أداء دقيق للمطور.
الخسائر الطبوغرافية
الشكل 3: مثال لتتبع معيار SAT (أعلى) وتكوينات جدول التراجع لملف جانبي للطاقة الشمسية في وقت متأخر بعد الظهر. يتم التخلص من التظليل على الصفوف من خلال التراجع SAT.
تصبح الموازنة بين احتياجات التصنيف المدني للموقع وتأثيرات الأداء أكثر صعوبة حيث يصبح الموقع أسوأ وأسوأ. يمكن أن يؤدي اختيار تحديد الدرجات إلى حدود المنحدرات الأقل استحسانًا إلى تحقيق وفورات كبيرة مرتبطة بالعمل المدني بالموقع ، ولكنه سيؤدي إلى تكلفة على أداء المشروع. سيساعد القياس الكمي الصحيح لخسارة الانحدار لمشروع الكهروضوئية المطور على تحسين الأداء.
سيستخدم التثبيت الكهروضوئي النموذجي للمتعقب أحادي المحور (SAT) خوارزميات التراجع للتخلص من أي تظليل على الصفوف قد يحدث في الموقع. يظهر رسم توضيحي لتكوينات التتبع والتتبع المعياري لـ SAT في الشكل 3. يتم تشغيل خوارزمية التراجع SAT من خلال المسافة (الملعب) بين صفوف SAT وعرض جامع SAT.
الشكل 4: خسائر التظليل الناتجة عن الانحدار الشرقي / الغربي لمصنع الكهروضوئية المصور لحالة قاعدة مسطحة (أعلى) ، وعلبة مائلة مع تراجع قياسي (وسط) وتراجع متكيف (أسفل).
في موقع مسطح (أعلى) ، يكون تنفيذ التراجع عن SAT واضحًا ويمكن نشره بسهولة. ومع ذلك ، فإن خوارزمية التراجع SAT للموقع المسطح تنهار بسرعة عندما تصبح التضاريس غير مستوية في الاتجاهين الشرقي والغربي. يوضح الشكل 4 (الأوسط) كيف يتم إحداث تظليل الصف على الصف على منحدر مواجه للشرق خلال فترة ما بعد الظهر إذا لم يتم حساب التغييرات في ارتفاعات جدول SAT في خوارزمية التراجع.
الشكل 5: مثال لمحات الطاقة النباتية الكهروضوئية اليومية من علبة قاعدة مسطحة (صلبة) مع تأثيرات فقدان المنحدر الشرقي والغربي المطبق (خط متقطع).
قد تحدث خسارة تظليل مماثلة أيضًا في الصباح على رفوف SAT المنحدرة المواجهة للغرب مما يؤدي إلى فقدان متكرر في الطاقة في أوقات الصباح الباكر وأواخر المساء من اليوم (الشكل 5). من منظور أداء المشروع ، سيؤدي افتراض الأرض المسطحة دائمًا إلى المبالغة في تقدير الطاقة عند وجود المنحدرات الشرقية والغربية.
الخبر السار هو أن هناك طريقة لتقليل خسائر المنحدرات الشرقية والغربية الموضحة في الشكلين 4 (الوسط) و 5. وهذا ينطوي على تنفيذ ما يعرف بالتراجع التكيفي كما هو موضح في الشكل 4 (أسفل). من خلال دمج تفاصيل ارتفاع جدول SAT في خوارزمية التراجع SAT ، يمكن للمرء أن يقلل بشكل كبير من مقدار فقد المنحدر الشرقي والغربي بسبب التظليل على الصفوف. على الرغم من أن نتيجة التراجع التكيفي هي انخفاض زاوية حدوث اتجاه الوحدة الشمسية ، إلا أنها لا تزال تؤدي إلى إنتاج طاقة أكبر مما يحدث عندما يحدث التظليل على الصفوف على المنحدرات المواجهة للشرق / الغرب.
تقدم جميع الشركات المصنعة لأرفف SAT تقريبًا أشكالًا مختلفة من التراجع التكيفي الذي يمكن تنفيذه أثناء إنشاء المشروع والتكليف به للمساعدة في تخفيف الكثير من خسائر الطاقة الناجمة عن المنحدرات الشرقية / الغربية. يتراوح هذا الانخفاض في خسارة المنحدرات الشرقية / الغربية بين 60 إلى 90 بالمائة تقريبًا ويعتمد على اختيار أرفف SAT وحجم وتنوع المنحدرات الشرقية / الغربية الموجودة في موقع المشروع.
تحديات النمذجة
تبدأ تحديات التظليل القريب وفقدان المنحدرات الشرقية / الغربية بإدماجها في نموذج الطاقة الأساسي لمشروع الكهروضوئية. تعتمد صناعة الطاقة الشمسية عادةً على برامج نمذجة الأداء مثل PVsyst كمصدر لنموذج الطاقة الأساسي للمشروع. يمكن طلب تأثيرات التظليل القريبة من ارتفاعات الأشجار وإزالة النكسات داخل مشهد التظليل ثلاثي الأبعاد داخل PVsyst. على الرغم من أن الإعداد يستغرق وقتًا طويلاً في PVsyst ، فإن مشهد التظليل المصمم بدقة بالقرب من المشهد سيؤتي ثماره لاحقًا في شكل تقديرات أداء محسنة.
يعد تحليل تأثيرات فقدان المنحدر في PVsyst مسعى أكثر تحديًا. داخل PVsyst ، يمكن نمذجة المنحدرات البسيطة والموحدة للشمال والجنوب ولكن ليس المنحدرات المواجهة للشرق / الغرب وخسائرها المرتبطة بمشاريع SAT PV. تحتاج تخطيطات المشروع المقترحة إلى تقييم لتفاصيل المنحدر الشرقي / الغربي ، ثم يتم تحليلها عادةً باستخدام مجموعة من عمليات تشغيل نموذج PVsyst التكراري وتطبيقات المعالجة اللاحقة لتحديد خسائر المنحدرات الشرقية / الغربية. من خلال النمذجة المختصة لخسارة المنحدرات ، يمكن تطبيق التعافي المتوقع لخسارة الشرق / الغرب الذي يمكن أن يحققه التراجع التكيفي لـ SAT بشكل مناسب على أداء المشروع.
دراسة الحالة
الشكل 6: تخطيط مشروع الطاقة الكهروضوئية في شرق الولايات المتحدة مع تظليل قريب (شجرة) واسع النطاق وتباين طوبوغرافي عبر الموقع.
يوضح الشكل 6 مثالاً لتخطيط موقع الكهروضوئية الذي يوضح تأثير التظليل القريب والتضاريس المعقدة. يعتمد هذا التخطيط على مقترح مشروع الكهروضوئية الذي يتم تقييمه حاليًا من أجل التطوير. يتقاطع الموقع مع الأراضي الرطبة وتختلف انتكاسات إزالة الأشجار على نطاق واسع عبر التخطيط. أدت العديد من التصاريح والقيود البيئية إلى تقليص المساحة القابلة للبناء داخل المشروع مما أدى إلى انخفاض كبير في الأداء المتوقع.
يسرد الجدول 1 نتائج تحليل المنحدر الطبوغرافي للموقع. يحتوي مشروع الكهروضوئية على نفس المتوسط المرجح لنسب الانحدار الشرقي / الغربي ولكن لديه نسبة 2: 1 من تغطية المنحدرات من الغرب إلى الشرق. منحدرات الموقع الشمالية والجنوبية تقابل بعضها البعض بالتساوي. تم الإبلاغ عن التظليل القريب للموقع وخسائر المنحدرات الشرقية / الغربية في الجدول 2.
من المتوقع حدوث خسارة كبيرة في التظليل القريب بنسبة -3.6 في المائة في هذا الموقع بناءً على تخطيط الموقع الحالي وإزالة النكسات. من المتوقع أن تبلغ خسارة المنحدر الشرقي / الغربي -2.6 في المائة مع استرداد متوقع للتراجع التكيفي لـ SAT بنسبة 80 في المائة هنا مما يؤدي إلى صافي خسارة المنحدرات الشرقية / الغربية بنسبة -0.5 في المائة.
مناقشة
أصبحت تحديات التظليل القريب والتضاريس المعقدة أكثر شيوعًا حيث يتم تطوير مشاريع الطاقة الكهروضوئية في مواقع غير مرغوب فيها. يتحدى هذان الاعتباران الرئيسيان أدوات نمذجة الأداء الكهروضوئية الحالية ويجعلان من الصعب على مطوري الطاقة الشمسية طلب الأداء. خلاصة القول هي أن هناك المزيد والمزيد من مشاريع الطاقة الشمسية منخفضة الأداء هناك. ويرجع ذلك إلى الدفع في الصناعة لتطوير وبيع مشاريع مجدية مالياً. بعد أن يتم بناؤها ، هناك القليل من الملاذ المتاح لتصحيح مشاريع الطاقة الكهروضوئية التي تفتقد إلى مقاييس أدائها. يعد إشراك شركة هندسية مستقلة مختصة أثناء مرحلة التصميم والبناء لمشروع الكهروضوئية هو أفضل طريقة للتخفيف من مخاطر الأداء الإضافية المرتبطة بالتظليل القريب وفقدان المنحدر الشرقي / الغربي.
