Những thách thức về hiệu suất của nhà máy điện PV từ khu vực đồi núi và địa hình phức tạp
Anhu cầu về năng lượng tái tạo lan rộng khắp Hoa Kỳ, nhà máy điện mặt trờiđang tiến hành xây dựng ở những vùng có địa hình đồi núi và gần bóng râm đang đặt ra nhiều thách thức. Một dự án PV bằng phẳng, không có cây tre tương đối dễ mô phỏng trong mô hình hiệu suất năng lượng mặt trời, nhưng địa hình đồi núi và độ che bóng gần được tính toán không chính xác có thể làm giảm hiệu suất năng lượng hàng năm từ 5 đến 10%. Các nhà phát triển phải giải quyết đúng đắn các dự án gần bóng râm và các tổn thất về địa hình ngay bây giờ nếu không sẽ phải đối mặt với nguy cơ tăng hiệu suất dự án và mất doanh thu.
Hình 1: Ví dụ về nhà máy PV gần lỗ che bóng cho thấy khoảng lùi bù trừ ngắn (trên cùng) và khoảng lùi bù trừ rộng hơn (dưới). Chiều cao của cây cũng rất quan trọng cần xem xét khi lập mô hình chính xác các tác động gần bóng râm đến hiệu suất.
Các thửa đất ở những vùng có nhiều cây cối che phủ thường được nhắm mục tiêu phát triển năng lượng mặt trời do chi phí thấp hơn và dễ dàng tiếp cận lưới điện hơn. Che mát kết hợp với thảm thực vật và cây che phủ gần một dự án PV có thể làm giảm đáng kể việc sản xuất năng lượng theo thời gian. Hình 1 minh họa tác động khái niệm của việc che bóng gần cây xanh đối với một dự án PV.
Khoảng lùi và chiều cao của các cây gần đó quyết định mức độ mất bóng mà một dự án PV sẽ phải gánh chịu. Việc tăng khoảng lùi phát quang từ mép của mảng PV đến hàng cây gần nhất sẽ làm giảm lượng bóng râm mất đi nhưng phải được cân nhắc với chi phí phát quang cây bổ sung và bất kỳ hạn chế nào về môi trường (ví dụ: hạn chế về khoảng lùi đất ngập nước, xem xét các loài có nguy cơ tuyệt chủng, lượng khí thải carbon phân tích, v.v.).
Hình 2: Hình minh họa các mất mát gần (cây) che bóng từ một dự án PV được che bóng ở phía đông, tây và nam bằng nhau với các chiều cao cây khác nhau và khoảng lùi phát quang 10, 20, 30- và 50 m.
Hình 2 xác định mức độ mất bóng gần như dự kiến dưới dạng một hàm của chiều cao cây để xem xét các khoảng lùi bù trừ khác nhau cho một dự án PV giả định nằm ở Đông Nam Hoa Kỳ. hồ sơ bóng. Phần khuếch tán của bức xạ mặt trời (tức là tỷ lệ giữa bức xạ khuếch tán với bức xạ ngang toàn cầu hoặc GHI) tại vị trí này là 0,4. Các khu vực nắng hơn có thể mong đợi tổn thất gần bóng râm cao hơn trong khi các khu vực nhiều mây hơn có thể mong đợi tổn thất thấp hơn.
Chiều cao thông thường của cây nằm trong khoảng 20 đến 30 mét, có thể có mức độ che nắng rất khác nhau tùy thuộc vào khoảng lùi phát quang. Theo dự đoán, những cây càng gần mô-đun PV, thì sự mất bóng của cây càng bị ảnh hưởng khi chiều cao cây tăng lên. Chiều cao cây không chính xác và khoảng cách lùi nhanh chóng lan truyền thông qua ước tính sản lượng năng lượng do tác động liên tục của chúng vào các thời điểm trong ngày và trong năm khi biến tần và điểm cắt giới hạn kết nối ở mức tối thiểu.
Các hạn chế về sử dụng đất và các yêu cầu về môi trường hạn chế khoảng lùi trong việc giải phóng mặt bằng đất ngập nước ở hầu hết các địa điểm. Có chiều cao cây và khoảng lùi chính xác trong cảnh đổ bóng trang web trong mô hình năng lượng cơ sở là rất quan trọng để giúp quay số trong ước tính hiệu suất chính xác cho nhà phát triển.
Tổn thất địa hình
Hình 3: Ví dụ về cấu hình bảng theo dõi tiêu chuẩn SAT (trên cùng) và backtracking cho cấu hình năng lượng mặt trời vào buổi chiều muộn. Đổ bóng theo hàng được loại bỏ với tính năng dò ngược SAT.
Cân bằng giữa nhu cầu phân loại dân sự của địa điểm với các tác động đến hiệu suất trở nên khó khăn hơn khi địa điểm ngày càng trở nên tồi tệ hơn. Việc chọn giới hạn cấp phối ở các giới hạn độ dốc ít mong muốn hơn có thể dẫn đến tiết kiệm đáng kể liên quan đến công việc dân dụng tại công trường nhưng sẽ phát sinh chi phí cho hiệu quả dự án. Định lượng chính xác tổn thất độ dốc cho một dự án PV sẽ giúp nhà phát triển tối ưu hóa hiệu suất.
Việc cài đặt PV theo dõi một trục (SAT) điển hình sẽ sử dụng các thuật toán bẻ khóa ngược để loại bỏ bất kỳ hiện tượng đổ bóng theo hàng nào có thể xảy ra tại một trang web. Minh họa về cấu hình theo dõi tiêu chuẩn SAT và theo dõi backtracking được thể hiện trong Hình 3. Thuật toán backtracking SAT được điều khiển bởi khoảng cách (cao độ) giữa các hàng SAT và chiều rộng bộ thu SAT.
Hình 4: Minh họa mái dốc phía đông / phía tây của nhà máy PV gây ra tổn thất che nắng cho vỏ nền bằng phẳng (trên cùng), vỏ nghiêng với nứt ngược tiêu chuẩn (giữa) và nứt ngược thích ứng (dưới).
Trên một trang phẳng (trên cùng), việc triển khai backtracking SAT rất đơn giản và dễ dàng triển khai. Tuy nhiên, thuật toán quay lui SAT của trang web bằng phẳng nhanh chóng bị phá vỡ khi địa hình trở nên không bằng phẳng theo hướng đông và tây. Hình 4 (giữa) cho thấy cách đổ bóng theo hàng trên một đường dốc hướng đông vào buổi chiều nếu những thay đổi về độ cao của bảng SAT không được tính đến trong thuật toán backtracking.
Hình 5: Ví dụ về các cấu hình năng lượng của nhà máy PV ban ngày từ một hộp cơ sở phẳng (đặc) và với các tác động mất độ dốc phía đông và phía tây được áp dụng (đường đứt nét).
Sự mất bóng tương tự cũng sẽ xảy ra vào buổi sáng trên các giá đỡ SAT nghiêng về phía tây dẫn đến sự mất mát năng lượng lặp lại vào thời điểm đầu giờ sáng và cuối giờ chiều trong ngày (Hình 5). Từ quan điểm hiệu suất của dự án, giả định trái đất bằng phẳng sẽ luôn dẫn đến việc đánh giá quá cao năng lượng khi có mặt dốc phía đông và phía tây.
Tin tốt là có một cách để giảm tổn thất mái dốc phía đông và phía tây được thể hiện trong Hình 4 (giữa) và 5. Điều này liên quan đến việc thực hiện những gì được gọi là backtracking thích ứng và được minh họa trong Hình 4 (dưới cùng). Bằng cách kết hợp các chi tiết về độ cao của bảng SAT vào thuật toán dò ngược SAT, người ta có thể giảm đáng kể mức độ mất độ dốc phía đông và phía tây do đổ bóng theo hàng. Mặc dù kết quả của quá trình nứt ngược thích ứng là góc tới của định hướng mô-đun năng lượng mặt trời thấp hơn, nhưng nó vẫn tạo ra nhiều năng lượng hơn so với khi đổ bóng theo hàng xảy ra trên các dốc quay về phía đông / tây.
Gần như tất cả các nhà sản xuất giá đỡ SAT đều cung cấp các hình thức xử lý lùi thích ứng khác nhau có thể được thực hiện trong quá trình xây dựng và vận hành dự án để giúp giảm thiểu phần lớn tổn thất năng lượng do mái dốc phía đông / phía tây gây ra. Mức giảm tổn thất mái dốc đông / tây này dao động trong khoảng 60 đến 90 phần trăm và phụ thuộc vào sự lựa chọn giá đỡ SAT, độ lớn và sự thay đổi của các sườn đông / tây hiện có tại địa điểm dự án.
Thử thách mô hình hóa
Cả hai thách thức gần như che bóng và mất độ dốc phía đông / phía tây bắt đầu với việc kết hợp chúng vào mô hình năng lượng cơ bản của dự án PV. Ngành công nghiệp năng lượng mặt trời thường dựa vào phần mềm mô hình hóa hiệu suất như PVsyst làm nguồn của mô hình năng lượng cơ bản của dự án. Các tác động đổ bóng gần từ chiều cao cây và khoảng lùi bù trừ có thể được quay số trong cảnh tạo bóng 3D trong PVsyst. Mặc dù tốn thời gian để thiết lập bên trong PVsyst, một cảnh tô bóng gần được mô hình hóa chính xác sẽ trả cổ tức sau này dưới dạng các ước tính hiệu suất được cải thiện.
Phân tích tác động mất độ dốc ở PVsyst là một nỗ lực khó khăn hơn. Trong PVsyst, các dốc hướng Bắc và Nam đơn giản, thống nhất có thể được mô hình hóa nhưng không phải là các dốc hướng Đông / Tây và các tổn thất tương ứng của chúng liên quan đến các dự án SAT PV. Bố cục dự án được đề xuất cần được đánh giá chi tiết độ dốc đông / tây và sau đó thường được phân tích bằng cách sử dụng kết hợp các lần chạy mô hình PVsyst lặp đi lặp lại và các ứng dụng xử lý sau để xác định tổn thất độ dốc phía đông / phía tây. Với việc lập mô hình tổn thất mái dốc có thẩm quyền, khả năng phục hồi tổn thất theo hướng đông / tây dự kiến mà phương pháp bẻ khóa ngược thích ứng SAT có thể mang lại có thể được áp dụng một cách thích hợp cho việc thực hiện dự án.
Nghiên cứu điển hình
Hình 6: Bố cục dự án PV miền Đông Hoa Kỳ với bóng râm gần rộng (cây) và phương sai địa hình trên toàn khu vực.
Hình 6 cho thấy một ví dụ về bố cục địa điểm PV minh họa tác động của bóng râm gần và địa hình phức tạp. Cách bố trí này dựa trên một đề xuất dự án PV hiện đang được đánh giá để phát triển. Địa điểm nằm xen kẽ với các vùng đất ngập nước và khoảng lùi phát quang cây cối rất khác nhau trên toàn bố cục. Các hạn chế về môi trường và giấy phép khác nhau đã làm mất đi diện tích có thể xây dựng trong dự án dẫn đến hiệu suất dự kiến giảm đáng kể.
Bảng 1 liệt kê các kết quả phân tích độ dốc địa hình khu vực. Dự án PV có tỷ lệ độ dốc phía đông / phía tây trung bình tương đương nhau nhưng có tỷ lệ độ che phủ dốc tây-đông là 2: 1. Độ dốc phía bắc và phía nam gần như bù đắp cho nhau. Các tổn thất về độ che nắng và độ dốc đông / tây của khu vực này được báo cáo trong Bảng 2.
Có một sự mất mát gần như đáng kể là -3,6 phần trăm dự kiến tại trang web này dựa trên bố cục trang web hiện tại và khoảng lùi bù trừ. Tổn thất mái dốc phía đông / phía tây được dự đoán là -2,6 phần trăm với sự phục hồi vết nứt ngược thích ứng SAT dự kiến là 80 phần trăm ở đây dẫn đến mức độ mất mái dốc phía đông / phía tây thực là -0,5 phần trăm.
Thảo luận
Những thách thức về bóng râm gần và địa hình phức tạp đang trở nên phổ biến hơn khi các dự án PV được phát triển trên các địa điểm ít mong muốn hơn. Hai cân nhắc chính này thách thức các công cụ mô hình hóa hiệu suất PV hiện tại và khiến các nhà phát triển năng lượng mặt trời thậm chí còn khó khăn hơn trong việc xác định hiệu suất. Điểm mấu chốt là ngày càng có nhiều dự án năng lượng mặt trời hoạt động kém hiệu quả. Điều này là do sự thúc đẩy trong ngành phát triển và bán các dự án khả thi về mặt tài chính. Sau khi được xây dựng, có rất ít tài liệu để sửa chữa các dự án PV đang thiếu các chỉ số đo lường hiệu suất của chúng. Tham gia với một công ty kỹ thuật độc lập có năng lực trong giai đoạn thiết kế và xây dựng của dự án PV là cách tốt nhất để giảm thiểu rủi ro hiệu suất bổ sung liên quan đến việc che khuất gần và mất độ dốc phía đông / tây.
