Retos de rendimiento de la planta de energía fotovoltaica en áreas montañosas y terrenos complejos
As la demanda de energía renovable se extiende por los EE. UU., planta solar fotovoltaicala construcción está en marcha en regiones donde la topografía montañosa y el sombreado cercano presentan desafíos. Un proyecto fotovoltaico plano y sin árboles es relativamente sencillo de simular en un modelo de rendimiento solar, pero la topografía montañosa y la sombra cercana mal calculada pueden representar una disminución del 5 al 10 por ciento en el rendimiento energético anual. Los desarrolladores deben abordar adecuadamente el proyecto cerca de la sombra y las pérdidas topográficas ahora o enfrentar un mayor riesgo de rendimiento deficiente del proyecto y pérdida de ingresos.
Fig 1: Ejemplo de planta fotovoltaica cerca de pérdidas de sombra que muestra un retroceso de desmonte corto (arriba) y un retroceso de desmonte más amplio (abajo). Las alturas de los árboles también son importantes a tener en cuenta al modelar con precisión los impactos cercanos a la sombra en el rendimiento.
Las parcelas de tierra en regiones con una cubierta arbórea significativa a menudo se destinan al desarrollo solar debido a su menor costo y al acceso más fácil a la red eléctrica. La sombra asociada con la vegetación y la cubierta de árboles cerca de un proyecto fotovoltaico puede reducir significativamente la producción de energía con el tiempo. La Figura 1 ilustra el impacto conceptual de la sombra cercana de los árboles en un proyecto fotovoltaico.
La distancia de retroceso del desmonte y la altura de los árboles cercanos dictan la cantidad de pérdida de sombra en la que incurrirá un proyecto fotovoltaico. El aumento de la distancia de retroceso del desmonte desde el borde del conjunto fotovoltaico hasta la línea de árboles más cercana reducirá la cantidad de pérdida de sombra, pero debe sopesarse con los costos adicionales de desmonte y cualquier limitación ambiental (por ejemplo, restricciones de retroceso de humedales, consideraciones de especies en peligro, huella de carbono análisis, etc.).
Fig. 2: Ilustración de pérdidas de sombra cercanas (árboles) de un proyecto fotovoltaico sombreado igual al este, oeste y sur con diferentes alturas de árboles y retrocesos de desmonte de 10, 20, 30 y 50 m.
La Figura 2 cuantifica la pérdida de sombra cercana esperada como una función de la altura del árbol para varias consideraciones de retroceso en el desmonte para un proyecto fotovoltaico hipotético ubicado en el sureste de los EE. UU. Perfiles de sombreado. La fracción difusa de la irradiancia solar (es decir, la relación entre la irradiancia difusa y la irradiancia horizontal global o GHI) es de 0,4 en esta ubicación. Las regiones más soleadas pueden esperar mayores pérdidas cercanas a la sombra, mientras que las regiones más nubladas pueden esperar pérdidas más bajas.
Las alturas típicas de los árboles están en el rango de 20 a 30 metros, lo que puede tener pérdidas de sombra muy variables dependiendo de la distancia de retroceso del desmonte. Como era de esperar, cuanto más cerca estén los árboles de los módulos fotovoltaicos, más impactante será la pérdida de sombra del árbol con el aumento de la altura del árbol. Las alturas de árboles inexactas y las distancias de retroceso de limpieza se propagan rápidamente a través de las estimaciones de producción de energía debido a su impacto continuo durante las horas del día y el año en que el límite del límite del inversor y del punto de interconexión está al mínimo.
Las restricciones de uso de la tierra y los requisitos ambientales limitan los retrasos en la limpieza de humedales en la mayoría de los lugares. Tener alturas de árboles precisas y distancias de retroceso dentro de la escena de sombreado del sitio en el modelo de energía base es fundamental para ayudar a marcar una estimación de rendimiento precisa para el desarrollador.
Pérdidas topográficas
Fig. 3: Ejemplo de configuración de la mesa de seguimiento estándar SAT (arriba) y de la mesa de seguimiento para un perfil solar al final de la tarde. El sombreado entre filas se elimina con el retroceso SAT.
Equilibrar las necesidades de nivelación civil del sitio con los impactos en el rendimiento se vuelve más desafiante a medida que el sitio empeora cada vez más. La elección de limitar la nivelación a límites de pendiente menos deseables puede generar ahorros significativos asociados con la obra civil del sitio, pero incurrirá en un costo para el desempeño del proyecto. La cuantificación adecuada de la pérdida de pendiente para un proyecto fotovoltaico ayudará al desarrollador a optimizar el rendimiento.
La instalación fotovoltaica típica de rastreador de un solo eje (SAT) utilizará algoritmos de retroceso para eliminar cualquier sombreado fila sobre fila que pueda ocurrir en un sitio. En la Figura 3 se muestra una ilustración de las configuraciones de seguimiento y retroceso estándar SAT. El algoritmo de retroceso SAT es impulsado por la distancia (paso) entre las filas SAT y el ancho del colector SAT.
Figura 4: Pérdidas de sombreado inducidas por pendiente este / oeste de planta fotovoltaica ilustrada para un caso de base plana (arriba), un caso inclinado con retroceso estándar (medio) y retroceso adaptativo (abajo).
En un sitio plano (arriba), la implementación de retroceso de SAT es sencilla y fácil de implementar. Sin embargo, el algoritmo de retroceso SAT de sitio plano se rompe rápidamente cuando el terreno se vuelve irregular en las direcciones este y oeste. La Figura 4 (centro) muestra cómo se induce el sombreado fila sobre fila en una pendiente orientada al este durante la tarde si los cambios en las elevaciones de la mesa SAT no se tienen en cuenta en el algoritmo de retroceso.
Figura 5: Ejemplo de perfiles de energía de una planta fotovoltaica diurna a partir de un caso base plano (sólido) y con impactos de pérdida de pendiente este y oeste aplicados (línea discontinua)
También se produciría una pérdida de sombra similar en la mañana en los racks SAT inclinados orientados al oeste, lo que provocaría una pérdida recurrente de energía en las primeras horas de la mañana y tarde en la tarde del día (Figura 5). Desde la perspectiva del desempeño del proyecto, una suposición de tierra plana siempre conducirá a una sobreestimación de la energía cuando hay pendientes este y oeste.
La buena noticia es que hay una manera de reducir las pérdidas de la pendiente este y oeste que se muestran en las Figuras 4 (centro) y 5. Esto implica la implementación de lo que se conoce como retroceso adaptativo y se ilustra en la Figura 4 (abajo). Al incorporar los detalles de elevación de la tabla SAT en el algoritmo de retroceso SAT, se puede reducir en gran medida la cantidad de pérdida de pendiente este y oeste debido al sombreado fila sobre fila. Aunque el resultado del retroceso adaptativo es un ángulo de incidencia más bajo de la orientación del módulo solar, todavía resulta en una mayor producción de energía que cuando se produce sombra de hilera a hilera en las laderas orientadas al este / oeste.
Casi todos los fabricantes de estanterías SAT ofrecen varias formas de retroceso adaptativo que se pueden implementar durante la construcción y puesta en marcha del proyecto para ayudar a mitigar gran parte de las pérdidas de energía inducidas por laderas este / oeste. Esta reducción en la pérdida de taludes este / oeste varía aproximadamente entre el 60 y el 90 por ciento y depende de la elección de estanterías del SAT, la magnitud y variabilidad de los taludes este / oeste presentes en el sitio del proyecto.
Desafíos de modelado
Los desafíos de pérdida de ladera este / oeste y el sombreado cercano comienzan con su incorporación al modelo energético base del proyecto fotovoltaico. La industria solar generalmente se basa en software de modelado de rendimiento, como PVsyst, como fuente del modelo energético base de un proyecto. Los impactos de sombreado cercano desde las alturas de los árboles y los contratiempos de limpieza se pueden marcar dentro de la escena de sombreado 3D dentro de PVsyst. Aunque la instalación en PVsyst requiere mucho tiempo, una escena cercana al sombreado modelada con precisión pagará dividendos más adelante en forma de estimaciones de rendimiento mejoradas.
Analizar los impactos de la pérdida de taludes en PVsyst es un esfuerzo más desafiante. Dentro de PVsyst, se pueden modelar pendientes simples y uniformes orientadas al norte y al sur, pero no las pendientes orientadas al este / oeste y sus pérdidas respectivas asociadas con los proyectos fotovoltaicos SAT. Los diseños propuestos del proyecto deben evaluarse para los detalles de la pendiente este / oeste, y luego generalmente se analizan utilizando una combinación de ejecuciones iterativas del modelo PVsyst y aplicaciones de posprocesamiento para cuantificar las pérdidas de la pendiente este / oeste. Con un modelo competente de pérdida de taludes, la recuperación esperada de pérdida este / oeste que puede traer el retroceso adaptativo SAT se puede aplicar de manera apropiada al desempeño del proyecto.
Caso de estudio
Figura 6: Diseño del proyecto fotovoltaico en el este de los EE. UU. Con una amplia sombra cercana (árbol) y una variación topográfica en todo el sitio.
La Figura 6 muestra un ejemplo de un diseño de sitio fotovoltaico que ilustra el impacto de la sombra cercana y el terreno complejo. Este diseño se basa en una propuesta de proyecto fotovoltaico que actualmente se está evaluando para su desarrollo. El sitio está atravesado por humedales y los contratiempos de la tala de árboles varían ampliamente a lo largo del diseño. Varias restricciones ambientales y de permisos redujeron el área edificable dentro del proyecto, lo que provocó una caída significativa en el rendimiento esperado.
La Tabla 1 enumera los resultados del análisis de pendientes topográficas del sitio. El proyecto fotovoltaico tiene aproximadamente los mismos porcentajes de pendiente este / oeste promedio ponderado, pero tiene una proporción de 2: 1 de cobertura de pendiente oeste a este. Las pendientes del sitio norte y sur casi se compensan entre sí por igual. Las pérdidas cercanas a la sombra y las pendientes este / oeste del sitio se informan en la Tabla 2.
Se espera una pérdida significativa de casi sombra de -3.6 por ciento en este sitio según el diseño actual del sitio y los contratiempos de limpieza. Se predice que la pérdida de pendiente este / oeste será de -2,6 por ciento con una recuperación de retroceso adaptativa SAT esperada del 80 por ciento aquí, lo que resultará en una pérdida neta de pendiente este / oeste de -0,5 por ciento.
Discusión
Los desafíos cercanos a la sombra y los terrenos complejos son cada vez más comunes a medida que los proyectos fotovoltaicos se desarrollan en sitios menos deseables. Estas dos consideraciones principales desafían las herramientas actuales de modelado de rendimiento fotovoltaico y dificultan aún más a los desarrolladores solares marcar el rendimiento. La conclusión es que hay cada vez más proyectos solares de bajo rendimiento. Esto se debe al impulso de la industria para desarrollar y vender proyectos financieramente viables. Después de la construcción, hay pocos recursos disponibles para rectificar los proyectos fotovoltaicos que carecen de sus métricas de rendimiento. Contratar a una empresa de ingeniería independiente competente durante la fase de diseño y construcción de un proyecto fotovoltaico es la mejor manera de mitigar los riesgos de rendimiento adicionales asociados con la sombra cercana y la pérdida de pendiente este / oeste.
