[論文レビュー] Agrivoltaic Farm Design: Vertical Bifacial vs. Tilted Monofacial Photovoltaic Panels

Rehan Younas, Hassan Imran+2 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2019

Photovoltaic Systems and Sustainability被引用数 17

ひとこと要約

本研究では、農電複合（AV）農業に適した東/西（E/W）垂直二面性太陽光パネルの提案を行い、標準の北/南（N/S）固定傾斜パネルと比較して、日当たりの空間的均一性が向上することを示した。ラホールにおいて、E/W垂直二面性システムは、標準の太陽光発電所よりもやや低いPV密度で、約5%高い土地生産性を達成しており、粉じま損失に対して耐性があるが、密度が高くなると相互遮光のため性能が低下する。

ABSTRACT

An unprecedented demand for Food, Energy, and Water (FEW) over coming decades require integrated FEW innovations with least environmental footprint. Collocating solar photovoltaic (PV) technology with agriculture is a promising approach towards dual land productivity that could locally fulfil growing food and energy demands. This 'agrivoltaic' (AV) solution can be highly suitable for hot and arid climates where an optimized solar panel coverage could prevent excessive thermal stress thereby increasing the crop yield and lowering the water budget. One of the concerns with using standard fixed tilt solar array structure that faces north/south (N/S) direction for AV farming is the spatial heterogeneity in the daily sunlight distribution for crops and soil water contents, both of which could affect crop yield. Dynamic tilt control through a tracking system can eliminate this problem but could increase the system cost and complexity. Here, we investigate east/west (E/W) faced vertical bifacial panel structure for AV farming and show that this could provide a much better spatial homogeneity for daily sunlight distribution relative to the fixed tilt N/S faced PV structure implying a better suitability for monoculture cropping. By modeling PV energy and crop yield under varying density (row to row pitch) for PV arrays and shade tolerances for crops, we show that E/W vertical bifacial panels can provide ~5% better land productivity as compared to N/S faced fixed tilt panels for Lahore (31.520N, 74.358E) when PV array density is slightly lower than that of a standard solar farm. In contrast, when PV arrays are denser than the standard, land productivity for E/W vertical bifacial panels degrades due to mutual shading. These results, together with high inherent resilience to soiling (dust accumulation) losses for E/W vertical bifacial panels, indicate their attractive prospects for AV applications.

研究の動機と目的

• 農電複合システムにおける標準の北/南（N/S）固定傾斜PVアレイが引き起こす日差しと土壌水分の空間的不均一性を是正すること。
• さまざまなPVアレイ密度下での単一作物生産に適した東/西（E/W）面を向いた垂直二面性PVパネルの適性を評価すること。
• ラホールの現実的な気象条件および作物条件のもとで、E/W垂直二面性とN/S固定傾斜PVシステムの土地生産性を比較すること。
• さまざまなPVアレイ密度における相互遮光および粉じま損失がシステム性能に与える影響を評価すること。
• 農電複合農業における二重利用生産性を最大化するための最適なPVアレイ密度を特定すること。

提案手法

• E/W垂直およびN/S固定傾斜PV構成の両方について、3次元レイトレーシング手法を用いて作物行間における日射量分布をモデル化すること。
• さまざまな日当たりのPAR（光合成活性放射）露出パターン下での作物固有の影耐性閾値を用いて、作物収量反応をシミュレートすること。
• 単位面積あたりのエネルギー収量（kWh/m²/年）と作物収量（kg/m²/年）の合算として土地生産性を定量化すること。
• PVアレイの行間ピッチ（密度）を変化させ、相互遮光の影響を分析し、行間遮光損失を計算すること。
• パネルの向きに基づいた粉じま損失推定値を組み込み、E/W垂直パネルは自己清掃可能性のため粉じま蓄積が少ないものと仮定すること。
• ラホール（31.520°N, 74.358°E）において、標準および高密度PVアレイ構成の下で比較シミュレーションを実施すること。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 E/W垂直二面性PVパネルを用いた場合、作物行間における日当たりの空間的分布は、N/S固定傾斜パネルと比較してどのように異なるか？
• RQ2 E/W垂直二面性PVパネルを用いた農電複合システムにおいて、土地生産性を最大化するための最適なPVアレイ密度は何か？
• RQ3 PVアレイ密度が標準の太陽光発電所の構成を上回る場合、相互遮光はエネルギー収量および作物収量にどのように影響するか？
• RQ4 乾燥気候下において、E/W垂直二面性とN/S固定傾斜PVシステムの粉じま損失にどの程度の差が生じるか？
• RQ5 現実的な作物および気象条件のもとで、E/W垂直二面性PVシステムはN/S固定傾斜システムに比べて、土地生産性をどの程度向上させるか？

主な発見

• E/W垂直二面性PVパネルは、N/S固定傾斜パネルと比較して、作物行間における日差しの空間的均一性が著しく向上し、マイクロクライメート変動が低減される。
• ラホールにおいて、E/W垂直二面性システムは、標準の太陽光発電所のレベルをやや下回るPVアレイ密度で、N/S固定傾斜システムと比較して約5%高い土地生産性を達成する。
• E/W垂直二面性パネルの土地生産性は、PVアレイ密度が標準の太陽光発電所のレベルを超えると、相互遮光の増加により低下する。
• E/W垂直二面性パネルは粉じま損失に対して内在的に耐性があるため、長期的な性能向上と乾燥・粉じまの多い環境への適性が高まる。
• 光の分布が改善され、遮光の不均一性が低減するため、E/W垂直二面性パネルは特に単一作物栽培システムに適している。
• 本研究は、垂直二面性PVシステムが、高温乾燥気候において環境への影響を最小限に抑えつつ、高い作物収量と安定したエネルギー発電を同時に実現可能であることを確認した。