[論文レビュー] Comparative analysis of PV configurations for agrivoltaic systems in Europe

Kamran Ali Khan Niazi, Marta Victoria|arXiv (Cornell University)|Nov 1, 2022

Photovoltaic Systems and Sustainability被引用数 4

ひとこと要約

本研究では、ヨーロッパ全域で影の形成モデルを用いて、電力出力と作物生育の適性を評価するため、最適傾斜角、垂直型バイファーシャル、1軸追尾の3つの農電複合（APV）構成を評価した。30 W/m²の容量密度が、高いエネルギー出力と80％以上の農地利用可能性を両立させることを明らかにした。これにより、51 TWの容量と年間71,500 TWhの発電が可能となり、これはヨーロッパの現在の需要の28倍に相当する。

ABSTRACT

Agrivoltaics (APV) is the dual use of land by combining agricultural crop production and photovoltaic (PV) systems. In this work, we have analyzed three different APV configurations: static with optimal tilt, vertically-mounted bifacial, and single-axis horizontal tracking. A model is developed to calculate the shadowing losses on the PV panels along with the reduced solar irradiation reaching the area under them for different PV capacity densities. First, we investigate the trade-offs using a location in Denmark as a case study and second, we extrapolate the analysis to the rest of Europe. We find that the vertical and single-axis tracking produce more uniform irradiance on the ground, and a capacity density of around 30 W/m2 is suitable for APV systems. Based on our model and a 100 m-resolution land cover database, we calculate the potential for APV in every NUTS-2 region within the European Union (EU). The potential for APV is enormous as the electricity generated by APV systems could produce 28 times the current electricity demand in Europe. Overall, the potential capacity for APV in Europe is 51 TW, which would result in an electricity yield of 71500 TWh/year.

研究の動機と目的

• ヨーロッパ全域における3つの太陽光発電構成の技術的・空間的実現可能性を評価すること。
• 異なる構成における太陽光パネルの影の損失と、地面における日射量の低減を定量的に評価すること。
• 高い電力出力と持続可能な農業生産性を両立させる最適な容量密度（30 W/m²）を特定すること。
• 高分解能の土地被覆データと空間的制約を用いて、EUのNUTS-2地域におけるAPV適用可能な土地をマップ化すること。
• 現実的な展開シナリオ下でのヨーロッパ全域における農電複合の総発電可能性を推定すること。

提案手法

• 太陽の位置とパネルの幾何学的形状に基づき、1時間ごとのパネル表面および地面における日射量をシミュレートする動的影形成モデルを開発した。
• PVGISの日射量データと100 m解像度のCorine Land Coverデータベースを用い、ヨーロッパ全域の地域差を評価した。
• 森林・集落・道路からの距離などの空間的制約と土地利用区分を適用し、APV適用可能な領域を特定した。
• 各NUTS-2地域における各構成の年間日射量データとパフォーマンス比を用いて、電力出力を計算した。
• 日射量分布マップを用いて、電力発電、影のパターン、および作物生育適性のトレードオフを評価した。
• 電力単価加重出力と年間発電量などの指標を用いて、各構成の性能を評価した。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 最適傾斜角、垂直型バイファーシャル、1軸追尾の各太陽光発電構成が、農電複合システムにおける影の形成と地面における日射量分布にどのように影響を与えるか。
• RQ2 作物生育に適した土地の80％以上を維持しつつ、電力出力を最大化する最適な容量密度は何か。
• RQ3 ヨーロッパのNUTS-2地域における農電複合システムの空間的分布と総発電可能性はどのようになるか。
• RQ4 現実的な土地利用制約下で、各構成および地域における年間電力発電量はどのように変動するか。
• RQ5 農電複合システムは、ヨーロッパの現在の電力需要を満たすか、それを上回る可能性をどの程度有するか。

主な発見

• 1軸追尾構成が、連続的な太陽追尾により年間電力出力が最も高かった。
• 垂直型バイファーシャル構成が、地面における日射量分布が最も均一で、作物の影のばらつきが最小限に抑えられた。
• 30 W/m²の容量密度が最適と特定され、高い電力出力と80％以上の農地利用可能性を両立させた。
• ヨーロッパにおける農電複合システムの総容量は51 TWに達し、年間71,500 TWhの電力発電が可能である。
• この電力発電量は、ヨーロッパの現在の年間電力需要の28倍に相当する。
• APV適用可能な土地はEU総面積の16.2％（170万km²）を占め、南ヨーロッパおよび東ヨーロッパで特に適性が高く、デンマーク（53.9％）やアイルランド（63.9％）は高い潜在的発電可能性を示した。