[論文レビュー] Module Technology for Agrivoltaics: Vertical Bifacial vs. Tilted Monofacial Farms

Muhammad Hussnain Riaz, Rehan Younas+3 more|arXiv (Cornell University)|Oct 2, 2019

Photovoltaic Systems and Sustainability参考文献 24被引用数 13

ひとこと要約

本研究では、計算モデルを用いて光合成活性放射（PAR）の透過率とエネルギー出力を分析することで、垂直型二面性東西（E/W）太陽光発電ファームと従来の北南（N/S）傾斜型単面性ファームを、農電複合システムにおいて比較している。半分以下（またはそれ以下）のアレイ密度の場合、垂直型二面性ファームは単面性ファームと同等のエネルギー出力および光合成活性放射（PAR）出力を示し、砂ぼこり耐性、土地利用効率、保守性に優れるため、高砂ぼこりリスクを伴う高温・乾燥気候に最適であることが判明した。

ABSTRACT

Agrivoltaics is an innovative approach in which solar photovoltaic (PV) energy generation is collocated with agricultural production to enable food-energy-water synergies and landscape ecological conservation. This dual-use requirement leads to unique co-optimization challenges (e.g. shading, soiling, spacing) that make module technology and farm topology choices distinctly different from traditional solar farms. Here we compare the performance of the traditional optimally-titled North/South (N/S) faced monofacial farms with a potential alternative based on vertical East/West (E/W)-faced bifacial farms. Remarkably, the vertical farm produces essentially the same energy output and photosynthetically active radiation (PAR) compared to traditional farms as long as the PV array density is reduced to half or lower relative to that for the standard ground-mounted PV farms. Our results explain the relative merits of the traditional mono facial vs. vertical bifacial farms as a function of array density, acceptable PAR-deficit, and energy production. The combined PAR/Energy yields for the vertical bifacial farm may not always be superior, it could still be an attractive choice for agrivoltaics due to its distinct advantages such as minimum land coverage, least hindrance to the farm machinery and rainfall, inherent resilience to PV soiling, easier cleaning and cost advantages due to potentially reduced elevation.

研究の動機と目的

• 農電複合システムにおける垂直型二面性E/Wと従来のN/S傾斜型単面性PVファームの性能トレードオフを評価すること。
• アレイ密度が光合成活性放射（PAR）透過率および太陽電池（PV）エネルギー出力に与える影響を定量化すること。
• 垂直型二面性ファームの実用的利点（砂ぼこり耐性の向上、清掃の容易さ、土地および機械の通行障害の最小限化）を評価すること。
• 上部に設置されたPVアレイ下での日光吸収およびPAR透過率を予測する計算フレームワークを提供すること。
• 農電複合システムにおける異なるモジュール技術およびファームトポロジーの相対的生産性とシステム効率を比較すること。

提案手法

• 厳密な解析モデルが、上部に設置されたPVアレイが受ける直接日射および散乱日射、およびその下に透過するPARを計算する。
• モデルはパネルの傾斜角、向き、アレイ密度（p/h比）、および列間の幾何的影を考慮する。
• キングらのモデルを用いて、環境温度、日射量、風速に基づきセル温度と効率損失を補正する。
• モンピリエ（フランス）の現場データを用いてモデルの妥当性を検証し、シミュレートされた全球水平日射（GHI）およびPVエネルギー出力と実測値を比較する。
• 本研究では、3つのアレイ密度設定（フル密度：p/h ≈ 4、半分密度：p/h ≈ 2.6、四分の一律密度：p/h ≈ 2）を評価する。
• 相対的なエネルギー出力およびPAR出力を比較するために、レベル化性能係数（LPF）が用いられる。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 垂直型二面性E/Wと従来のN/S傾斜型単面性PVファームは、異なるアレイ密度において、年間エネルギー出力およびPAR透過率でどのように比較されるか？
• RQ2 垂直型二面性E/Wファームが、標準的なN/S単面性ファームと同等のPAR透過率を達成するにはどの程度のアレイ密度が必要か？
• RQ3 N/Sパネルの傾斜角を調整することで、PVエネルギー発電と作物へのPAR供給のバランスをどのように最適化できるか？
• RQ4 垂直型二面性ファームは、砂ぼこり耐性、土地被覆、保守性の観点で、どのような相対的利点を有するか？
• RQ5 温度効果は両システム構成のPV出力にどのように影響を与え、その影響はどのようにモデル化されるか？

主な発見

• 半分以下（またはそれ以下）のアレイ密度（p/h ≤ 4）の場合、垂直型二面性E/Wファームは、従来のN/S単面性ファームと同等の年間エネルギー出力およびPAR透過率（80％）を達成する。
• フル密度アレイでは、垂直型二面性E/Wの相対的PV出力は80％に低下するが、PAR透過率は55％～65％に低下し、エネルギー出力の犠牲を払っても作物生産性を優先するトレードオフが生じる。
• 半分密度設定のレベル化性能係数（LPF）は1.3～1.35であり、エネルギー出力とPAR出力の両面でバランスの取れた性能を示している。
• N/S傾斜角を20°～60°の範囲で調整することで、PAR透過率を10％～15％の範囲で調整可能となり、制御性が向上する。
• 垂直型二面性E/Wファームは、ほぼ垂直に近い向きのため、ほこりの付着が少なく、長期的な効率性が著しく向上する。
• モデルの妥当性検証では、フランスのモンピリエ現地データと良好な一致が得られ、実環境下でのGHIおよびPVエネルギー出力の予測精度が確認された。