[论文解读] 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 4

一句话总结

本研究利用遮阴影模型，评估了欧洲三种农光互补（APV）配置——最佳倾角、垂直双面及单轴跟踪——的电力产量与作物适宜性。研究发现，30 W/m²的容量密度可在保持超过80%土地适合农作物种植的同时实现高能效输出，揭示了51 TW的潜在装机容量和每年71,500 TWh的发电潜力——是欧洲当前电力需求的28倍。

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.

研究动机与目标

• 评估三种光伏配置在欧洲农光互补系统中的技术与空间可行性。
• 量化不同配置下光伏板的遮阴影损失及地表辐照度减少情况。
• 识别出在保持高电力产量与持续农业生产力之间实现平衡的最优容量密度（30 W/m²）。
• 利用高分辨率土地覆盖数据与空间约束条件，绘制欧盟NUTS-2区域的农光互补可用地域分布图。
• 在现实部署情景下，估算欧洲农光互补系统的总电力潜力。

提出的方法

• 开发了动态遮阴影模型，基于太阳位置与组件几何结构，模拟每小时光伏板与地面表面的辐照度。
• 使用PVGIS辐照度数据与100米分辨率的Corine土地覆盖数据库，评估欧洲区域间的差异性。
• 应用空间约束条件（如距离森林、居民区、道路的距离）与土地利用类别，识别适合农光互补的区域。
• 基于各NUTS-2区域的年辐照度数据与性能系数，计算电力产出。
• 利用辐照度分布图，评估电力产出、遮阴影模式与作物适宜性之间的权衡。
• 通过价格加权电力产出与年发电量等指标，评估各配置的性能表现。

实验结果

研究问题

• RQ1 不同光伏配置（最佳倾角、垂直双面、单轴跟踪）如何影响农光互补系统中的遮阴影分布与地表辐照度分布？
• RQ2 何种容量密度可实现电力产出最大化，同时保持超过80%的土地适合农作物种植？
• RQ3 欧洲NUTS-2区域农光互补系统的空间分布与总潜力如何？
• RQ4 在现实土地利用约束条件下，不同配置与区域的年电力产出有何差异？
• RQ5 农光互补系统在多大程度上可满足甚至超过欧洲当前的电力需求？

主要发现

• 单轴跟踪配置因持续追踪太阳，实现了最高的年电力产出。
• 垂直双面配置提供了最均匀的地表辐照度分布，有效降低了作物遮阴影的变异性。
• 30 W/m²的容量密度被确定为最优配置，在实现高电力输出的同时，使超过80%的土地仍适合农业种植。
• 欧洲农光互补系统的总潜在装机容量为51 TW，可实现每年71,500 TWh的电力发电。
• 该电力产出是欧洲当前年电力需求的28倍。
• 符合条件的农光互补用地占欧盟总面积的16.2%（170万km²），其中南部与东部欧洲适宜性最高，丹麦（53.9%）与爱尔兰（63.9%）等国家显示出极高的发展潜力。