[论文解读] 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 13

一句话总结

本研究通过计算模型比较了垂直双面东/西（E/W）光伏农场与传统南北倾斜单面光伏农场在农光互补系统中的表现，分析了光合有效辐射（PAR）传输与发电量。结果表明，在阵列密度减半或更低时，垂直双面光伏农场在发电量和光合有效辐射（PAR）输出方面与单面光伏农场相当，同时在抗尘、土地利用和维护方面具有优势，因此特别适合高尘土风险的炎热干旱气候地区。

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.

研究动机与目标

• 评估垂直双面东/西（E/W）与传统南北倾斜单面光伏农场在农光互补系统中的性能权衡。
• 量化阵列密度对光合有效辐射（PAR）透射率和光伏（PV）发电量的影响。
• 评估垂直双面光伏农场的实际优势，包括抗尘性、维护便捷性以及对土地和机械通行的最小干扰。
• 提供一个计算框架，用于预测在光伏阵列抬高布置下太阳辐射截获与PAR透射情况。
• 比较不同组件技术与农场构型在农光互补系统中相对的土地生产力与系统效率。

提出的方法

• 采用严格的分析模型，计算抬高布置的光伏阵列所截获的直接与散射太阳辐照度，以及其下方透射的PAR。
• 模型考虑了组件倾角、朝向、阵列密度（p/h比）以及阵列间行间距的几何遮挡。
• 采用King等人提出的模型进行经验性温度修正，基于环境温度、辐照度和风速估算电池温度与效率损失。
• 通过法国蒙彼利埃的实地数据对模型进行验证，比较模拟与实测的全球水平辐照度（GHI）及光伏发电量。
• 研究评估了三种阵列密度配置：全密度（p/h ≈ 4）、半密度（p/h ≈ 2.6）和四分之一密度（p/h ≈ 2）。
• 采用等效性能系数（LPF）比较不同配置下的相对发电量与PAR产量。

实验结果

研究问题

• RQ1 在不同阵列密度下，垂直双面东/西（E/W）与传统南北倾斜单面光伏农场在年发电量与PAR透射方面有何差异？
• RQ2 垂直双面东/西（E/W）光伏农场在何种阵列密度下可实现与标准南北倾斜单面光伏农场相当的PAR透射水平？
• RQ3 调整南北倾斜组件的倾角如何影响光伏发电与作物可用PAR之间的平衡？
• RQ4 在抗尘性、土地覆盖与维护可达性方面，垂直双面光伏农场具有哪些相对优势？
• RQ5 温度效应如何影响两种系统配置的光伏输出？该影响如何建模？

主要发现

• 在半密度或更低密度（p/h ≤ 4）时，垂直双面东/西（E/W）光伏农场的年发电量与PAR透射率（80%）与传统南北倾斜单面光伏农场相当。
• 对于全密度阵列，垂直双面东/西（E/W）光伏农场的相对发电量降至80%，而PAR透射率下降至55–65%，表明存在以牺牲发电量为代价换取作物产量提升的权衡。
• 半密度配置的等效性能系数（LPF）为1.3–1.35，表明发电量与PAR产量之间达到良好平衡。
• 南北倾斜组件的倾角可在20°至60°之间调节，从而实现PAR透射率10–15%的可调制能力，有助于优化光照平衡。
• 由于接近垂直的朝向，垂直双面东/西（E/W）光伏农场显著降低了积尘损失，减少了灰尘积累，提升了长期效率。
• 模型验证显示与法国蒙彼利埃的实地数据高度一致，证实了在真实条件下对GHI与光伏发电量预测的准确性。