Солнечные симуляторы для PV проектов

Развитие солнечной энергетики, в последнее время мощно стимулированное падением стоимости PV-компонентов, сталкивается с новым вызовом. В тех районах, где есть гарантированно высокая солнечная радиация, потребность в новых электрогенерирующих мощностях пока не столь высока, так что появляются или уже существуют инфраструктурные и другие ограничения в построении новых PV-станций. В то же время там, где на карте солнечного поколения еще находятся белые пятна, трудно точно оценить привлекательность расположения бизнес-проекта по PV-энергетике и выбрать перспективную бизнес-модель для него. Решить эту проблему призваны солнечные симуляторы.

Неудовлетворенная потребность

В условиях, когда экономическая составляющая для реализации PV-проектов становится все более привлекательной и широко воплощаются инновационные технологии оперативного измерения и удовлетворения спроса на энергию, совершенствуются микросети и удешевляются автономные решения, действительно появляются новые вызовы для инвестирования в PV-сектор. В то же время действуют противонаправленные тенденции. Крупные корпорации первыми овладевают привлекательными с точки зрения отдачи солнцем/энергией/прибылью большими местами и строят там масштабные проекты, которые могут не иметь в ближайшее время дополнительных потребителей энергии, либо обоновляют все имеющиеся местные инфраструктурные (сетевые) возможности, то есть искусственно ограничивается доступ новых участников. к PV-бизнесу. С другой стороны, там, где есть необходимость в дополнительной генерации, проникновение PV-установок вызывает определенные возражения ввиду фактической эффективности (энергетической и финансовой), достижимой на рассматриваемой локации, что также ограничивает привлекательность инвестирования.

Например, городская электрическая инфраструктура больше всего нуждается в нейтрализации пиковых перегрузок в летнее время, когда существует необходимость включать бытовые и промышленные кондиционеры и охладители. Учитывая, что муниципальные расходы энергии именно на это совпадают с пиком генерации от солнечных установок, привлекательность использования PV-панелей, расположенных на крышах или стенах городских домов (BIPV), выглядит логичной. Однако на каких именно поверхностях, каких зданиях, как именно и сколько мощностей можно установить, чтобы в результате получить эффективный и прибыльный инвестиционный проект – ответ на этот вопрос требует тщательных расчетов, прежде всего учитывающих сложный рельеф и взаимовлияние окружающих объектов.

Глобальную актуальность PV-поддержки для постоянства энергоснабжения там, где происходят временные отключения из-за перегрузки сети, подтвердило агентство IRENA. В своем исследовании «Solar simulators: Application to developing cities», датированном за январь 2019 г., приводятся цифры прямого ущерба для местного бизнеса от отключений электричества через сетевые перегрузки: – 8% в африканских странах, ближний Восток – до 5,9% в странах Восточной Азии и в тихоокеанском регионе (с Австралией включительно) – 3%. В среднем для развивающихся стран: – 4,7%. В то же время в странах ЕС, где инфраструктура отличается большим постоянством, прямые затраты от нерегулярных отключений электричества не превышают 1%.

Подобная проблема влияет и на развитие нового PV-бизнеса в загородных или промышленных локациях. В горной и лесной местности нужно выискивать склоны, расположенные наиболее оптимально, а также учитывать высоту деревьев. Для нового индивидуального строительства при энергетической реновации существующего жилья также возникают подобные проблемы (воздействие теней от деревьев и направление и угол наклона крыш и т.п.). Для решения и расчетов наиболее удачной локации для PV-проектов, которые к тому же учитывают другие местные факторы (потребности и возможности продажи PV-энергии во внешнюю сеть, возможности сетевой инфраструктуры вплоть до особенностей местных условий финансирования или льгот и т.д.) существуют специализированные программные комплексы – так называемые солнечные симуляторы.

Разновидности и предназначение

В агентстве IRENA отмечают, что сейчас это лучшее время для значительного развития в развитии городской PV-структуры. Однако муниципальные планировщики и бизнес-структуры должны опираться на надежные данные по геолокации и местной экономике, что позволит обоснованно разработать оптимальный инвестпроект.

Конечно, расчеты начинаются с оценки солнечного потенциала на поверхностях, которые могут быть использованы для встроенных в дом (BIPV) или крышных PV-панелей. Существуют три методики для этого:

• Методология выборки: на базе выбранного участка небольшой площади проводятся подробные расчеты, где данные аппроксимируются на всю городскую застройку.
• Методология многомерного зачета проб: достижимая площадь пробного участка соотносится с плотностью населения, проживающего в домах определенного типа и аппроксимируемого на общее количество городского населения.
• Методология сплошной переписи: полностью производится статистика достижимых площадей, численности населения, пропорции между жильем, коммерческой и промышленной застройкой, потребностью и характером энергопотребления, что сопровождается составлением полной 3D-модели города.

Кроме выбранной методологии, существенно варьируется уровень сложности солнечных стимуляторов. Приблизительно половина из них настроена на оценку потенциала солнечного освещения, другая половина – на оценку технического потенциала и графика генерации. Сложность также различается по полноте расчетов: одни способны вычислять только статистические карты, другие – оценивать технический потенциал по фиксированным показателям, наиболее развитые системы могут интерактивно моделировать различные ситуации при изменении входных данных по рельефу, потребности в потреблении или финансовой составляющей.

По исследованию IRENA уровни сложности солнечных кадастров отличаются от базового (по уровням иррадиации), среднего (указывает наиболее технически пригодные для PV-проектов участки) к продвинутому (дополнительно учитывающему финансовые факторы и оценку прибыльности инвестирования).

Новые облачные онлайн-продукты обеспечивают новые возможности:

• Вычеты с определенными целевыми показателями.
• Разработка бизнес-политик: целью является разработка достоверных технико-экономических обоснований.
• Развитие рынка: поддержка населения, финансовых инструментов и компаний-инсталляторов по расширенному инвестированию в PV-сектор.

Моделирование по целевым показателям важно на этапе первоначальных расчетов. Когда бизнес или муниципальные органы убедятся в локальном солнечном потенциале, далее оцениваются варианты бизнес-политик и соответствующие тарифные сценарии, составляется содержательный солнечный кадастр в качестве базы знаний. Такие города могут получить поддержку своих замыслов благодаря Пилотной программе по интегрированному подходу (SCIAPP) при поддержке Глобального экологического фонда (GEF); Глобальной платформе Всемирного банка для постоянных городов (WBGPSC); Международному совету местных природоохранных инициатив (ICLEI, 1500 членов); Мировом Соглашении Мэров городов (Covenant of Mayors, 7700 городов) и т.д. Развитие рынка благодаря продвинутым Интернет-платформам происходит благодаря отбору наиболее подходящих к реализации проектов, а также исходя из возможностей влияния на пиковую потребность, то есть на балансировку местных сетей.

Прежде всего, солнечные симуляторы должны учесть особенности рельефа на базе составления детальной 3D-модели каждого отдельного дома и цифровой модели рельефа (Digital Elevation Model, DEM). рис. 1. Реализация таких моделей главным образом базируется на очень ценных расчетах по технологии LIDAR (Light Identification Detection and Ranging – обнаружение, идентификация и определение дальности с помощью света) и данных о резких перепадах высот на местных объектах. Например, сборка DEM методом LIDAR для города площадью от 20 до 30 км2 может стоить несколько миллионов долларов США. Технология базируется на комплексном оптическом анализе вертикального отражения от крыш (DNI), диффузного затенения по горизонтали (DHI) и отраженной от земли иррадиации по спутниковым снимкам.

Однако по исследованиям IRENA существует менее дорогостоящая альтернатива, основанная на стереоскопии (фотограмметрические методы, см. рис. 2), к тому же для составления солнечных кадастров даже высокого уровня достаточно спутниковых снимков с разрешением, не превышающим 50 см, а это критически снижает стоимость отдельных 3D-моделей и наконец DEM.

Выбор оптимального решения

Конечно, существующие решения солнечных симуляторов и стоимость сборки солнечного кадастра отвечает уровню задач, стоящих перед муниципальными органами и/или бизнес-структурой, составляющей проект или проводящей комплексную оценку локальных бизнес-возможностей использования PV-энергии. Типичный алгоритм сборки солнечного кадастра приведен на рис. 3. На рис. 4 объясняется, каким образом вычисляется затенение в течение суток и год в целом, что влияет на общий технический потенциал генерации.

Сценарии, на основе которых можно выбрать подходящий вариант симулятора, делятся на 4 случая:

• Базовый сценарий – предварительная оценка применения крышных PV-установок в данном месте.
• Ограниченный сценарий – главная проблема – устранение локальных пиковых отключений наименее стоимостным образом.
• Расширенный сценарий – для устранения пиковых отключений менее стоимостным образом с учетом построения новой сетевой инфраструктуры и с подключением к новым электростанциям.
• Устойчивый сценарий – изобретение новых возможностей для современных энергоуслуг, балансировка энергосетей, для развития нового бизнеса, местной промышленности и реализации проектов по накоплению регенерированной энергии, обеспечение возобновляемой энергией отопления/охлаждения, покрытия потребностей растущего количества электротранспорта, отказа от потребления углеводородных энергии и т.д.

По базовому сценарию ожидается, что PV-электричество покроет хотя бы частично растущие потребности в электроэнергии. Эти симуляторы могут учитывать некоторые финансовые факторы, например льготы, тарифы или стимулирующие налоги. Ограниченный сценарий настроен прежде всего на устранение проблем с отключениями по сравнению с использованием и стоимостью резервных генераторов (LCOE PV-решений по сравнению с использованием традиционных источников: дизтопливо, газ, керосин) и целесообразность накопителей энергии (ESS). Расширенный сценарий должен учитывать перспективные планы развития территорий и его энергоструктур. Устойчивый сценарий главным образом моделирует ситуацию на среднюю и долгосрочную перспективу, и вместе с актуальными финансовыми факторами должен учитывать перспективы изменений законодательства, мировые тренды и т.п. – например, изменение локального спроса на электроэнергию, связанную с распространением электротранспорта.

Упрощенные симуляторы используют почасовые усредненные модели солнечной иррадиации на каждый день. рис. 5, более продвинутые (но существенно более дорогие) симуляторы могут моделировать уровень поступления солнечной энергии в почасовом режиме с учетом данных прогнозов и статистики погоды в данной местности за соответствующий период.

Обращаем внимание, что симуляторы можно использовать в качестве аутсорсинговой услуги для крупных проектов (территориальное сообщество и муниципальный уровень) и для малых решений – уровень предприятия, домохозяйства и даже отдельного жилого помещения (см. онлайн-проект IRENA Project Navigator, 2018 г.), т.е. у компаний, предлагающих услуги по расчетам на симуляторах, появляется новое и широкое поле для новой бизнес-деятельности. Учитывая возможности украинских программистов, вскоре можно ожидать появления солнечных симуляторов национального происхождения, которые будут учитывать региональные особенности Украины.