Солнечные симуляторы — новые возможности для PV-бизнеса

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

Фото: Размещение солнечных панелей в городской застройке требует тщательного расчета возможного затенения от соседних зданий в течении всего года.
Фото: Размещение солнечных панелей в городской застройке требует тщательного расчета возможного затенения от соседних зданий в течении всего года.

Неудовлетворенная потребность

В условиях, когда экономическая составляющая для воплощения PV-проектов становится все более привлекательной и широко воплощаются инновационные технологии оперативного измерения и удовлетворения спроса на энергию, совершенствуются микросети и дешевеют автономные решения, в действительности появляются новые вызовы для инвестирования в PV-сектор. В то же время действуют противонаправленные тенденции. Крупные корпорации первыми осваивают привлекательные с точки зрения отдачи солнце / энергия / прибыль большие места и строят там масштабные проекты, которые могут не иметь в ближайшем времени дополнительных потребителей энергии или абонирующие все имеющиеся местные инфраструктурные (сетевые) возможности, то есть искусственно ограничивается доступ новых участников к PV-бизнесу. С другой стороны, там, где есть потребность в дополнительной генерации, проникновение PV-установок вызывает определенные возражения учитывая фактическую эффективность (энергетическую и финансовую), достижимую на рассмотренные локации, что также ограничивает привлекательность инвестирования.

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

Глобальную актуальность PV-поддержки для устойчивости 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, приводятся цифры прямых убытков 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 расходы от нерегулярных отключений электричества не превышают 1%.

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

Разновидность и назначение

В агентстве IRENA отмечают, что пока это лучшее время для значительного прогресса в развитии городской PV-структуры. Однако муниципальные планировщики и бизнес-структуры должны опираться на надежные данные по геолокации и местной экономики, которые позволят обоснованно разработать оптимальный инвестпроект.

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

  • Методология выборки: на базе выбранного участка небольшой площади проводятся детальные расчеты, где эти данные аппроксимируются на всю городскую застройку.
  • Методология многомерного зачета проб: достяжимая площадь пробного участка соотносится с плотностью населения, проживающего в домах определенного типа и аппроксимируется 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. Примерно 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 относительно рельефа, потребности в потреблении или финансовой составляющей.

По исследованию IRENA уровни сложности солнечных кадастров различаются от базового (по уровням иррадиации), среднего (указывает наиболее технически пригодные для PV-проектов участки) до продвинутого (дополнительно учитывает финансовые факторы и оценку доходности инвестирования).

Рис. 1. Устранение в симуляторе неопределенности от стереоизображения для генерации DEM: а) спутниковые снимки местности минимум из двух позиций; b) цифровое увеличение контраста; c) наложение фактических границ крыши; d) программное устранения артефактов от наложения изображений. Источник: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», январь 2019.
Рис. 1. Устранение в симуляторе неопределенности от стереоизображения для генерации DEM: а) спутниковые снимки местности минимум из двух позиций; b) цифровое увеличение контраста; c) наложение фактических границ крыши; d) программное устранения артефактов от наложения изображений. Источник: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», январь 2019.

Новые облачные онлайн-продукты обеспечивают новые возможности:

  • Расчеты 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 первичных 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); Международного совета местных природоохранных инициатив (ICLEI, 1500 членов); Мирового Соглашения Мэров городов (Covenant of Mayors, 7700 городов) и др. 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), см. рис. 1. Реализация таких моделей в основном базируется на очень ценных расчетах по технологии LIDAR (Light Identification Detection and Ranging — выявление, идентификация и определение дальности с помощью света) и данных по резким перепадам высот на местных объектах. Например, составление 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 (DHI), 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), причем для составления солнечных кадастров даже высокого уровня достаточно спутниковых снимков с разрешением, которое не превышает 50 см, а это критично снижает стоимость отдельных 3D-моделей и в конце-концов DEM.

Рис. 2. Последовательная обработка спутниковых изображений для построения достоверной DEM. Источник: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», январь 2019.
Рис. 2. Последовательная обработка спутниковых изображений для построения достоверной DEM. Источник: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», январь 2019.

Выбор оптимального решения

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

Рис. 3. Алгоритм формирования солнечного кадастра. Источник: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», январь 2019.
Рис. 3. Алгоритм формирования солнечного кадастра. Источник: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», январь 2019.

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

  • Базовый сценарий — предварительная оценка применения кровельных PV-установок в данной местности.
  • Ограниченный сценарий — главной проблемой является 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 — открытие новых возможностей для современных энергоуслуг, балансировка энергосетей, для развития нового бизнеса, местной промышленности и реализации проектов по накоплению регенерированной энергии, обеспечения возобновляемой энергией отопления / охлаждения, покрытие потребности растущего числа электротранспорта, отказа от потребления углеводородных энергоресурсов, транзиции на ВИЭ и тому подобное.
Рис. 4. Схема для расчетов влияние затенения. Источник: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», январь 2019.
Рис. 4. Схема для расчетов влияние затенения. Источник: IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», январь 2019.

По базовому сценарию ожидается, что PV-электрика 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 отключением по сравнению с использованием и стоимости 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 ее энергоструктуры. 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.д. — например изменение локального спроса на электроэнергию, связанную с распространением электротранспорта.

Упрощенные симуляторы используют почасовые усредненные модели солнечной иррадиации на каждый день, см. 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 (см. публикацию «Инструменты для моделирования солнечных электростанций»

Рис. 5. Пример фрагмента карты со среднесуточным поступлением солнечного света по расчетам солнечного симулятора. IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», январь 2019.
Рис. 5. Пример фрагмента карты со среднесуточным поступлением солнечного света по расчетам солнечного симулятора. IRENA, «Solar simulators: Application to developing cities», январь 2019.

Обращаем внимание, что симуляторы можно использовать как аутсорсинговую услугу для крупных проектов (территориальная община и муниципальный уровень) и для малых решений — уровень предприятия, домохозяйства и даже отдельного жилого помещения (см. онлайн-проект IRENA Project Navigator, 2018), т.е. у компаний, предлагающих услуги расчетов на симуляторах, появляется новое и широкое поле для новой бизнес-деятельности. Учитывая возможности украинских программистов, вскоре можно ожидать появление солнечных симуляторов национального происхождения, которые вполне будут учитывать региональные особенности Украины.