Elektrownie PV na zbiornikach wodnych – najnowsze projekty w Polsce i na świecie

Rozwój fotowoltaiki na świecie napędzają głównie instalacje modułów PV finansowane przez prosumentów oraz podmioty, które chcą czerpać zyski ze sprzedaży czystej energii elektrycznej. Prosumenci w głównej mierze wybierają instalacje, których wielkość jest ściśle związana z roczną konsumpcją energii. Wynika to z regulacji prawych, które promują takie właśnie rozwiązania. W drugim przypadku, inwestorzy najczęściej budują bardzo duże instalacje PV, w tym elektrownie fotowoltaiczne.

Analiza porównawcza konfiguracji fotowoltaicznych dla systemów agrowoltaicznych w Europie

Agrowoltaikę (APV) definiuje się jako jednoczesne wykorzystanie gruntów pod rolnictwo i systemy fotowoltaiczne. Synergia może umożliwić zarówno uprawom, jak i modułom fotowoltaicznym skorzystanie z tej integracji. W suchym klimacie cień rzucany przez moduły fotowoltaiczne może zmniejszyć zapotrzebowanie na nawadnianie nawet o 20 % ze względu na zmieniony mikroklimat i poprawiając warunki glebowe. W zależności od konstrukcji panele słoneczne można również wykorzystać do zbierania wody deszczowej, którą następnie wykorzystuje się do nawadniania szczególnie terenów suchych. Inną potencjalną korzyścią dla upraw jest to, że można je chronić przed wpływami atmosferycznymi, takimi jak ulewne opady deszczu, grad lub wiatr, za pomocą samych modułów fotowoltaicznych lub tuneli foliowych, w których wykorzystuje się konstrukcję montażową modułów.

Duńscy naukowcy zbadali potencjał instalacji APV w całej Europie. Pod uwagę wzięto trzy konfiguracje systemów fotowoltaicznych przy różnym rozstawie rzędów i różnych wysokościach [Niazi K.A.K., et al., Prog. Photovolt. Res. Appl., 2023, 31, 1101–1113]. Zgodnie z oczekiwaniami, ilość wytworzonej energii elektrycznej jest najwyższa w przypadku poziomej, jednoosiowej konfiguracji śledzenia w porównaniu z optymalną instalacją z nachyleniem i pionową konfiguracją dwustronną. Straty spowodowane przez samozacienienie modułów fotowoltaicznych zależą od konfiguracji i gęstości mocy. Dodatkowo badany był także wpływ instalacji fotowoltaicznej na pole uprawne w celu określenia jej potencjału do wykorzystania w rolnictwie. Natężenie promieniowania na ziemi wykazało stosunkowo równomierny rozkład w przypadku pionowej konfiguracji dwustronnej i śledzenia jednoosiowego. Nachylona konfiguracja powoduje wyraźny wzór pasków ze znacznym cieniowaniem.

Badania przeprowadzono na polu referencyjnym o wymiarach 100 m x 100 m podczas analizy ich mocy wyjściowej oraz na polu o wymiarach 50 m x 50 m w celu określenia efektu cienia na podłożu. Moduły fotowoltaiczne zainstalowano na stałej wysokości, która wynosiła 2 m w przypadku konfiguracji nachylonej i 1 m w przypadku śledzenia osi i pionowej konfiguracji dwustronnej (nachylona konfiguracja wymagała większej wysokości podczas zbioru). Odległość od podłoża nie miała wpływu na produkcję energii elektrycznej, ponieważ cienie rzucane przez jeden rząd modułów fotowoltaicznych na drugi nie ulegały zmianie.

Uprawy wykorzystują promieniowanie słoneczne do przeprowadzenia fotosyntezy, ale dzieje się to tylko w niektórych porach roku pochłaniając tylko część widma słonecznego. Parametr promieniowania fotosyntetycznie aktywnego (PAR), które obejmuje światło o długości fali od 400 do 700 nm, jest zwykle wyrażany jako liczba fotonów padających na powierzchnię w określonym czasie. Widmo słoneczne AM1.5G zawiera 430 W/m² w zakresie od 400 do 700 nm. Zasadniczo możliwe jest zacienienie upraw bez wpływu na ich plon lub nawet poprawa wzrostu, jeśli cień przyczynia się do uniknięcia nadmiernego promieniowania i wysokiej temperatury. W rzeczywistości wpływ zacienienia na uprawy zależy w dużym stopniu od miejsca i konkretnej uprawy.

Badania przeprowadzone w miejscowości Foulum w Danii potwierdziły, że zgodnie z oczekiwaniami, jednoosiowa instalacja śledząca ma najwyższą wydajność właściwą, kolejną była konfiguracja nachylona, a najmniej energii wyprodukowała pionowa konfiguracja dwustronna. Ponadto zauważono, że w miesiącach zimowych system nachylony wytworzył więcej energii niż pozostałe dwa systemy, a w miesiącach letnich najlepiej sprawdziła się konfiguracja ze śledzeniem osi. Rozkład natężenia promienienia w lipcu w przypadku ustawienia nachylonego wskazuje, że niektóre obszary pola są znacznie bardziej zacienione niż inne. Każdy z rzędów paneli fotowoltaicznych skierowanych na południe rzuca pasek cienia na ziemię za i pod nim. Tutaj tylko około 56% padającego promieniowania dociera do ziemi. Ten nierówny rozkład natężenia promieniowania może powodować nieprawidłowości we wzroście roślin. Dla pionowej konfiguracji dwustronnej, rozkład natężenia promienienia i zacienienie są równomiernie rozłożone na całym gruncie. Chociaż na całej długości pola nadal istnieją paski o niższym natężeniu światła, minimalne natężenie promienienia osiąga 77,6 %. Z kolei jednoosiowa konfiguracja śledzenia zapewnia w miarę równomierny rozkład natężenia promienienia na całym gruncie, a paski z największą ilością cienia są nadal oświetlone w 78 % dostępnego natężenia promieniowania. Naukowcy ocenili zatem, że ustawienie pionowe i jednoosiowe śledzenie zapewnia bardziej równomierne natężenie promieniowania na ziemi, a gęstość mocy wynosząca około 30 W/m², jest odpowiednia dla systemów agrowoltaicznych.

Aby ocenić potencjał systemów APV w Europie, bada się wykonalność instalacji w terenie i maksymalną możliwą produkcję energii elektrycznej. W tym celu dla odpowiedniego obszaru można przeprowadzić analizę kwalifikowalności gruntów za pomocą programu Atlite. Wybrane typy gruntów, które są uważane za odpowiednie dla systemu APV, dostępne są np. w bazie danych Corine Land Cover. Kryteria wyboru wykluczają różne rodzaje obszarów chronionych, na których zabronione są inwestycje budowlane. Obejmuje to chronione siedliska ptaków i innych dzikich zwierząt, obszary krajobrazowe a także parki i pomniki przyrody. Dla wszystkich obszarów objętych kryterium wykluczenia przyjmuje się minimalną odległość 100 m. Obszary rolne najbardziej odpowiednie dla APV obejmują grunty orne, uprawy trwałe i pastwiska. Obszar kwalifikowalny na terenie Europy jest dość nierównomiernie rozłożony, jednakże w większości krajów objętych badaniem udział kwalifikujących się gruntów waha się od 12 % do 29 %, przy czym w niektórych krajach (np. Norwegii) zaledwie 1% całkowitej powierzchni nadaje się dla instalacji APV, podczas gdy w innych odsetek ten wynosi aż 53% (np. Dania).

Analiza obszaru całej powierzchni Europy wskazuje, że zgodnie z oczekiwaniami ilość energii elektrycznej produkowanej rocznie przez każdą instalację fotowoltaiczną, rośnie dla wszystkich trzech konfiguracji wraz ze zmniejszaniem się szerokości geograficznej. Ogólnie rzecz biorąc, konfiguracja śledzenia zawsze zapewnia najwyższą wydajność energii elektrycznej. Kolejność trzech różnych konfiguracji jest taka sama, niezależnie od lokalizacji, jednakże wzrost uzysku energii elektrycznej poprzez śledzenie jest mniej istotny w krajach Europy Północnej, podobnie jak straty w uzysku energii elektrycznej w przypadku konfiguracji pionowej dwustronnej w porównaniu z konfiguracją pochyloną.

Produkcję energii w ciągu roku oblicza się na podstawie danych dotyczących natężenia napromienienia z PVGIS17 odpowiadających współrzędnym centralnym każdego regionu Europy. Ogólnie rzecz biorąc, APV ma ogromny potencjał uzysku mocy wynoszący 51 TW w całej Europie, co sprowadza się do możliwej produkcji energii do 71 500 TWh/rok, czyli dwudziestopięciokrotnie większej niż obecne zapotrzebowanie na energię elektryczną w Europie.