Оценка будущего развития солнечной энергетики в Австралии с учетом климатических прогнозов

Том 13 научных отчетов, номер статьи: 11503 (2023) Цитировать эту статью

43 Альтметрика

Подробности о метриках

Растущий уровень проникновения фотоэлектрических (PV) электросетей в энергосистему создает проблемы как для проектирования, так и для эксплуатации сети из-за ее уязвимости к изменению климата. Важнейшим аспектом работы фотоэлектрических систем является скачок мощности, приводящий к нестабильности и нестабильности в сети. Поскольку запланировано крупномасштабное развертывание фотоэлектрических систем, включая крупнейшую в мире планируемую инфраструктуру солнечной энергии в Пауэлл-Крик, Австралия, определение характеристик будущих пандусов имеет решающее значение для обеспечения стабильного производства электроэнергии для поддержки крупномасштабного экономического развития. Используя прогнозы CORDEX-Австралазия в соответствии со сценариями выбросов RCP8.5 и RCP4.5, были охарактеризованы будущие изменения солнечной активности по всей Австралии до 2100 года. Результаты предсказывают снижение величины линейного изменения по всей Австралии, с изменениями частоты и продолжительности периода, варьирующимися в зависимости от местоположения. Эта работа подчеркивает важность учета будущих изменений климата при проектировании крупномасштабных солнечных электростанций, чтобы обеспечить включение устройств контроля частоты и планов хранения для надежного энергоснабжения.

Установленная мощность подключенных к сети солнечных электростанций быстро растет во всем мире1. Однако интеграция крупномасштабных фотоэлектрических (PV) систем в электросеть представляет собой серьезную техническую проблему из-за изменчивого характера солнечного ресурса. Колебания глобальной горизонтальной освещенности (GHI), вызванные движением облаков, ответственны за прерывистые периоды выработки фотоэлектрической энергии. Ожидается, что в ясный день генерируемая фотоэлектрическая энергия будет следовать предсказуемой суточной кривой, аналогичной GHI в этом месте2. Однако эта суточная кривая резко меняется из-за движения облаков, что может привести к внезапному увеличению или уменьшению выходной мощности (так называемые пандусы). Рассеянные кучевые облака в хорошую погоду могут создавать наклоны, варьирующиеся от секунд до минут, в то время как слой непрозрачных слоистых облаков может генерировать наклоны, которые снижают выход энергии на несколько часов3. Таким образом, пандусы влияют на количество вырабатываемой электроэнергии и надежность фотоэлектрических систем. При более высоких уровнях проникновения солнечной энергии внезапные колебания количества производимой фотоэлектрической энергии могут отрицательно повлиять на работу энергетических систем и соотношение спроса и предложения в различных временных масштабах4. Чтобы удовлетворить местный спрос на электроэнергию, сетевые операторы должны реагировать на колебания солнечной электроэнергии, вызванные облаками, и сбалансировать значительную избыточную или дефицитную генерацию встроенных фотоэлектрических генераторов. Изменение температуры меньшей продолжительности (в секундах) может вызвать локальное мерцание напряжения, что увеличивает потребность в регулирующем оборудовании (например, устройствах РПН) и, таким образом, увеличивает затраты на техническое обслуживание. В более длительных временных масштабах (в минутах) изменения мощности, вырабатываемой фотоэлектрическими панелями, могут существенно повлиять на стабильность сети и качество электроэнергии5. Следовательно, важно идентифицировать и прогнозировать возникновение пандусов для планирования решений для хранения и технологических разработок в устройствах управления пандусами.

Солнечные пандусы изучались в разных частях мира5,6,7,8 с использованием выходной мощности фотоэлектрических систем2,9 или наблюдений GHI5,10. Эти исследования дали количественную оценку скачков напряжения в масштабах фотоэлектрических станций и выявили их влияние на энергосистему. На изменчивость вырабатываемой электроэнергии влияют условия неба5,11,12 и местные погодные явления2,10,13. Лишь немногие исследования выявили локализованные погодные явления, ответственные за появление пандусов2,9,13, а также изучили их сезонную и годовую изменчивость9. Будущие изменения условий облачного покрова и погодных условий из-за изменения климата повлияют на появление пандусов в разных частях мира.

Несмотря на несколько исследований по изменению солнечной активности, большинство из них основано на наблюдениях, охватывающих менее двух лет. Кроме того, предыдущие исследования в этой области либо склонны к разработке новых методов прогнозирования14,15,16,17, либо к выявлению линейного поведения крупномасштабных фотоэлектрических электростанций на конкретных участках с использованием исторических данных2,6,18. Минимальные исследования были проведены в более крупном пространственном масштабе для изучения закономерностей постепенного распределения. Не проводилось никаких исследований, позволяющих предположить, как изменятся свойства солнечной энергии из-за изменения климата. Австралия обладает одними из лучших в мире ресурсов солнечной энергии, и по всей Австралии наблюдается быстрый рост внедрения как крупномасштабных, так и малых фотоэлектрических систем для достижения целевых показателей чистого нулевого уровня19. В связи с ростом спроса на производство и интеграцию солнечной электроэнергии в Австралии важно понимать природу и масштабы таких изменений фотоэлектрической мощности в различные временные масштабы, чтобы планировать решения по хранению и стабильному регулированию сети. Несмотря на то, что в прошлом было проведено мало исследований, связанных с изменчивостью GHI над Австралией4,20, ограниченные исследования были сосредоточены на нарастании солнечной энергии над Австралией21,22, при этом на сегодняшний день не было исследований, связанных с нарастающими явлениями по всей Австралии.

17.5% of the installed capacity) during the historical period (Fig. 1a). The ramp magnitude is projected to significantly decline ~ 0.4 to 0.5% under RCP4.5 (Fig. 1b) and > 0.45% under the RCP8.5 scenario (Fig. 1c) in the far future. Northern Australia is expected to have the highest decline in the ramp magnitude for RCP4.5. Under the RCP8.5 scenario, we expect a maximum decline in Australia's Northern and Eastern regions. We analyze the ramps at the 90th percentile to assess the extreme ramp events. The ramp magnitude at the 90th percentile (referred to as extreme ramps here) is highest near the east coast of Australia during the historical period (Fig. 1d). These extreme ramps are projected to decline throughout the country in the future for both periods under RCP4.5 and RCP8.5 emission scenarios (Fig. 1e,f). During the far future period, the magnitude decreases further under both scenarios. The highest decline occurs in the East and some parts of North Australia (up to 1.5% of the installed capacity). Additionally, it is interesting to note that even though the maximum decline in the mean ramp magnitude is in the Western part of the continent in the future, the maximum reduction in extreme ramp magnitude is projected in the East and North. This reveals that cloud-induced variability in PV generation for future periods is projected to decrease; hence, the requirement for an extensive storage facility to maintain grid stability at all times of the day will reduce./p> 200 per year) (Fig. 2d). It is predicted that there will be a slight increase in the number of extreme ramps in some parts of North and East Australia in the future, with decreases elsewhere. The maximum increases in the extreme ramps are predicted in the North and East of the continent (up to 4 per year) during the far future period under RCP4.5 (Fig. 2e), while similar increases are expected to occur only near the East (up to 6 per year) under RCP8.5 (Fig. 2f). Further, it can be noted that the spatial patterns for the changes in mean ramp frequency are similar to the changes in the extreme ramp frequency. This indicates that the peak and the tail of ramp frequency distribution will shift in a similar direction in the future. The future reduction in the number of ramp events at a location indicates that fewer onload tap-change operations will be required to maintain constant voltage, thus reducing the chances of grid imbalance and reducing the installation and maintenance costs of ramp control devices in the future. However, regions with future increases in ramp frequency require more robust ramp control devices to avoid grid instability and voltage flicker issues./p> 150 min/day) during the historical period (Fig. 3a). During the far future period, the ramping periods are projected to decrease in the West and increase in the East under both scenarios (Fig. 3b,c). There is a significant reduction in ramping periods near the West and South-Eastern Coast under both scenarios in the far future period. During the historical period, Northern Australia experienced the most extended periods of extreme ramps (Fig. 3d). It is interesting to note that the maximum increases in future extreme ramp periods are near Northern, Central and Eastern coastal regions of Australia for both scenarios (Fig. 3e,f), unlike the mean ramp periods with increases confined to Eastern Australia./p>

80 per year) by the end of the century. The mean ramping period duration is expected to significantly increase, with the increase mostly observed in Northern and Eastern Queensland under both scenarios (up to 50 h per year) by the end of the century. These changes reach up to 5% of the historical values are statistically significant near Queensland and the western and south-western regions of Australia. These are the regions where the future changes are large compared to the variability in the ensemble members. The future changes in ramp frequency and periods are higher under the RCP8.5 scenario. It is important to emphasize that the results show the dependence of ramps on future emission scenarios. Our results highlight that different emission scenarios used by regional climate models can significantly affect the magnitude of future changes in ramp characteristics. The high emission scenario RCP8.5 projects up to two times higher future changes in ramp characteristics than the intermediate emission scenario RCP4.5. Hence, it is essential to estimate the future intermittency by considering different emission scenarios to accurately assess the storage requirements for reliable and stable grid operation in the future./p>