AgriPV i Ås – en modellbasert simulering av energiproduksjon og plantevekst

Abstract

Agricultural photovoltaics (agriPV) er et konsept som kombinerer solenergiproduksjon med landbruk for å optimalisere arealbruken og øke ressurseffektiviteten. I et agriPV-system kan solenergi produseres, samtidig som planter, korn eller grønnsaker til matkonsum eller dyrefôr dyrkes i samme anlegg.

Høsten 2023 skal det installeres et testanlegg for agriPV på Kjerringjordet i Ås. Anlegget skal bestå av tre rader med 20 vertikale, tosidige solcellemoduler med vekst av timotei-gress under solcellepanelene. Målet med studien er å finne optimal radavstand og oppsett for solcellepanelene for maksimal energiproduksjon og plantevekst. Fire ulike oppsett med forskjellig orientering av modulene og fire ulike radavstander, valgt basert på vanlig bredde for landbruksmaskiner, er undersøkt.

I studien er det gjennomført en modellbasert simulering av energiproduksjon og plantevekst ved bruk av programvaren Rhinoceros og underprogramvaren Grasshopper. Modellen inkluderer de fysiske komponentene i systemet, inkludert solcellepaneler, festeutstyr og omkringliggende terreng. Komponenter fra programtilleggene Ladybug og Honeybee benyttes for analyse av geometri og meteorologiske data. Simuleringene inkluderer blant annet albedo-reflektert diffus stråling og strålesporing, samt nær- og fjernskygge. Energisimuleringer er basert på teori fra standarden SN-NSPEK 3031:2020 fra Standard Norge og plantemodellen valgt er Canadian Timothy Model (CATIMO).

Resultatene viser at valg av oppsett og orientering ikke gir store differanser i energiproduksjon. Ved 13 meter radavstand er årlige simulerte verdier for oppsett 1.1, 1.2, 2.1 og 2.2 henholdsvis 25854,4, 25607,4, 25732,2 og 25728,7 kWh. Øvrige simuleringer viser at både energi- og gressproduksjon er proporsjonal med radavstand, hvor gressproduksjonen var 89,1, 94,3, 95,7 og 96,8 % av mulig produksjon på området for henholdsvis radavstand 4, 9, 13 og 20 meter. For testanlegget vil 20 meter radavstand anbefales basert på resultatene, men for større anlegg eller ved utvidelse av testanlegget kan kortere radavstander være mer lønnsomt for total produksjon. Månedlige energisimuleringer viser at produksjonen er høyest i sommerhalvåret, hvor juli måned gir høyest produksjon.

Agricultural photovoltaics (agriPV) is a concept that combines solar power production with agriculture to optimize land use and increase resource efficiency. In an agriPV facility solar energy can be produced while simultaneously growing plants, grains or vegetables for human or animal consumption.

In the autumn of 2023, an agriPV facility will be installed on Kjerringjordet in Ås. The facility will consist of three rows of 20 vertical bifacial solar modules with timothy grass underneath. The goal of this paper is to identify the optimal row distance and setup of the solar panels for maximum energy output and plant growth. The paper analyses four different setups with varying orientations of the solar panel modules and row distances, while catering to the width of agricultural equipment.

The study has created a model-based simulation of energy production and plant growth using the software programmes Rhinoceros and Grasshopper. The model includes the physical components of the facility, including solar panels, fastening equipment and surrounding terrain. Components of the software programmes Ladybug and Honeybee analyses the geometry and meteorological data. The simulations include, among other things, albedo-reflected diffuse radiation and ray tracing, as well as near and far shadow. Energy simulations are based on theory from \textit{SN-NSPEK 3031:2020} from Standard Norge and the plant model chose is Canadian Timothy Model (CATIMO).

The results show that the choice of setup – east/west orientation of the modules – does not show significant differences in the energy production. With a row distance of 13 meters the yearly simulated values for setup 1.1, 1.2, 2.1 and 2.2 are 25854.4, 25607.4, 25732.2 og 25728.7 kWh respectively. Simulations show that both energy and grass production is proportional to row distance. Grass production was 89.1, 94.3, 95.7 og 96.8 % of ideal production for row distances 4, 9, 13 and 20 meters respectively. For the planned test facility the recommended row distance will therefore be 20 meters. However, for larger scale facilities, or expansion of the test facility, a shorter row distance could be profitable for total production. Monthly energy simulations show the production to be highest in the summer months, where July comes out on top.