TL;DR
Не существует всеобъемлющего реестра фотоэлектрических (PV) солнечных батарей, который включает соответствующие данные о производстве энергии.
Мы исследуем, изучаем и создаем проект для создания всеобъемлющей базы данных глобальных солнечных батарей в режиме реального времени.
Мы начнем с изучения двух спутниковых съемок 2018 года. Затем мы изучаем национальные (EIA/BNL), государственные (MA) и местные реестры и базы данных. Предоставляется комплексное представление о солнечных батареях в одном сообществе (Арлингтон, Массачусетс) и разрабатывается стандарт метаданных солнечных батарей.
Документация, анализ, статистика, графики и открытый исходный код по ссылкам ниже.
Спутниковые снимки для идентификации солнечных систем
Комплексная идентификация солнечных установок затруднена из-за фрагментации рынка и сотен агентств, предоставляющих отчеты. Спутниковые изображения в сочетании с алгоритмами машинного обучения обещают определить размеры, местоположение и предполагаемые возможности глобальных установок, решающих проблему идентификации.
2018 Спутниковая съемка
В статье журнала Nature 2021 года — Глобальная инвентаризация фотоэлектрических установок, вырабатывающих солнечную энергию — в 2018 году были выявлены коммерческие объекты (>10 кВт) с использованием спутниковых снимков и алгоритмов машинного обучения. Набор данных инвентаризации включает в себя файл geojson, определяющий местонахождение 68 661 солнечной установки, из которых 7 638 находятся в Соединенных Штатах. На рис. 1 показано количество коммерческих солнечных электростанций в регионе с 48 штатами.
Несколько наблюдений.
На Рисунке 1 показано, что внедрение солнечной энергии обусловлено государственными и местными стимулами и политикой.
Спутниковое исследование 2018 года показывает неравномерное распределение солнечных установок по континентальной части США с концентрацией в четырех штатах; Калифорния, Массачусетс, Нью-Джерси и Северная Каролина. В Джорджии, Флориде и вокруг городов Миннеаполис, Миннесота и Денвер, Колорадо, также широко распространено использование солнечной энергии.
Спутниковая съемка 2018 года возвращает полигоны, которые определяют границу идентифицированной солнечной батареи, как мы увидим ниже. При разрешении на рис. 1 установки отображаются точками; Нью-Джерси и Массачусетс кажутся полностью покрытыми солнечными батареями, что является лишь артефактом визуализации.
Можно было бы ожидать, что усыновление можно объяснить плотностью населения, но крупные города с обширными, богатыми пригородами, напр. Чикаго или Даллас имеют низкую плотность солнечных установок при таком разрешении. Кроме того, инсоляция — измеряемое количество падающей солнечной радиации (кВтч/м²/день) — различается примерно на 75% между Миннеаполисом и Далласом и, по-видимому, не способствует региональному внедрению.
На рис. 2 показана та же спутниковая съемка 2018 г. для Массачусетса. Децентрализованная электростанция мощностью 2 ГВт, которая представляет собой коммерческую солнечную батарею Массачусетса, хорошо распределена по всему штату с заметными пробелами на Кейп-Код на крайнем востоке и холмах Беркшир в западной части штата. Ожидаемая оффшорная ветровая энергия на востоке и существующие гидроэлектростанции в Беркшире заполняют эти наблюдаемые пробелы; см. рис. 4 ниже. Также обратите внимание на редкое коммерческое использование солнечной энергии в столичном районе Бостона, вероятно, из-за относительной стоимости земли.
Пристальный взгляд на Чарльтон, Массачусетс, в центре штата, с прогнозируемыми солнечными батареями спутникового обзора 2018 года, обведенными серым цветом, показан слева на рисунке 3 ниже. Справа показан вид со спутника Google Map того же района. Перекрытие сильное и предоставляет неофициальные доказательства эффективности спутниковой съемки 2018 года.
Ссылки на файлы geojson из спутниковой съемки 2018 года находятся здесь для США и Массачусетса. Воспользуйтесь средством просмотра geojson в Mapbox после загрузки связанных наборов данных, чтобы воспроизвести изображения ниже и изучить другие солнечные установки по всему Массачусетсу.
DeepSolar — Стэнфордский университет
Также в 2018 году исследовательский проект DeepSolar в Стэнфордском университете выявил почти 1,5 млн солнечных установок (как коммерческих, так и жилых) в США.
Общедоступный набор данных показывает детализацию только переписных участков. Информация реестра Массачусетса в следующем разделе подробно описывает более 90 000 солнечных установок, зарегистрированных до 2018 года, в то время как набор данных DeepSolar идентифицирует чуть более 50 000; примерно половина солнечных батарей идентифицируется с помощью спутникового обзора по сравнению с количеством солнечных батарей в государственных реестрах.
Ниже приведен скрипт Python, используемый для создания карт, показанных выше. В оставшейся части этой статьи будут даны ссылки на суть, по которым составлены карты, графики и числовой анализ, чтобы неслучайный читатель мог воспроизвести наши результаты. Кроме того, в этом репозитории размещаются наборы данных ГИС, графики, карты и код.
Заключение спутниковой съемки
Спутниковые исследования обеспечивают расширенную геометрию — многоугольники, ограничивающие солнечную батарею — полезные для целей идентификации. Кроме того, корректировки алгоритма машинного обучения или второй проход с новым алгоритмом на идентифицированных изображениях должны обеспечивать подсчет отдельных панелей при установке. Однако при использовании спутниковой идентификации отсутствует информация о мощности, производительности и характеристиках системы.
Спутниковая идентификация обеспечивает реальное доказательство существования и может быть полезно для целей регистрации и проверок регулирующих органов.
Управление энергетической информации США — EIA
EIA предоставляет огромное количество данных об энергетических активах США для промышленных электростанций, генераторов и прав собственности. Форма обследования ОВОС-860 собирает конкретную информацию на уровне генераторов о существующих и планируемых генераторах и связанном с ними экологическом оборудовании на электростанциях с суммарной паспортной мощностью 1 МВт или более. Подробная информация, включая пространственные координаты и стоимость, доступна для ветряных, солнечных и многотопливных электростанций и генераторов на всей территории Соединенных Штатов.
Вот ссылка на суть Python, которая извлекает данные EIA по электроэнергии за данный год. Годы, начинающиеся в 2000 году, доступны в формате опроса EIA-860.
Наборы данных завода и генератора объединяются для создания геометрии точек EIA с координатами широты и долготы завода и цветовым кодом технологии генератора с использованием схемы в таблице 1; черный — это заводы, работающие на нефти и угле, коричневый — природный газ, зеленый — солнечная энергия, ветер и биомасса, синий — гидроэнергетика, золотой — ядерная и красный — муниципальные мусоросжигательные заводы.
Размер круга зависит от паспортной мощности электростанции и создает артефакты области при низком разрешении; то есть карта всех США показывает море зелени, поскольку есть много небольших солнечных и ветряных генераторов, разбросанных географически, как показано на графике Массачусетса слева. Лучшей шкалой может быть энергетическая мощность, разделенная на население выбранной области.
Обратите внимание на гидроэлектростанции на северо-западе Тихого океана и вдоль горного хребта Сьерра-Невада. Угольные электростанции преобладают на Среднем Западе, а атомные электростанции обычно расположены вдоль побережья. Природный газ следует за промышленной долиной реки Огайо. Возобновляемые источники энергии разбросаны по большей части континентальной части США.
Карта Массачусетса слева лучше отображает относительный размер отдельных электростанций. В Массачусетсе нет атомных электростанций; золотые круги - это завод Seabrook в Нью-Гэмпшире и завод Millstone в Коннектикуте. Некоторая гидроэнергетика представлена в Беркшире, но производство электроэнергии в Массачусетсе в значительной степени зависит от электростанций, работающих на природном газе. По данным EIA, Кейп-Код почти не производит электроэнергии и полностью зависит от газовой когенерационной установки в Плимуте. Коричневые внутри черных маркеров вокруг Бостона и Плимута — это заводы, работающие на двух видах топлива; набор данных ОВОС имеет аналогичную номинальную емкость, хотя резервные запасы «грязного» топлива используются редко.
Удивительно, но между набором данных спутниковой съемки 2018 года и набором данных EIA для солнечной энергии мало совпадений; только около 10% координат станции EIA попадают в полигоны спутниковой съемки 2018 года или даже близко к ним. На Рисунке 5 показаны карты США, Массачусетса и Чарльтона, Массачусетс, на которых показаны как точки установки ОВОС, так и полигоны спутниковой съемки 2018 года.
Это указывает на то, что спутниковая съемка 2018 г. не выявила многих массивов. Кроме того, в первом спутниковом обзоре 2018 года было выявлено всего около 7000 солнечных батарей (>10 кВт), в то время как исследование DeepSolar Стэндфорда выявило более 188000 нежилых систем в том же году.
Программы возобновляемых источников энергии штата Массачусетс
Содружество Массачусетса предоставляет данные обо всех объектах по производству возобновляемой энергии, включая как коммерческие, так и жилые, через свой веб-сайт Списки квалифицированных генерирующих единиц и направляет пользователя к семи различным программам, см. список ниже.
- RPS 1 — Коммерческие и внештатные фотоэлектрические и ветровые
- СРЭК I — Жилой
- СРЭК II — Жилой
- СМАРТ — Жилой
- КЛАСС 2 — Гидроэнергетика и ветер
- ОТХОДЫ — установки для сжигания бытовых отходов
- АПС — ТЭЦ комбинированного газотурбинного и парового теплоснабжения
Проверка ежемесячных данных о производстве централизована через Массачусетский центр чистой энергии — Систему отслеживания производства, которая охватывает (в основном) бытовые солнечные установки в рамках государственных программ поощрения SREC I/II и SMART (в совокупности RPS). ), которые предоставили гранты, сертификацию энергетических кредитов и кредиты под низкие проценты для использования солнечной энергии. Производственные данные, как правило, не доступны для общественности.
Данные PTS запаздывают почти на год. Перекрытие с отдельными списками квалифицированных единиц генерации велико, но с разными элементами данных. Количество установок PTS на 261 больше по сравнению с совокупными программами SREC1 + SREC2 + SMART для жилых помещений. Набор данных PTS содержит информацию (стоимость, информация о производителе), которой нет у RPS, но у RPS есть дополнительная информация об идентификации, хранении и счетчиках. К сожалению, нет никакой связи между PTS и RPS. Объединение двух наборов данных может быть сложной задачей.
Ежемесячные производственные данные для значительной части всех систем (анонимизированные) доступны за 2010–2016 годы и показывают среднюю производительность 13,7%; доля заявленной мощности в кВт, фактически произведенной.
Согласно набору данных PTS, в Массачусетсе было установлено 114 552 фотоэлектрических системы (107 441 жилая) в период с 2002–12–17 по 2021–04–06 991 уникальным поставщиком, при этом на 22 поставщика приходится 85% всех установок.
В общей сложности было установлено 3 ГВт мощности, из которых 800 МВт приходится на жилые дома при стоимости 9 млрд долларов США, производящей примерно 19 ТВт-ч электроэнергии за последние 18 лет с розничной стоимостью 2 млрд долларов США при постоянной розничной выработке электроэнергии 0,11 доллара США.
Ожидаемая выработка энергии всеми текущими фотоэлектрическими установками составляет 3,6 ТВтч в год, а оценочная годовая розничная стоимость составляет около 400 миллионов долларов.
Сводную информацию, представленную выше, можно проверить, используя этот суть Python.
Краткое изложение программ по возобновляемым источникам энергии в Массачусетсе можно найти в Таблице 2 ниже.
Лучшие установщики, на долю которых приходится 85% всех солнечных установок в Массачусетсе за период с января 2020 года по март 2021 года.
Соответствующим экономическим показателем для солнечных установок является стоимость за ватт. Рисунок 6 представляет собой гистограмму стоимости ватта для всех жилых солнечных систем, установленных в Массачусетсе в период с 1 января 2018 года по 3 марта 2021 года.
На рисунке 7 показана солнечная мощность, добавляемая в Массачусетсе за каждый год (зеленые столбцы), а также предполагаемая годовая совокупная выработка энергии (ГВтч) (синяя кривая).
Дополнительные программы штата Массачусетс по возобновляемым источникам энергии — RPS1, Class2, Waste и APS — представляют собой коммерческие электростанции и/или поставщики электроэнергии за пределами штата (Нью-Гэмпшир, Коннектикут, Канада), производящие солнечную, ветровую, гидроэлектроэнергию и другие виды возобновляемой энергии, см. таблицу ниже.
Отслеживание Солнца — BNL
Проект Отслеживание Солнца в лабораториях Беркли предоставляет анонимные данные от 52 государственных и местных агентств, комиссий и коммунальных компаний, охватывающих 2 041 551 солнечную установку в Соединенных Штатах до середины 2021 года. Однако предоставляются только детализированные данные о местоположении с почтовым индексом. Набор данных BNL предоставляется государственными органами и коммунальными предприятиями; Данные по Массачусетсу предоставляются Центром чистой энергии (государственное агентство, предоставляющее упомянутый выше набор данных PTS), а также Департаментом энергетических ресурсов штата Массачусетс (MA DOER).
Набор данных BNL обновляется до конца 2020 года, а данные PTS — до марта 2021 года. Набор данных RPS в рамках программы SMART содержит наиболее полные списки, включая ожидающие установки до 2022 года. Мы объединили все три набора данных для Массачусетса. . Этот подход должен быть действителен для связанных с сетью солнечных батарей 2M, найденных в наборе данных BNL с использованием различных государственных агентств, перечисленных в качестве «поставщиков данных».
Жилые солнечные системы — Арлингтон, Массачусетс
Другой подход, помимо спутниковых съемок, который объединяет информацию о местоположении с данными о солнечных батареях, - это местные разрешения, выдаваемые для солнечных установок. В Арлингтоне, штат Массачусетс, есть онлайн-база данных разрешений, в которой содержится достаточное количество солнечных установок. Таблица 4 представляет собой сравнение различных источников данных для Арлингтона, Массачусетс.
Исходные «Разрешения» имеют ту же самую самую раннюю начальную точку, что и наборы данных BNL и PTS. Разрешения имеют последнюю дату окончания; обычно Арлингтон обновляет базу данных разрешений (работает) ежедневно. Наконец, разрешения охватывают большинство установок. Для наших целей источник разрешений из общедоступной базы данных разрешений Арлингтона будет нашим основным источником, с которым будут сопоставляться все другие наборы данных. Вот ссылка на самый последний набор данных solar_permits.
Данные разрешений не стандартизированы, включая неправильные адреса и трудности с идентификацией солнечных («солар», «PV» и т. д.) установок с использованием описания разрешения. Примерно 20% разрешений содержат ошибки в адресе, описании и стоимости.
Нашей первой задачей было сопоставить почтовый адрес в наборе данных о разрешениях со слоями открытых данных ГИС Массачусетса, в частности со слоем оценщика («L3») для уличного адреса. Пространственное соединение со слоем структур используется для получения вероятной границы крыши и пространственных координат солнечной батареи (широта/долгота), сопоставимых с геометрией, предоставленной спутниковой съемкой 2018 года. Исключения в адресах были устранены с использованием имени владельца разрешения и списков избирателей.
После того, как каждое разрешение было найдено с координатами, мы присвоили уникальный идентификатор, tokenId, который представляет собой геохэш центроида ограничивающей рамки структуры с использованием плоской проекции, полезной для уникальной идентификации данной солнечной батареи с дополнительным преимуществом воспроизводимости. .
Объединение данных RPS/PTS/BNL на уровне штата (Массачусетс) с данными о разрешении на местном уровне (Арлингтон, Массачусетс) дает исчерпывающий набор, включая данные о местоположении и геометрии. Нам удалось сопоставить около 60% двух разрозненных наборов данных. Ниже приведен дисплей github. Увеличьте любую солнечную установку, используя эту интерактивную ссылку. Здания (1120), выделенные зеленым цветом (618), имеют полный набор данных, а желтый цвет (502) представляет данные разрешений, но не данные о состоянии/BNL с информацией о модулях и инверторах.
Еще один полезный инструмент — geojson.io от Mapbox.
Стандарт метаданных солнечной батареи — версия 0.0.1
Полученные метаданные мощности для жилой солнечной батареи представляют собой структуру json с вложенными словарями, охватывающими системные атрибуты, сущность (владение), финансы (стоимость), местоположение (адрес, координаты, геометрия), управление (идентификаторы общедоступных баз данных) и четыре связанных с энергией словаря. словари (ватты, омы, джоули и амперы), детализирующие комбинированные наборы национальных, государственных и местных данных, см. образец метаданных здесь, отформатированный на рис. 8 ниже.
Часть метаданных «изображение» указывает на аэрофотоснимок солнечной батареи, как показано на рисунке 9 ниже.
Заключение
Спутниковые снимки можно использовать для обнаружения и доказательства существования солнечной батареи, но они не дают никаких характеристик установки. Публичные реестры предоставляют характеристики системы, но не предоставляют информацию о местонахождении или владении. Местные разрешения предоставляют информацию о местоположении и владении, но мало информации о системе. Совпадение спутниковых съемок и регистров плохое, а количество солнечных батарей не подсчитано.
Нет общедоступного источника данных о производстве солнечных батарей.
Проект с открытым исходным кодом для каталогизации солнечных батарей и механизм стимулирования владельцев для предоставления производственных данных будет способствовать формированию политики, расширению внедрения солнечной энергии, а также откроет новые варианты использования для использования децентрализованного производства электроэнергии.
