Как узнать количество солнечной энергии, вырабатываемой вашими крышами, с помощью Javascript и Google Maps

Когда я езжу в другие страны, чтобы выступать на различных конференциях, меня спрашивают о возобновляемых источниках энергии в Сингапуре. Это одна из профессиональных опасностей в моей работе. Это особенно важно, когда я начинаю говорить о наших усилиях по использованию энергетических технологий для повышения энергоэффективности и устойчивости.

Когда я говорю о возобновляемых источниках энергии в Сингапуре, обычно есть несколько вещей, которые удивляют людей. Во-первых, мы почти полностью зависим от природного газа, и 95,3% электроэнергии в Сингапуре вырабатывается из него. Солнечная энергия является нашим единственным источником возобновляемой энергии, и на ее долю приходится всего около 1,3% или 174,3 МВт от генерирующих мощностей Сингапура.

Во-вторых, буквально нет другого источника возобновляемой энергии, кроме солнечной. Скорость ветра в Сингапуре недостаточна для установки ветряных турбин. Коммерческие ветряные турбины работают при скорости ветра около 4,5 м / с, но средняя скорость ветра в Сингапуре составляет всего около 2 м / с. Узкий диапазон приливов и отливов в Сингапуре и спокойное море отлично подходят для наших портов, но это также означает, что использование приливной энергии невозможно. Ни одна из рек Сингапура не течет достаточно быстро для выработки гидроэлектроэнергии, и здесь нет геотермальных источников энергии (если не считать Парк горячих источников Сембаванг).

И последнее: даже солнечная энергия - дело сложное, и это отчасти объясняет, что мы не получаем много солнечной энергии в нашем энергобалансе. Это поражает большинство людей, потому что вы обычно думаете, что из-за того, что Сингапур находится в тропиках, мы будем получать много солнца, а солнечная энергия просто ставит панель, чтобы улавливать избыточную свободную энергию с неба. К сожалению, у нас также часто бывает облачный покров по всему Сингапуру, и поскольку Сингапур в основном урбанизирован, найти подходящие места для установки солнечных батарей не так просто.

Солнечная энергия в Сингапуре

Но это еще не все мрачно. Как и во всем остальном мире, солнечная энергия как возобновляемый источник энергии процветает в Сингапуре в течение последнего десятилетия. Установленная мощность солнечных фотоэлектрических (PV) систем в Сингапуре выросла с примерно 10 МВт в 2012 году до примерно 263 МВт к середине 2019 года.

Одним из главных драйверов этого принятия является проект SolarNova. Эта программа, запущенная в 2014 году Советом по экономическому развитию (EDB) и Советом по развитию жилищного строительства (HDB), предоставила стимулы и помогла городским советам и правительственным зданиям установить солнечные фотоэлектрические системы на различных объектах.

По состоянию на середину 2019 года 52% (137 МВтп) установленной мощности Сингапура приходится на нежилые частные установки, 44% (115 МВтп) приходится на городские советы и государственные учреждения и только 4% (11 МВтп) приходится на жилые установки.

Во время ежегодной Сингапурской международной энергетической недели (SIEW) в октябре 2019 года министр торговли и промышленности Чан Чун Синг назвал солнечную энергию одним из 4 «переключателей» в «Энергетической истории Сингапура» и поставил цель в 2 ГВтп к 2030 году. довольно сложная задача! Только представьте, что нам потребовалось около 8 лет, чтобы добавить около 250 МВт мощности, но теперь мы собираемся добавить еще 1740 МВт примерно через 10 лет!

Тем не менее, если мы немного рационализируем цифры, мы в конечном итоге окажемся немного сбитыми с толку. Если мы предположим, что средний годовой доход для солнечной фотоэлектрической системы составляет 1300 кВтч / кВт (это оптимистичное число), это означает:

Electricity generated = 1,300 x 2,000,000,000 = 2.6 TWh per year

Теперь, если учесть, что сегодня годовое потребление энергии в Сингапуре составляет 50,4 ТВт-ч, это означает, что это всего около 5,1% от сегодняшних потребностей!

Цифры становятся намного хуже, учитывая, что 2 ГВтч должны быть получены к 2030 году. Согласно прогнозу Управления энергетического рынка (EMA), к 2030 году Сингапур будет потреблять от 63,4 ТВтч до 68 ТВтч, что означает, что 2 ГВтч будут поставлять от 3,8% до 4,1% потребления Сингапура.

Очевидно, что если мы хотим, чтобы в нашем энергобалансе было больше возобновляемых источников энергии, нам нужно сделать намного больше.

Оценка солнечной энергии на крышах

Одно из крупнейших исследований солнечных фотоэлектрических систем в Сингапуре, Дорожная карта солнечных фотоэлектрических систем для Сингапура, подготовленное Институтом исследований солнечной энергии Сингапура (SERIS) для EDB и EMA, было проведено сверху вниз оценка доступного пространства в Сингапуре для солнечной энергии.

За исключением крыш, все другие пространства, обсуждаемые в исследовании, в настоящее время широко не используются или не являются экспериментальными. Фасады, использующие интегрированные в здание фотоэлектрические элементы (BIPV) или иным образом, по-прежнему неприемлемы для чего-либо, кроме некоторых пилотов, из-за потенциальных рисков пожара и безопасности, которые они представляют. Инфраструктура использовалась, но количество произведенной электроэнергии оказывает минимальное влияние. Островки за пределами материковой части Сингапура не связаны с Сингапуром электричеством и, следовательно, не подключены к сети. Плавающий PV является многообещающим, но на данный момент ограничен. Совет по коммунальным предприятиям (PUB), национальное агентство по водным ресурсам Сингапура, ввело в эксплуатацию плавучие фотоэлектрические установки, не подключенные к сети, на 2 резервуара, мощностью 2,5 МВт, а также в настоящее время работает с SERIS на испытательном стенде 50 МВт на водохранилище Тенге, крупнейшем в мире. плавучая солнечная фотоэлектрическая установка .

Так что, если вы в ближайшем будущем ищете солнечную фотоэлектрическую установку в Сингапуре, она, вероятно, будет на крыше здания. Итак, сколько электроэнергии можно вырабатывать из HDB и других зданий?

Подсчет количества вырабатываемой электроэнергии может быть сложным или простым, в зависимости от уровня точности. Для оценки высокого уровня эта простая формула является хорошим приближением:

electricity generated annually (kWh) = rooftop area (sqm) x panel efficiency (%) x average insolation (kWh/sqm per day) x system performance ratio (%) x 365

Беглый взгляд на параметры:

  • Площадь крыши. Это площадь вашей крыши в квадратных метрах.
  • Эффективность панели. Это эффективность солнечных панелей, которые вы можете установить на крыше. Значение исходит от производителя солнечных батарей и обычно составляет от 0,15 до 0,22.
  • Средняя инсоляция. Это среднее количество солнечной радиации на горизонтальной поверхности у поверхности земли в киловатт-часах на квадратный метр в день.
  • Коэффициент производительности системы. Это средняя производительность системы.

Область на крыше проста, но остальные параметры требуют более подробного пояснения.

Эффективность панели

Существует множество различных типов и размеров солнечных панелей, которые можно разместить на крыше. Эффективность панели - это мера ее способности преобразовывать несвет в полезную электроэнергию. Большинство солнечных панелей имеют КПД от 15% до 22%, хотя КПД выше 20% встречается относительно редко. Согласно Национальному хранилищу солнечных батарей Сингапура (NSR), наиболее популярным типом солнечных панелей в Сингапуре является поликристаллический кремний (70,4% их базы данных относятся к этому типу), в то время как наиболее популярным брендом является REC (из них 46,6%. ).

Как узнать эффективность солнечной панели? Значение должно быть указано в технических характеристиках в разделе КПД панели.

Например, в REC Twin Peak 2 Series в зависимости от рейтинга Wp КПД панели составляет от 16,5% до 18%.

Средняя инсоляция

Инсоляция - это количество солнечной энергии, попадающей на территорию каждый день. Это измеряется в киловатт-часах на квадратный метр в день. Инсоляция, как вы уже догадались, различается от места к месту, но в Сингапуре мы обычно можем предположить, что средняя инсоляция не меняется от одной части Сингапура к другой.

НАСА очень полезно предоставляет данные об инсоляции в рамках своего проекта Прогнозирование мировых энергетических ресурсов (POWER). У проекта POWER есть несколько наборов данных, к которым можно получить доступ через их API.

Документация по API довольно обширна и относительно проста для понимания. Для простоты вы можете перейти прямо по этому URL-адресу в своем браузере:

https://power.larc.nasa.gov/cgi-bin/v1/DataAccess.py?request=execute&identifier=SinglePoint&parameters=ALLSKY_SFC_SW_DWN&startDate=20090301&endDate=20190331&userCommunity=SSE&tempAverage=DAILY&outputList=CSV&lat=1.343887&lon=103.954253&user=anonymous

Параметры API:

  • запрос. У него есть только одно значение, которое нужно выполнить.
  • идентификатор. Есть варианты выбрать одну точку, указав широту и долготу или ограничивающую рамку, описывающую область, но опять же для простоты и поскольку Сингапур обычно достаточно мал, что это не имеет значения, я использовал SinglePoint
  • параметры. Здесь мы запрашиваем данные инсоляции, которые указаны как All Sky Insolation Incident on a Horizontal Surface или SKY_SFC_SW_DWN.
  • startDate и endDate. Это определяет диапазон времени, в течение которого нам нужны данные. В данном случае я попросил 10-летний период с марта 2009 года по март 2019 года.
  • userCommunity. Мы используем SSE, поскольку мы запрашиваем приземную метеорологию и солнечную энергию.
  • tempAverage. Это запрашивает продолжительность данных, в нашем случае мы ищем ежедневные данные инсоляции, поэтому мы использовали значение DAILY
  • вывод. Я запросил данные в CSV
  • широта и долгота. Я указал широту и долготу Сингапура.
  • пользователь. Ставить можно что угодно.

Вы можете быть удивлены, что ответ представляет собой JSON (а не CSV), но это не то, что вам нужно (если вы не хотите действительно анализировать JSON, что не обязательно). Если вы прокрутите вниз до конца, вы увидите что-то вроде этого:

...
"outputs": {
  "csv": "https://power.larc.nasa.gov/downloads/POWER_SinglePoint_Daily_20090301_20190331_001d34N_103d95E_7f871fb0.csv"
 },
...

Просто скопируйте этот URL и вставьте его в браузер, и вы получите те же данные в CSV. Затем откройте свою электронную таблицу, возьмите значения в ALLSKY_SFC_SW_DWN, замените значения -999 на 0 (POWER установите значение дня на -999 для отсутствующих данных), затем найдите среднее значение всех значений.

В качестве альтернативы вы также можете написать простой скрипт на любом языке по вашему выбору, проанализировать JSON и получить средние значения. Выбрать свой яд.

Если вы сделаете все это, вы должны получить среднее значение около 4.284.

Коэффициент производительности системы

Коэффициент производительности солнечной фотоэлектрической системы - это число, которое описывает, насколько эффективна система в целом, в зависимости от большого количества факторов. Это может включать потери инвертора, температурные потери, потери в кабеле, затенение и другие факторы окружающей среды, которые зависят от места установки. Хорошо спроектированная система может достичь коэффициента производительности около 85%.

Коэффициент производительности - это международная метрика для оценки фотоэлектрических систем, принятая Международным энергетическим агентством (IEA) Photovoltaic Power Systems (PVPS) и описанная в стандарте IEC 61724.

Сколько электроэнергии мы можем вырабатывать на всех крышах Сингапура?

При всем этом давайте вернемся к вопросу - сколько электроэнергии мы можем вырабатывать на самом деле, учитывая, что площадь на крыше составляет 32,2 квадратных километра?

Прежде чем мы начнем, давайте быстро конвертируем квадратные километры (кв. Км) в квадратные метры (кв. М). 1 км составляет 1 000 м, поэтому 1 км 2 составляет 1 000 x 1 000 кв. М, что составляет 1 млн кв. М. Таким образом, 32,2 кв. Км - это 32,2 млн кв.

Также сделаем следующее предположение:

  • КПД солнечной панели 0,17
  • Средняя инсоляция 4,284 кВтч / кв.м / сутки
  • Коэффициент производительности системы 0,85

Из предыдущей формулы:

electricity generated annually (kWh) = rooftop area (sqm) x panel efficiency (%) x average insolation (kWh/sqm per day) x system performance ratio (%) x 365

так это значит

electricity generated annually (GWh) 
= 32,200,000 x 0.17 x 4.284 x 0.85 x 365
= 7,275 GWh

Это примерно 7,3 ТВт-ч или 11,5% от 63,4 ТВт-ч ожидаемого потребления электроэнергии Сингапуром в 2030 году. Если мы добавим все другие места, предложенные в дорожной карте солнечной фотоэлектрической энергии, мы получим около 9,8 ТВт-ч или около 15,5%.

Инструмент солнечной оценки

Вы, вероятно, понимаете, если читали другие мои сообщения в блоге (или даже читая заголовок этого сообщения), что рано или поздно там будет какой-то код. Я немного возился и черпая вдохновение из существующих инструментов, таких как Project Sunroof от Google, а также калькулятора PWatts Национальной лаборатории возобновляемых источников энергии (NREL), я создал несколько похожий инструмент под названием Solar Оценщик .

Этот инструмент позволяет вам оценить количество электроэнергии, вырабатываемой на вашей крыше, если вы установите на нее солнечные батареи. По умолчанию для инструмента установлены значения, которые будут работать для местоположений, расположенных в Сингапуре. Измеряемой площадью должны быть крыши только в том случае, если предполагается, что количество солнечных панелей будет размещено на небольшой площади. Самое главное - этот инструмент обеспечивает только оценку высокого уровня.

Попробуйте Solar Estimator здесь - https://sausheong.github.io/solarest

Шаги

  1. Перейдите на карту к месту, которое вы хотите измерить. По умолчанию он указывает на ваше текущее местоположение, но вы можете ввести нужное местоположение. Вы можете переключаться между режимами карты и спутников на карте, чтобы лучше видеть область, которую вы хотите измерить.
  2. Нажмите кнопку измерения. При этом инструмент перейдет в режим измерения и позволит вам измерить площадь вашей крыши.
  3. Щелкните первую точку на карте. Затем нажмите несколько следующих, чтобы создать многоугольник, покрывающий вашу крышу. Вы можете перемещать точки для соответствующей настройки. Используйте кнопку очистки, чтобы очистить все точки и выйти из режима измерения.
  4. Измеренная площадь должна отображаться справа от вас. Количество вырабатываемой ежегодно электроэнергии рассчитывается автоматически.

Вы также можете настроить измеренную площадь крыши или эффективность панели, среднюю инсоляцию и даже коэффициент производительности. Значения по умолчанию предназначены для удобства и предполагают оптимистичное предположение о солнечной фотоэлектрической установке.

Как я это построил

На самом деле это довольно простой в разработке инструмент. Он полностью построен на HTML, CSS и Javascript, и Google Maps предоставляет большую часть того, что вам нужно для карт. Вот другие библиотеки, которые я использовал:

  1. MeasureTool. Это библиотека Javascript для реализации возможностей измерения площади.
  2. JQuery. Как обычно, это стандартная универсальная библиотека Javascript.
  3. Bootstrap. Я использовал это для стилей и макета
  4. FontAwesome. Я использовал это для иконок.

Карты Гугл

Прежде чем мы начнем, нам нужно получить ключ API платформы Google Maps. Перейдите на https://cloud.google.com/maps-platform/ и нажмите кнопку НАЧАТЬ.

Выберите Карты (это все, что вам нужно) и ПРОДОЛЖИТЕ.

Выберите проект или создайте новый проект, введя имя своего проекта, затем нажмите ДАЛЕЕ.

Готово! Обратите внимание, что API Карт не является бесплатным. Это плата за использование, но облачная платформа Google в настоящее время дает вам 200 долларов в месяц, чтобы компенсировать эту сумму, поэтому, если ваше картографическое приложение не станет настолько успешным (в этом случае вы все равно должны платить Google), у вас все должно быть хорошо.

Обратите внимание, что вы также должны защитить свои учетные данные. Инструмент Solar Estimator использует как API JavaScript Карт Google, так и API геолокации.

HTML и CSS

Я поместил весь код HTML и CSS в файл index.html.

Все это довольно простой стандартный HTML-материал. Просто обратите внимание на div с map, 3 кнопки (измерение, очистка и информация), которые соответственно вызывают 3 функции, а также библиотеки Javascript, которые включены. Я разделил Javascript на другой файл с именем map.js, чтобы код оставался чистым.

Карта рисуется в результате функции обратного вызова, установленной при включении Google Maps API.

<script src="https://maps.googleapis.com/maps/api/js?key={the-key}&libraries=geometry&callback=initMap" async defer></script>

Javascript

Вот весь код.

У этого есть несколько частей, и все это содержится в функции обратного вызова initMap. Сначала мы настраиваем карту, и это связано с map div, который мы поместили в файл HTML. Затем мы центрируем его вокруг определенной широты и долготы (я установил широту и долготу моего текущего офиса в Танджонг Пагар, в центре Сингапура) с помощью типа карты satellite, чтобы показать фактические здания. Наконец, устанавливается уровень масштабирования 18, который показывает здания и некоторые окрестности.

Затем я определяю местоположение пользователя по его IP-адресу, и это будет отображаться в виде всплывающего окна, в котором пользователю предлагается предоставить разрешение на предоставление своего местоположения. Если пользователь разрешит, мы установим центр карты вокруг местоположения пользователя, в противном случае мы просто продолжим использовать значение по умолчанию (это мой офис).

К тому времени карта настроена, поэтому мы переходим к настройке инструмента измерения. Это простая конфигурация, добавим, мы также добавим 2 прослушивателя событий. Первый - когда срабатывает событие measure_end, и это происходит при нажатии кнопки Очистить. Мы завершаем режим измерения и сбрасываем текстовые входные значения измеренной площади и солнечной энергии обратно на 0.

Второй - когда срабатывает событие themeasure_change. Это происходит каждый раз, когда поступает новое измерение и доступен результат. Однако, если пользователь не закроет многоугольник, результат по площади останется равным 0, поэтому ничего не произойдет.

Когда пользователь закрывает многоугольник, это точка, в которой мы получаем результат от события, извлекаем значение area, округляем его и устанавливаем для ввода текста измеренной области. После этого мы рассчитываем значение солнечной мощности.

Мы также настроили его так, чтобы мы отслеживали изменения из других текстовых вводов, так что, если пользователь вручную изменяет значения, мы соответствующим образом корректируем солнечную мощность.

Солнечная энергия

Я не могу не подчеркнуть, что расчетные значения инструмента Solarest являются оптимистическими оценками возможной солнечной энергии. Предполагается, что измеренная площадь полностью заполнена солнечными батареями, что обычно физически невозможно. Также не учитывается затенение от близлежащих построек.

В конечном итоге вам следует привлечь профессиональную команду, которая поможет вам оценить ваш сайт, когда вы решите установить солнечную фотоэлектрическую систему. Есть список, из которого вы можете взаимодействовать, он показан с веб-сайта NSR.

Надеюсь, этот инструмент и эта короткая статья будут полезны и помогут вам в вашем путешествии по Сингапуру!

Ссылки и дополнительная литература

Вот несколько отличных дополнительных материалов о солнечной энергии в Сингапуре, которые вы можете прочитать.