太阳能光伏对城市热岛效应的环境影响
发布日期:2020-04-14        



户用、工商业以及地面光伏电站已成为全球可再生能源的应用开发大势。然而有研究表明,太阳能光伏装置改变了与大气接触的地表能量平衡,从而可能影响该区域的小气候。此外,屋顶光伏装置会改变屋顶接收到的辐射,并影响到大气的整体热通量(辐射和对流)。

 

1.城市热岛效应和光伏

 

快速的城市化和工业化导致城市变暖。城市热岛效应(Urban heat island effect - UHIE)定义为人造区域内的温度升高,UHIE强度是城市供热的指标,是城市和农村空气之间的最大差异。在气候带内,温度范围是5°C至14°C。温度升高对健康和小气候造成负面影响,例如气温升高,湿度降低,风向变化,地面臭氧的形成,与热有关的死亡率等。

 

在这种日晒高峰中,太阳能光伏装置可能产生的不利影响被忽略了。此类负面影响之一是由于安装光伏而对市区温度产生的影响。人们很少研究沙漠和城市地区光伏与热岛效应之间的关系,得出的结果参差不齐。

 

最新的研究报告调查了光伏电站生命周期中的32种影响,这些影响大致分为五个部分:土地使用、人类健康与福祉、野生动植物和栖息地、地理水文资源以及气候和温室气体排放。

 

这些影响被归类为是有益的还是中性的?除了“局部气候”影响外,研究者认为还需要进行研究和观察。光伏组件的反射率低,转换效率在13%至20%之间变化,这导致大部分入射太阳辐射转换为80%的热量,从而可以改变组件附近的气流和温度分布。这种变化可能会

 

在东京,研究人员调查了大型屋顶光伏装置对热岛效应的影响,发现如果将光伏系统安装在黑色屋顶上,则可以忽略不计。

 

但是,在该研究中,黑色屋顶是一个重要因素/假设,如果考虑使用白色屋顶,则结果可能会完全不同。另一项研究表明,PV电站中心的年平均气温可以比环境温度高出1.9°C,并且这种热能在5–18 m的高度完全消散。对18个月的详细数据的分析表明,在大多数日子里,太阳能电池板在晚上都完全冷却,因此不太可能发生热岛效应。

 

尽管白天的影响也可能对该地区的小气候造成一定影响,但这些影响不容忽视。国家大气研究中心的气候变化研究科学家进行了一项研究,试图预测太阳能光伏阵列的气候影响。

 

研究假设到2100年,在全世界阳光普照地区,大约40%的城市和沙漠地区将被分布均匀的太阳能电池板覆盖。理想化的大规模光伏安装可以重新分配入射的太阳辐射并改变局部辐射平衡,从而导致大气环流变化,影响区域和全球气候。

 

总体而言,无论其容量如何(大至800 TW或更现实的预测为45 TW),与使用化石燃料导致的预期气候变化相比,使用太阳能电池板引起的潜在全球平均气候变化相对于工业化前的气候都较小,到2100年可能会使全球平均温度升高几度。

 

但是,由太阳能电池板引起的某些区域性气候变化可能远大于全球平均值。

 

2.光伏对建筑能耗的影响

 

在巴黎都会区大规模但实际部署光伏的情况表明,通过遮盖屋顶,太阳能电池板会使家庭冬季取暖的需求略增3%。但是在夏季,太阳能电池板可减少12%空调所需的能源。

 

研究区域的空气温度白天也降低了0.2 K,在夜晚降低了0.3K。在这项研究中,太阳能电池板通过遮蔽并减少制冷/制热的能耗来影响室内温度。

 

在全球范围内部署太阳能电池板既有利于生产可再生能源(从而限制气候变暖),又有利于局部地区降低城市热岛,尤其是在夏天可能构成健康威胁时。圣迭戈加州大学的研究人员确定,白天有屋顶太阳能装置的建筑物天花板温度比暴露在阳光下的屋顶温度低2.5°C。在晚上,这些组件有助于保留屋顶材料吸收的热量,从而降低了冬季的采暖成本。

 

对于建筑物,研究人员分析说,这些组件使到达屋顶的热量减少了约38%。

 

但目前这些研究缺乏高度多样化的环境。根据上面提到的一些研究项目,在建筑物上安装光伏会在一定程度上影响城市的温度,通常目前所有此类研究都是在日本、韩国、德国、荷兰、希腊等较冷的气候下进行的,急需讨论在热带国家(如印度、中东、北非、东南亚)进行此类研究的必要性。

 

【结语】由于不可再生资源和温室气体排放的短缺,转向可再生能源是不可避免的。随着全球制定雄心勃勃光伏装机目标,光伏装置与UHI的关系变得十分重要。如此大量的太阳能电池板会重新分配入射的太阳辐射并改变局部辐射平衡,是否会导致大气环流变化,从而影响区域和全球气候?光伏作为控制温室气体排放的举措会不会引发另一场气候灾难?

 

分析缓解气候变化和全球变暖的两个目标,即光伏作为清洁能源发电和对城市热岛效应的影响是否兼容已经变得至关重要。作为绿色经济ECOPV的一部分,期待中国相关研究机构能够开展这方面的课题讨论。


来源:SolarBe
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