沙漠光伏電站對空氣溫濕度影響研究

趙鵬宇　高永　陳曦　高亮

摘要：中國西北干旱區(qū)是中國沙漠分布最為集中的地區(qū)，也是太陽能資源豐富區(qū)。本文以烏蘭布和沙漠東北緣光伏電站為研究對象，通過對光伏電站內(nèi)外不同位置空氣溫度、相對濕度的監(jiān)測發(fā)現(xiàn)，在夏季晴天情況下，光伏電站具有增溫、降濕的效應(yīng)，空氣溫度最高時刻與空氣相對濕度最低時刻均出現(xiàn)在15：00左右。光伏電站內(nèi)1.0m、2.5m高度處空氣溫度分別比曠野提高了0.3℃～1.53℃、0.44℃～1.34℃，相同高度空氣相對濕度較曠野分別降低了1.05%～3.67%、1.15%～2.54%。在沙漠地區(qū)，光伏電站存在“熱島效應(yīng)”。

關(guān)鍵詞：光伏電站；溫濕度；動態(tài)變化；烏蘭布和沙漠

中圖分類號為：X828，S161。

引言

隨著全球經(jīng)濟的迅速發(fā)展和人口的不斷增加，化石燃料等傳統(tǒng)能源日漸枯竭的同時也造成了大量溫室氣體的排放，能源危機和環(huán)境污染已成為世界各國共同面臨的課題。太陽能光伏發(fā)電技術(shù)因其清潔、永續(xù)、取用方便等多種優(yōu)勢，成為目前發(fā)展前景最為廣泛的一種能源生產(chǎn)技術(shù)[1-4]。中國西北干旱區(qū)是中國沙漠分布最為集中的地區(qū)，約占全國沙漠總面積的80%，同時也是太陽能資源豐富區(qū)[5-7]。在沙漠地區(qū)建設(shè)太陽能電站，不僅不占用寶貴的耕地，還能充分利用太陽能光照資源，為地區(qū)經(jīng)濟發(fā)展提供能源保障[8-9]。然而，由于太陽能光伏發(fā)電板的反射作用，部分太陽輻射被反饋回空氣中，額外的能量輸入會造成微環(huán)境的變異。目前，針對沙漠地區(qū)光伏電站對廠區(qū)內(nèi)微環(huán)境的影響研究較少。本文通過對光伏電站內(nèi)不同位置空氣溫、濕度的監(jiān)測，在小尺度上研究環(huán)境因子對光伏電站的響應(yīng)及變化，以期為光伏電站周圍的生態(tài)保護提供參考。

1. 研究區(qū)概況

本研究的試驗地點位于內(nèi)蒙古自治區(qū)巴彥淖市磴口縣境內(nèi)，地處烏蘭布和沙漠東北緣，屬溫帶荒漠大陸性氣候，冬、春季受西伯利亞——蒙古冷高壓控制，夏秋季為東南季風(fēng)所影響。年平均氣溫7.8℃，絕對最高氣溫39℃，絕對最低氣溫-29.6℃，7月平均氣溫23.8℃。年平均降水量102.9mm，最大年降水量150.3mm，最小年降水量33.3mm，降水主要集中于7～9月份；年潛在蒸發(fā)量2400mm～2900mm，年大風(fēng)日數(shù)20d～40d，年平均風(fēng)速3m/s～3.7m/s，主害風(fēng)為西北風(fēng)[10-11]。

2. 研究內(nèi)容與方法

試驗樣地選取磴口工業(yè)園區(qū)光伏產(chǎn)業(yè)生態(tài)治理示范基地內(nèi)四周為空曠的平整裸沙地的典型獨立的光伏電站，地理坐標(biāo)為106°54′46″～106°54′51″E，40°23′20″～40°23′30″N。光伏電站已建成3a，規(guī)模為100m×300m，電站內(nèi)地貌為平整裸沙地，植被覆蓋度<5%，光伏電板規(guī)格為5m×3m，與地面呈30°傾斜角，電板前檐距離地面1.2m，地表后檐距地面2.5m。

采用HOBO小型氣象站，分別在電站外曠野處（CK）以及電站南部區(qū)域、中心區(qū)域、北部區(qū)域的陣列電板行間設(shè)置4個觀測點（圖1）。于2015年7月，選擇晴朗、無風(fēng)、云量少的天氣條件，同步觀測距地表1.0m處大氣溫度與相對濕度。觀測時間為每天8：00至18：00，數(shù)據(jù)采集周期設(shè)置為5min，重復(fù)觀測5d。選擇每個整點前后各10min內(nèi)數(shù)據(jù)的平均值作為該點的觀測值，數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化方法采用Z-score法。

3. 結(jié)果與分析

3.1 光伏電站對空氣溫度的影響

如圖2、圖3所示，分別為光伏電站的南部區(qū)域、北部區(qū)域、中心區(qū)域以及電站外曠野處1.0m、2.5m高度處的空氣溫度日變化特征。可以看出，空氣溫度日動態(tài)變化呈現(xiàn)單峰曲線，4處位置空氣溫度均呈現(xiàn)了先增后減的趨勢?？偟膩碚f，不同位置處1.0m高度的日均空氣溫度變化呈現(xiàn)了電站中心（31.58℃）>電站南部（30.29℃）>電站北部（30.12℃）>曠野（29.58℃）的趨勢，2.5m高度處空氣溫度變化呈現(xiàn)了電站北部（30.67℃）>電站南部（30.52℃）>電站中部（29.77℃）>曠野（29.32℃）的趨勢?？諝鉁囟仍谟涗涢_始時刻差距不明顯，自10：00開始，光伏電站區(qū)域內(nèi)空氣溫度上升迅速且明顯，電站中心區(qū)域1.0m高度處空氣溫度升高最快，電站內(nèi)不同高度空氣溫度均高于曠野空氣溫度，至15：00空氣溫度達到最高。

參考晏海[12]針對城市公園綠地小氣候環(huán)境效應(yīng)的試驗方法，本文以空氣溫度達到最高值15：00時刻與觀測結(jié)束18：00時刻空氣溫度為例，闡述不同時刻下光伏電站內(nèi)外不同區(qū)域空氣溫度的差異性。如圖4、圖5所示，15：00時電站中心區(qū)域1.0m處空氣溫度明顯高于其他區(qū)域，為34.75℃，而曠野與南部、北部區(qū)域溫度相接近，為33.4℃，南部、北部空氣溫度分別為33.7℃與33.3℃；此時曠野處2.5m空氣溫度為32.6℃，電站區(qū)域內(nèi)南北兩部區(qū)域2.5m處空氣溫度明顯高于曠野，分別為34.68℃、34.50℃。單因素方差和多重比較結(jié)果表明，在15：00時刻，電站中部1.0m高度處空氣溫度與電站南部、北部區(qū)域及電站外曠野差異顯著（P<0.05），電站南部、北部空氣溫度與電站外曠野間差異不顯著（P>0.05）；在2.5m高度處，電站中心區(qū)域與南部、北部區(qū)域空氣溫度存在顯著性差異（P<0.05），電站南部、北部間差異不顯著（P>0.05）。15：00以后，各觀測位置空氣溫度都開始逐漸下降，至觀測結(jié)束18：00時刻，電站中部1.0m處大氣溫度為30.15℃，仍略高于曠野對照處29.85℃；在2.5m高度處，電站南部、北部區(qū)域空氣溫度分別降低到30.68℃、30.40℃，略高于電站外曠野空氣溫度29.49℃，此時刻下光伏電站內(nèi)外不同位置1.0m、2.5m高度處空氣溫度差異變得不顯著（P>0.05）。

3.2 光伏電站對空氣相對濕度的影響

如圖6、圖7所示，空氣相對濕度的日變化趨勢同溫度基本相反。4處位置相對濕度都呈現(xiàn)了先降后升的趨勢，日動態(tài)呈近“U”型變化。在8：00時刻空氣相對濕度最高，光伏電站內(nèi)外空氣相對濕度差不大，隨后隨溫度升高相對濕度迅速下降，在15：00相對濕度達到最低，曠野處空氣濕度表現(xiàn)為高于電站區(qū)域內(nèi)空氣相對濕度，隨后隨溫度的降低，濕度逐漸上升，且上升較為緩慢。總的來說，在1.0m高度上，不同區(qū)域大氣相對濕度變化呈現(xiàn)了曠野（39.32%）>電站南部（37.89%）>北部區(qū)域（37.60%）>電站中心（35.64%）的趨勢。2.5m高度處表現(xiàn)為曠野（39.71%）>電站中心（38.56%）>電站南部（38.03%）>電站北部（37.28%）的趨勢。

如圖8所示，在15：00時刻，曠野處1.0m空氣相對濕度為30.1%，南部、北部區(qū)域空氣相對濕度分別為28.3%與27.9%，均高于電站中心區(qū)域空氣相對濕度26.3%，此時曠野區(qū)域1.0m處空氣相對濕度明顯高于電站內(nèi)空氣濕度，單因素方差分析和多重比較結(jié)果表明（圖8），電站外曠野處1.0m空氣濕度與電站內(nèi)南部、北部、中心區(qū)域1.0m空氣溫度間均存在顯著性差異（P<0.05）；如圖9所示，在2.5m高度處，曠野空氣相對濕度為30.8%，略高于電站內(nèi)區(qū)域空氣相對濕度，單因素方差分析和多重比較結(jié)果表明，電站中心區(qū)域與南部、北部區(qū)域在2.5m空氣濕度存在顯著性差異（P<0.05），南部、北部間空氣濕度差異不顯著（P>0.05）。15：00后空氣濕度開始逐漸增大，至18：00時刻，電站內(nèi)外1.0m、2.5m高度處空氣相對濕度變化差異不顯著（P>0.05）。

4. 討論與結(jié)論

4.1 討論

本實驗選擇在連續(xù)典型晴天，無云或云量少的天氣情況下，對四周為曠野裸沙地的光伏電站內(nèi)外進行了空氣溫度與空氣相對濕度的野外觀測試驗，結(jié)果表明光伏電站具有增加空氣溫度和降低空氣相對濕度的局地小環(huán)境效應(yīng)。司建華[13]對荒漠河岸林胡楊和檉柳群落小氣候特征研究的結(jié)果表明，生長季節(jié)林地氣溫均低于林外空曠地，林地內(nèi)氣溫比無植物種植區(qū)域溫度較低，胡楊林地空氣相對濕度值高于檉柳林地，胡楊、檉柳群落的林冠的遮蔽作用具有增加濕度的效應(yīng)，由于林冠層含水率高，水的比熱容高，較周圍空氣溫度升高緩慢，因此低于周圍環(huán)境。由表1相關(guān)性分析可知，空氣溫度與空氣相對濕度呈極顯著的負(fù)相關(guān)關(guān)系（P<0.01），其相關(guān)系數(shù)達到0.973～0.983，光伏電站內(nèi)空氣溫度與相對濕度呈現(xiàn)了相反的變化趨勢。電站內(nèi)光伏電板及空氣比熱容較小，升溫快，光伏電板吸收太陽能轉(zhuǎn)化電能過程的一部分能量以熱能的形式消耗散出，具有增加氣溫的效應(yīng)，使得具有空氣相對濕度降低。同時由于光伏電站內(nèi)光伏電板與環(huán)境產(chǎn)生熱傳遞的特性，至傍晚18：00時刻空氣溫度會產(chǎn)生時滯現(xiàn)象，電站內(nèi)空氣溫度仍稍高于曠野。

4.2 結(jié)論

在夏季晴天情況下，光伏電站中心區(qū)域具有增溫、降濕的效應(yīng)?？諝鉁囟茸罡邥r刻與空氣相對濕度最低時刻均出現(xiàn)在15：00左右。光伏電站內(nèi)1.0m處空氣溫度較曠野處提高了0.3℃～1.53℃，2.5m處空氣溫度較曠野處提高0.44℃～1.34℃。1.0m處空氣相對濕度較曠野處降低了1.05%～3.67%，2.5m處空氣相對濕度較曠野處降低了1.15%～2.54%。在15：00時，光伏電站內(nèi)外1.0m、2.5m高度處空氣溫濕度差異顯著，至18：00時，光伏電站內(nèi)外相同高度處空氣溫濕度差異不顯著。

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