沙漠光伏电站对空气温湿度影响研究

2016-07-13赵鹏宇高永陈曦高亮

西部资源 2016年3期

赵鹏宇　高永　陈曦　高亮

摘要：中国西北干旱区是中国沙漠分布最为集中的地区，也是太阳能资源丰富区。本文以乌兰布和沙漠东北缘光伏电站为研究对象，通过对光伏电站内外不同位置空气温度、相对湿度的监测发现，在夏季晴天情况下，光伏电站具有增温、降湿的效应，空气温度最高时刻与空气相对湿度最低时刻均出现在15：00左右。光伏电站内1.0m、2.5m高度处空气温度分别比旷野提高了0.3℃～1.53℃、0.44℃～1.34℃，相同高度空气相对湿度较旷野分别降低了1.05%～3.67%、1.15%～2.54%。在沙漠地区，光伏电站存在“热岛效应”。

关键词：光伏电站；温湿度；动态变化；乌兰布和沙漠

中图分类号为：X828，S161。

引言

随着全球经济的迅速发展和人口的不断增加，化石燃料等传统能源日渐枯竭的同时也造成了大量温室气体的排放，能源危机和环境污染已成为世界各国共同面临的课题。太阳能光伏发电技术因其清洁、永续、取用方便等多种优势，成为目前发展前景最为广泛的一种能源生产技术[1-4]。中国西北干旱区是中国沙漠分布最为集中的地区，约占全国沙漠总面积的80%，同时也是太阳能资源丰富区[5-7]。在沙漠地区建设太阳能电站，不仅不占用宝贵的耕地，还能充分利用太阳能光照资源，为地区经济发展提供能源保障[8-9]。然而，由于太阳能光伏发电板的反射作用，部分太阳辐射被反馈回空气中，额外的能量输入会造成微环境的变异。目前，针对沙漠地区光伏电站对厂区内微环境的影响研究较少。本文通过对光伏电站内不同位置空气温、湿度的监测，在小尺度上研究环境因子对光伏电站的响应及变化，以期为光伏电站周围的生态保护提供参考。

1. 研究区概况

本研究的试验地点位于内蒙古自治区巴彦淖市磴口县境内，地处乌兰布和沙漠东北缘，属温带荒漠大陆性气候，冬、春季受西伯利亚——蒙古冷高压控制，夏秋季为东南季风所影响。年平均气温7.8℃，绝对最高气温39℃，绝对最低气温-29.6℃，7月平均气温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；年潜在蒸发量2400mm～2900mm，年大风日数20d～40d，年平均风速3m/s～3.7m/s，主害风为西北风[10-11]。

2. 研究内容与方法

试验样地选取磴口工业园区光伏产业生态治理示范基地内四周为空旷的平整裸沙地的典型独立的光伏电站，地理坐标为106°54′46″～106°54′51″E，40°23′20″～40°23′30″N。光伏电站已建成3a，规模为100m×300m，电站内地貌为平整裸沙地，植被覆盖度<5%，光伏电板规格为5m×3m，与地面呈30°倾斜角，电板前檐距离地面1.2m，地表后檐距地面2.5m。

采用HOBO小型气象站，分别在电站外旷野处（CK）以及电站南部区域、中心区域、北部区域的阵列电板行间设置4个观测点（图1）。于2015年7月，选择晴朗、无风、云量少的天气条件，同步观测距地表1.0m处大气温度与相对湿度。观测时间为每天8：00至18：00，数据采集周期设置为5min，重复观测5d。选择每个整点前后各10min内数据的平均值作为该点的观测值，数据标准化方法采用Z-score法。

3. 结果与分析

3.1 光伏电站对空气温度的影响

如图2、图3所示，分别为光伏电站的南部区域、北部区域、中心区域以及电站外旷野处1.0m、2.5m高度处的空气温度日变化特征。可以看出，空气温度日动态变化呈现单峰曲线，4处位置空气温度均呈现了先增后减的趋势。总的来说，不同位置处1.0m高度的日均空气温度变化呈现了电站中心（31.58℃）>电站南部（30.29℃）>电站北部（30.12℃）>旷野（29.58℃）的趋势，2.5m高度处空气温度变化呈现了电站北部（30.67℃）>电站南部（30.52℃）>电站中部（29.77℃）>旷野（29.32℃）的趋势。空气温度在记录开始时刻差距不明显，自10：00开始，光伏电站区域内空气温度上升迅速且明显，电站中心区域1.0m高度处空气温度升高最快，电站内不同高度空气温度均高于旷野空气温度，至15：00空气温度达到最高。

参考晏海[12]针对城市公园绿地小气候环境效应的试验方法，本文以空气温度达到最高值15：00时刻与观测结束18：00时刻空气温度为例，阐述不同时刻下光伏电站内外不同区域空气温度的差异性。如图4、图5所示，15：00时电站中心区域1.0m处空气温度明显高于其他区域，为34.75℃，而旷野与南部、北部区域温度相接近，为33.4℃，南部、北部空气温度分别为33.7℃与33.3℃；此时旷野处2.5m空气温度为32.6℃，电站区域内南北两部区域2.5m处空气温度明显高于旷野，分别为34.68℃、34.50℃。单因素方差和多重比较结果表明，在15：00时刻，电站中部1.0m高度处空气温度与电站南部、北部区域及电站外旷野差异显著（P<0.05），电站南部、北部空气温度与电站外旷野间差异不显著（P>0.05）；在2.5m高度处，电站中心区域与南部、北部区域空气温度存在显著性差异（P<0.05），电站南部、北部间差异不显著（P>0.05）。15：00以后，各观测位置空气温度都开始逐渐下降，至观测结束18：00时刻，电站中部1.0m处大气温度为30.15℃，仍略高于旷野对照处29.85℃；在2.5m高度处，电站南部、北部区域空气温度分别降低到30.68℃、30.40℃，略高于电站外旷野空气温度29.49℃，此时刻下光伏电站内外不同位置1.0m、2.5m高度处空气温度差异变得不显著（P>0.05）。

3.2 光伏电站对空气相对湿度的影响

如图6、图7所示，空气相对湿度的日变化趋势同温度基本相反。4处位置相对湿度都呈现了先降后升的趋势，日动态呈近“U”型变化。在8：00时刻空气相对湿度最高，光伏电站内外空气相对湿度差不大，随后随温度升高相对湿度迅速下降，在15：00相对湿度达到最低，旷野处空气湿度表现为高于电站区域内空气相对湿度，随后随温度的降低，湿度逐渐上升，且上升较为缓慢。总的来说，在1.0m高度上，不同区域大气相对湿度变化呈现了旷野（39.32%）>电站南部（37.89%）>北部区域（37.60%）>电站中心（35.64%）的趋势。2.5m高度处表现为旷野（39.71%）>电站中心（38.56%）>电站南部（38.03%）>电站北部（37.28%）的趋势。

如图8所示，在15：00时刻，旷野处1.0m空气相对湿度为30.1%，南部、北部区域空气相对湿度分别为28.3%与27.9%，均高于电站中心区域空气相对湿度26.3%，此时旷野区域1.0m处空气相对湿度明显高于电站内空气湿度，单因素方差分析和多重比较结果表明（图8），电站外旷野处1.0m空气湿度与电站内南部、北部、中心区域1.0m空气温度间均存在显著性差异（P<0.05）；如图9所示，在2.5m高度处，旷野空气相对湿度为30.8%，略高于电站内区域空气相对湿度，单因素方差分析和多重比较结果表明，电站中心区域与南部、北部区域在2.5m空气湿度存在显著性差异（P<0.05），南部、北部间空气湿度差异不显著（P>0.05）。15：00后空气湿度开始逐渐增大，至18：00时刻，电站内外1.0m、2.5m高度处空气相对湿度变化差异不显著（P>0.05）。

4. 讨论与结论

4.1 讨论

本实验选择在连续典型晴天，无云或云量少的天气情况下，对四周为旷野裸沙地的光伏电站内外进行了空气温度与空气相对湿度的野外观测试验，结果表明光伏电站具有增加空气温度和降低空气相对湿度的局地小环境效应。司建华[13]对荒漠河岸林胡杨和柽柳群落小气候特征研究的结果表明，生长季节林地气温均低于林外空旷地，林地内气温比无植物种植区域温度较低，胡杨林地空气相对湿度值高于柽柳林地，胡杨、柽柳群落的林冠的遮蔽作用具有增加湿度的效应，由于林冠层含水率高，水的比热容高，较周围空气温度升高缓慢，因此低于周围环境。由表1相关性分析可知，空气温度与空气相对湿度呈极显著的负相关关系（P<0.01），其相关系数达到0.973～0.983，光伏电站内空气温度与相对湿度呈现了相反的变化趋势。电站内光伏电板及空气比热容较小，升温快，光伏电板吸收太阳能转化电能过程的一部分能量以热能的形式消耗散出，具有增加气温的效应，使得具有空气相对湿度降低。同时由于光伏电站内光伏电板与环境产生热传递的特性，至傍晚18：00时刻空气温度会产生时滞现象，电站内空气温度仍稍高于旷野。

4.2 结论

在夏季晴天情况下，光伏电站中心区域具有增温、降湿的效应。空气温度最高时刻与空气相对湿度最低时刻均出现在15：00左右。光伏电站内1.0m处空气温度较旷野处提高了0.3℃～1.53℃，2.5m处空气温度较旷野处提高0.44℃～1.34℃。1.0m处空气相对湿度较旷野处降低了1.05%～3.67%，2.5m处空气相对湿度较旷野处降低了1.15%～2.54%。在15：00时，光伏电站内外1.0m、2.5m高度处空气温湿度差异显著，至18：00时，光伏电站内外相同高度处空气温湿度差异不显著。

参考文献：

[1] 张海龙.中国新能源发展研究[D].吉林大学，2014.

[2] 石红莲.低碳经济时代中美气候与能源合作研究[D].武汉大学， 2010.

[3] 陆维德.太阳能利用技术发展趋势评述[J].世界科技研究与发展，2007，29（1）：95-99.

[4] 廖华，许洪华.超大规模荒漠并网光伏电站的建设[J].可再生能源，2006，06：93-95.

[5] 高峰，孙成权，刘全根.太阳能开发利用的现状及发展趋势[J].世界科技研究与发展，2001，04：35-39.

[6] 胡兴军.太阳能光伏发电产业发展综述[J].上海电力，2008，04： 365-370.

[7] 胡文康.20世纪塔克拉玛干沙漠环境及其变迁[J].干旱区研究.1992，9（4）：1-9

[8] 曹承栋.浅谈国内外太阳能发电技术发展状况及展望[J].通信电源技术，2011，28（1）：35-37.

[9] 李晓刚.中国光伏产业发展战略研究[D].吉林大学，2007.

[10] 汪季.乌兰布和沙漠东北缘植被抑制沙尘机理的研究[D].北京林业大学，2004.

[11] 董智.乌兰布和沙漠绿洲农田沙害及其控制机理研究[D].北京林业大学，2004.