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：中國西北干旱區是中國沙漠分布最為集中的地區，也是太陽能資源豐富區。本文以烏蘭布和沙漠東北緣光伏電站為研究對象，通過對光伏電站內外不同位置空氣溫度、相對濕度的監測發現，在夏季晴天情況下，光伏電站具有增溫、降濕的效應，空氣溫度最高時刻與空氣相對濕度最低時刻均出現在15：00左右。光伏電站內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，光伏電站存在“熱島效應”。

關鍵詞：光伏電站；溫濕度；動態變化；烏蘭布和沙漠

中圖分類號為：X828，S161。

引言

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

1. 研究區概況

本研究的試驗地點位于內蒙古自治區巴彥淖市磴口縣境內，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；年潛在蒸發量2400mm～2900mm，年大風日數20d～40d，年平均風速3m/s～3.7m/s，主害風為西北風[10-11]。

2. 研究內容與方法

試驗樣地選取磴口工業園區光伏產業生態治理示范基地內四周為空曠的平整裸沙地的典型獨立的光伏電站，地理坐標為106°54′46″～106°54′51″E，40°23′20″～40°23′30″N。光伏電站已建成3a，規模為100m×300m，電站內地貌為平整裸沙地，植被覆蓋度<5%，光伏電板規格為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）以及電站南部區域、中心區域、北部區域的陣列電板行間設置4個觀測點（圖1）。于2015年7月，選擇晴朗、無風、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，數據采集周期設置為5min，重復觀測5d。選擇每個整點前后各10min內數據的平均值作為該點的觀測值，數據標準化方法采用Z-score法。

3. 結果與分析

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域、北部區域、中心區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，空氣溫度日動態變化呈現單峰曲線，4處位置空氣溫度均呈現了先增后減的趨勢。總的來說，不同位置處1.0m高度的日均空氣溫度變化呈現了電站中心（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，光伏電站區域內空氣溫度上升迅速且明顯，電站中心區域1.0m高度處空氣溫度升高最快，電站內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境效應的試驗方法，本文以空氣溫度達到最高值15：00時刻與觀測結束18：00時刻空氣溫度為例，闡述不同時刻下光伏電站內外不同區域空氣溫度的差異性。如圖4、圖5所示，15：00時電站中心區域1.0m處空氣溫度明顯高于其他區域，為34.75℃，而曠野與南部、北部區域溫度相接近，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℃，電站區域內南北兩部區域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，電站中心區域與南部、北部區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了先降后升的趨勢，日動態呈近“U”型變化。在8：00時刻空氣相對濕度最高，光伏電站內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為高于電站區域內空氣相對濕度，隨后隨溫度的降低，濕度逐漸上升，且上升較為緩慢?？偟膩碚f，在1.0m高度上，不同區域大氣相對濕度變化呈現了曠野（39.32%）>電站南部（37.89%）>北部區域（37.60%）>電站中心（35.64%）的趨勢。2.5m高度處表現為曠野（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、北部區域空氣相對濕度分別為28.3%與27.9%，均高于電站中心區域空氣相對濕度26.3%，此時曠野區域1.0m處空氣相對濕度明顯高于電站內空氣濕度，單因素方差分析和多重比較結果表明（圖8），電站外曠野處1.0m空氣濕度與電站內南部、北部、中心區域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%，略高于電站內區域空氣相對濕度，單因素方差分析和多重比較結果表明，電站中心區域與南部、北部區域在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. 討論與結論

4.1 討論

本實驗選擇在連續典型晴天，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外進行了空氣溫度與空氣相對濕度的野外觀測試驗，結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境效應。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果表明，生長季節林地氣溫均低于林外空曠地，林地內氣溫比無植物種植區域溫度較低，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，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，因此低于周圍環境。由表1相關性分析可知，空氣溫度與空氣相對濕度呈極顯著的負相關關系（P<0.01），其相關系數達到0.973～0.983，光伏電站內空氣溫度與相對濕度呈現了相反的變化趨勢。電站內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，使得具有空氣相對濕度降低。同時由于光伏電站內光伏電板與環境產生熱傳遞的特性，至傍晚18：00時刻空氣溫度會產生時滯現象，電站內空氣溫度仍稍高于曠野。

4.2 結論

在夏季晴天情況下，光伏電站中心區域具有增溫、降濕的效應。空氣溫度最高時刻與空氣相對濕度最低時刻均出現在15：00左右。光伏電站內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，光伏電站內外相同高度處空氣溫濕度差異不顯著。

參考文獻：

[1] 張海龍.中國新能源發展研究[D].吉林大學，2014.

[2] 石紅蓮.低碳經濟時代中美氣候與能源合作研究[D].武漢大學， 2010.

[3] 陸維德.太陽能利用技術發展趨勢評述[J].世界科技研究與發 展，2007，29（1）：95-99.

[4] 廖華，許洪華.超大規?；哪⒕W光伏電站的建設[J].可再生能 源，2006，06：93-95.

[5] 高峰，孫成權，劉全根.太陽能開發利用的現狀及發展趨勢[J].世 界科技研究與發展，2001，04：35-39.

[6] 胡興軍.太陽能光伏發電產業發展綜述[J].上海電力，2008，04： 365-370.

[7] 胡文康.20世紀塔克拉瑪干沙漠環境及其變遷[J].干旱區研 究.1992，9（4）：1-9

[8] 曹承棟.淺談國內外太陽能發電技術發展狀況及展望[J].通信電 源技術，2011，28（1）：35-37.

[9] 李曉剛.中國光伏產業發展戰略研究[D].吉林大學，2007.

[10] 汪季.烏蘭布和沙漠東北緣植被抑制沙塵機理的研究[D].北京 林業大學，2004.

[11] 董智.烏蘭布和沙漠綠洲農田沙害及其控制機理研究[D].北京 林業大學，2004.

[12] 晏海. 城市公園綠地小氣候環境效應及其影響因子研究[D].北 京林業大學，2014

[13] 司建華，馮起，張小由，蘇永紅，吉喜斌.荒漠河岸林胡楊和檉 柳群落小氣候特征研究[J].中國沙漠，2005，36（5）：668-674