格尔木荒漠地区大型光伏电站的局地气候效应研究

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随着世界经济的迅速发展,人类对于能源需要成倍增加。化石燃料由于储量有限,不可再生等因素,使其变得日益紧缺,同时,人类使用化石能源造成的环境污染日益加重,世界各国都意识到了发展可再生能源的重要性。作为新能源之一的太阳能,其与传统能源相比较具有四大优势:储量巨大、应用便利、供应持久、清洁无害。太阳能光伏发电技术是最具应用前景的太阳能利用方式之一,在全球,大型光伏电站的数量正在迅速增加。  在大力发展光伏发电的同时,人们逐渐意识到虽然光伏发电不会产生大量温室气体和其他污染气体,但光伏阵列把部分太阳能转化为了电能,改变了局地地表能量分配,这样大型光伏电站可能会对局地及周边地区的天气和气候产生影响。由于缺少光伏电站内部的观测资料,至今对光伏电站局地气候效应的研究还非常少。  本论文研究光伏电站对局地气候效应的影响:利用观测资料分析格尔木荒漠地区光伏电站的运行对气象要素的影响;利用WRF3.5模式模拟格尔木荒漠地区大型光伏电站运行对气象要素的影响。  通过对2012年10月~2013年9月格尔木大型光伏电站内外观测资料的分析和模式模拟结果的分析,得到如下主要研究成果:  (1)对比分析了格尔木光伏电站内外地表辐射特征,结果表明:站内外向上短波辐射和净辐射日累积总量差异显著。站内向上长波辐射白天累积值低于站外,而夜晚累积值高于站外,说明光伏电站在夜间有保温效应,在白天有降温效应。因下垫面不同,站内外反照率有明显差异,站内日平均反照率为0.19,站外为0.26。站内年平均净辐射明显高于站外,说明光伏电站是一个能量汇。而因光伏阵列将部分辐射能转换为电能输出,导致站内地表温度却低于站外。  (2)对比分析了格尔木光伏电站内外的土壤温度变化特征,结果表明:在土壤浅层(5、10cm),光伏电站内外土壤温度日变化差异明显,5cm层土壤温度日最大值相差9.7℃,土壤温度日较差站内明显低于站外,光伏装置具有绝热保温作用。站内5~180cm各层土壤温度年较差均大于站外;在冬季,站外各层土壤温度均明显高于站内,光伏电站是冷源。冬半年(在10月~次年3月),站内5~80cm各层土壤日平均温度显著低于站外。在年变化中,土壤热传导率表现为站内高于站外。  (3)对比分析了站内外气温与空气相对湿度的日变化与年变化特征,分析了造成光伏电站内外空气温湿度差异的可能原因。结果显示:对2m气温而言,冬季白天,站内外基本相同,春、夏、秋季白天站内明显高于站外,夏季差异达最大,为0.67℃,这与光伏电池板发热,加热空气的效应大于光伏电池板的遮阳冷却效应有关;而在四季夜晚,站内2m气温值均高于站外,这可能与光伏电池板对近地面层的保温作用有关。而对10m气温而言,四季白天站内均低于站外,其中秋、冬季相差较大,这可能与冬夏气温对光伏电池板光电转换效率的影响,进而造成10m处能量收支差异有关;夜晚表现为站内低于站外,这可能与白天站内外地表能量收支差异有关。在年变化中,站内2m气温的月均值均高于站外,站内10m气温的月均值均低于站外。光伏阵列的存在使得站内2m空气相对湿度减小,10m有所增加。  (4)利用模式进行敏感性试验模拟大型光伏电站的运行对2m高度空气温度、达到地表的向下短波辐射和地表温度的影响。结果显示:光伏电站对2m气温有降温作用,在冬季,白天光伏电站对2m气温的降温作用比夜晚更明显,而在春、夏、秋季,夜晚光伏电站对2m气温的降温作用比白天更明显。光伏电站的运行会减少到达地表的向下短波辐射,短波辐射的减少量随着日出逐渐增大,到正午时达到最大,而后又逐渐减小。光伏电站会降低地表温度,光伏电站为冷源,光伏阵列对地表温度的降温作用表现为白天大于夜晚,且在14:00-16:00时最显著。  本研究有利于科学地评估光伏电站对局地气候的影响,对合理开发太阳能和建设光伏电站工程有重要的指导意义。
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