Efectos de la planta de energía fotovoltaica complementaria de la pesca sobre la radiación, el flujo de energía y las fuerzas motrices en diferentes condiciones sinópticas

Jan 30, 2024

Scientific Reports volumen 13, Número de artículo: 9084 (2023) Citar este artículo

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Detalles de métricas

La superficie subyacente era el medio importante de la interacción aire-lago mediante la transferencia de energía. El despliegue de paneles fotovoltaicos en el lago ha formado un nuevo tipo de superficie subyacente. Pero la nueva superficie subyacente es diferente del lago natural. El impacto de las plantas de energía fotovoltaica complementaria de la pesca (FPV) en la radiación, el flujo de energía y la fuerza motriz no está claro. Por lo tanto, el análisis de la radiación, el flujo de energía y la fuerza impulsora comparando la diferencia en los dos sitios bajo varias condiciones sinópticas. Los resultados indicaron que los componentes de la radiación no son significativamente diferentes en los dos sitios bajo diversas condiciones sinópticas. La radiación de onda corta hacia abajo (DSR) y la radiación neta (\({R}_{n}\)) se presentaron con un pico en un día soleado. El promedio diario de DSR y Rn en los dos sitios fue de 279,1 W·m−2, 209,3 W·m−2, respectivamente. El flujo de calor sensible promedio diario (día nublado y día lluvioso) en los dos sitios fue de 39,5 W·m−2 (sitio FPV), 19,2 W·m−2 (sitio REF), respectivamente. El flujo de calor latente fue de 53,2 W·m−2 y 75,2 W·m−2 en la contraparte. El cuerpo de agua generalmente absorbe calor del aire (el ∆Q promedio diario fue de 16,6 W·m−2) en el sitio de FPV en un día soleado. La fuerza impulsora del flujo de calor sensible en el sitio de FPV estuvo regida por la temperatura del panel de FPV en condiciones soleadas y nubladas. El flujo de calor latente fue determinado por el producto entre la velocidad del viento y la diferencia de temperatura del agua y la atmósfera.

La planta de energía fotovoltaica (PV) a gran escala se está acelerando para alcanzar los objetivos de carbono neutralidad y pico de carbono en China. El desarrollo de plantas fotovoltaicas ocupa una gran cantidad de recursos de tierra que son importantes para los chinos. Mientras tanto, el patrón de uso de la tierra, la superficie subyacente y la transmisión de energía tierra-atmósfera se han visto alterados por la presencia de plantas fotovoltaicas a gran escala1. Por lo tanto, el equilibrio original de radiación y energía en la región local se rompió con el despliegue de una planta fotovoltaica a gran escala. Las condiciones sinópticas en las inmediaciones de la planta fotovoltaica se vieron afectadas por el cambio del nivel original de radiación y energía. Sin embargo, se han reportado pocos estudios en estos aspectos. Los estudios sobre el impacto de la planta fotovoltaica en el microclima local se están acelerando en esta dirección disquisición. Tomando la temperatura como ejemplo, en la Tabla 1 se muestran los análisis de diferentes académicos sobre el impacto de la planta fotovoltaica en la temperatura. En estas referencias se estudió la relación entre los factores meteorológicos y la planta fotovoltaica en tierra. La generación total de energía instalada de la planta fotovoltaica se está acelerando en los últimos años. Pero los estudios del impacto de la planta fotovoltaica en el lago sobre la radiación y la energía fueron menos informados. Mientras tanto, la superficie subyacente de PV en tierra es significativamente diferente de la del lago. La planta de energía fotovoltaica complementaria de pesca (FPV) es un nuevo tipo de uso de energía solar por planta de energía fotovoltaica en China. Los estudios del impacto de FPV en el equilibrio de la radiación y el flujo de energía han sido menos informativos. Además, la característica del flujo de radiación después de instalar paneles FPV en el lago bajo diferentes condiciones sinópticas no está clara. Por lo tanto, se exploró el mecanismo entre la variación del flujo de radiación y su fuerza motriz después del despliegue de paneles FPV en el lago para condiciones sinópticas dispares para promover el desarrollo sostenible de la industria fotovoltaica.

Eddy Covariance (EC) tiene pocas suposiciones teóricas en el proceso de cálculo para la medición del flujo de agua y calor9, lo que brinda la posibilidad de observar directamente el flujo en la escala de tiempo y espacio requerida10. Es el método más preciso cuando la superficie subyacente es uniforme y el terreno es plano y las condiciones atmosféricas son estables11. Por lo tanto, este método ha sido ampliamente utilizado en observaciones reales. Sun et al.12 analizaron el flujo de energía y los cambios en la evaporación del agua de los lagos en el desierto de Badain Jaran a lo largo de un año (2012.03–2013.03) datos de observación de la CE. Los resultados mostraron que las características diarias y estacionales de los flujos de radiación de onda larga y onda corta cambian de manera obvia. La tasa de evaporación anual promedio del lago es de aproximadamente 4,0 mm·d-1, la tasa de evaporación anual acumulada es de 1445 mm·a-1 y la evaporación anual acumulada es 10 veces la precipitación anual acumulada. Potes et al.13 analizaron la interacción lago-atmósfera en el embalse de Alqueva en el verano de 2014. Durante el estudio, la energía del embalse se liberó principalmente en forma de flujo de calor sensible y flujo de calor latente. Xiao et al.14 estudiaron el mecanismo de control de la variabilidad interanual de la evaporación del lago subtropical, respondieron las razones del cambio de la evaporación del lago en el escenario del calentamiento climático en función de los datos de medición de la CE y el principio del balance energético. Muestra que la evaporación del lago aumenta con la cantidad de absorción de radiación solar y la radiación incidente de onda larga. Además, la disminución de la evaporación del lago se debe principalmente al efecto de retroalimentación, en el que se debilita la radiación de onda larga reflejada. Spank et al.15 analizaron los datos de observación de la CE del embalse Rappbode de agua potable más grande de Alemania durante una temporada. Los resultados mostraron que las características de variación diurna del calor sensible del embalse son diferentes a las de la superficie terrestre. Por la noche y durante el día, el flujo de calor latente y la evaporación son anormalmente bajos en las aguas donde la evaporación no está restringida. Hay muchos estudios sobre las características y los flujos de radiación del lago que utilizan datos de observación de la CE, lo que brinda la posibilidad de explorar más a fondo la respuesta del flujo de energía del lago y la interacción lago-aire en el contexto del cambio climático. Por un lado, el cambio de flujo de energía fue analizado por la CE debido a la precisión eficiente y el uso generalizado. Además, los pocos estudios de flujo de energía para la planta de energía FPV fueron menos informados. Por lo tanto, los datos de la CE analizaron los caracteres del flujo de energía en la planta de energía FPV para revelar el impacto del despliegue de paneles fotovoltaicos en el balance de energía de la superficie del lago en este documento. La planta de energía FPV es un nuevo tipo de uso de energía solar mediante el despliegue de paneles solares en la superficie del agua. El desarrollo de la planta de energía FPV es un gran avance en el aprovechamiento del campo de la energía solar debido a la región instalada sin la limitación de la tierra. Sin embargo, existe una gran diferencia de propiedad entre los paneles solares y la superficie subyacente del lago. Esa es una superficie subyacente integrada después de instalar los paneles solares en el área original. La radiación solar y el balance energético en el área local se vieron afectados por el despliegue de la planta de energía FPV. Es bien sabido que la interacción lago-atmósfera está dominada por el equilibrio tanto de radiación como de energía. El cambio de radiación y balance de energía se lleva a cabo aún más en condiciones sinópticas locales. En la actualidad, hay muchos estudios sobre la variación del flujo de radiación y el flujo de energía en plantas de energía fotovoltaica7,8,16. Pero la característica de la radiación y el balance de energía bajo diferentes condiciones sinópticas para la planta de energía FPV fue menos reportada. Por lo tanto, nuestro estudio llena este vacío de investigación tal vez para modificar la precisión de la predicción de la radiación solar debido a nuestro artículo para considerar el impacto de las condiciones climáticas en la radiación solar.

En nuestro artículo se analizaron las características de la radiación y el flujo de energía en diferentes condiciones sinópticas para la planta de energía FPV. Mientras tanto, el flujo de energía y su fuerza motriz y los principales parámetros ambientales se proporcionaron para mejorar la comprensión de la función interactiva entre la superficie del agua y la atmósfera después de instalar los paneles fotovoltaicos en el lago. Además, este estudio puede ayudar a mejorar el reconocimiento del impacto del clima a microescala en la predicción de la radiación solar.

La prueba se llevó a cabo en la base de demostración fotovoltaica complementaria de pesca de 10 MW de Tongwei Huantai. Esta base está ubicada en la ciudad de Yangzhong, provincia de Jiangsu, en el este de China. Yangzhong está situado en el centro de la zona climática monzónica subtropical del norte, con un clima templado, lluvia abundante y la misma estación de lluvia y calor. De enero a diciembre de 2019, la temperatura promedio en Yangzhong fue de 17,1 °C, la precipitación anual fue de 791,8 mm y el tiempo de sol acumulado anual fue de 1792,2 h. Los cambios de radiación y flujo de energía instalados en los paneles fotovoltaicos en el lago se capturaron comparando los resultados de la torre de observación de flujo dentro y fuera de la planta de energía FPV. El área de estudio y la ubicación de la torre de observación de flujo se muestran en la Fig. 1. Las coordenadas centrales del área de estudio son 32°17′5′′ N, 119°47′39′′ E y la altitud es de 2 m. La base de demostración fotovoltaica complementaria de la pesca se compone de cuatro estanques de 5,7 a 8,9 acres. El FPV está ubicado en el centro del estanque con una profundidad de agua de 2,5 m a 3 m. La distancia entre la torre de observación de flujo dentro de la planta de energía FPV (el sitio FPV, pin azul) y la torre de observación de flujo exterior (el sitio de referencia, abreviarlo como sitio REF, pin rojo) es de aproximadamente 251 m por Google Earth como se muestra en la Fig. 1a. Los detalles de dos torres como se muestra en la Fig. 1b (el sitio FPV) y la Fig. 1c (el sitio de referencia).

La ubicación del área de estudio de la planta de energía fotovoltaica complementaria en Yangzhong, provincia de Jiangsu, China (a). La torre de observación de flujo estaba marcada con un alfiler, el alfiler azul era el sitio FPV y el alfiler rojo era el sitio REF. La foto de la torre para el sitio FPV se mostró en (b) y para el sitio REF se mostró en (c).

La altura de la torre de observación de flujo es de aproximadamente 11 m para ambos sitios. El equipo de la torre de observación de flujo para el sitio FPV se muestra en la Fig. 2. El equipo en el sitio FPV es el mismo que el sitio REF. Los dispositivos de medición incluían un sistema Eddy-Covariance (ECS), un radiómetro neto, un sensor de temperatura de tres capas. Pero la altura de instalación del ECS y el radiómetro neto en el sitio FPV es más alta que en el sitio REF debido al impacto del panel fotovoltaico. Los detalles de la descripción de los dispositivos de medición se registraron de la siguiente manera. La coordinación del sitio FPV es 32°18′9.00′′ N, 119°47′33.45′′ E. El ECS (IRGASON-IC-BB, Campbell Scientific) se montó en la torre a una altura de 4,5 m. La altura instalada del ECS para el sitio FPV es 2 m más alta que el vértice del panel fotovoltaico para evitar la influencia del viento ascendente horizontal. El radiómetro neto (CNR4, Kipp & Zonen) se instaló en la torre de flujo a una altura de 10 m, el ángulo de observación de la sonda fue de 125°. Los tres sensores de temperatura del agua (109SS, Campbell Scientific) se colocaron a una profundidad de 0,05 m, 0,75 m y 1,5 m, respectivamente. Los sensores de temperatura del agua estaban atados a la boya y subían o bajaban a medida que cambiaba el nivel del agua para garantizar que la posición de cada sonda desde la superficie del agua no cambiara básicamente. La coordinación del sitio REF es 32°18′4.60′′ N, 119°47′25.30′′ E. El equipo de dispositivos de medición en el sitio REF es el mismo que el sitio FPV. Pero la altura de instalación del ECS y el radiómetro neto fue de 3 m y 2 m sin paneles fotovoltaicos en el sitio REF, respectivamente.

Diagrama esquemático de los dispositivos de medición en el sitio FPV.

La recopilación de datos de ECS comienza el 15 de noviembre de 2019, los datos de alta frecuencia (10 Hz) se almacenan en un registrador de datos CR3000 (Campbell Inc, EE. UU.) y el software Eddy Pro calcula en línea el flujo medio cada media hora. Los dispositivos de medición se mantuvieron a tiempo todos los meses para garantizar la precisión y calidad de los datos.

Los datos de flujo cada media hora se realizaron eliminación de campo, corrección de tendencia, rotación de coordenadas secundarias, corrección de ángulo de anemómetro ultrasónico Gill, corrección de retardo de tiempo, corrección de temperatura falsa ultrasónica del flujo de calor sensible, corrección de respuesta de frecuencia y corrección de vapor de agua por el software Eddy Pro ( v7.0.6). Finalmente, el flujo de calor sensible promedio (H) y el flujo de calor latente (LE) se calcularon de acuerdo con el método EC, como sigue la fórmula (1) y (2).

donde \(\rho\)(kg·m−3) es la densidad del aire, \({C}_{p}\) es el calor específico a presión constante como 1004,67 J·kg−1·K−1. \(\lambda\) es el calor latente del agua (2,5 × 106 J·kg−1). Y los parámetros \({\theta }^{^{\prime}}\)(K),\({q}^{^{\prime}}\)(kg·kg-1) y \({\ omega }^{^{\prime}}\)(m·s−1) son las desviaciones de los promedios temporales de la temperatura del aire, la humedad específica y la velocidad vertical del viento, respectivamente.

Como el radiómetro neto se ve menos afectado por el clima, los datos sin procesar de la radiación de onda corta hacia abajo (\(DSR\)), la radiación de onda corta hacia arriba (\(USR\)), la radiación de onda larga hacia abajo (\(DLR\)) y hacia arriba No es necesario procesar la radiación de onda larga (\(ULR\)). La radiación neta (\({R}_{n}\)) se calcula mediante la fórmula (3).

Un lago completo es un objeto de investigación para evaluar el balance energético, el balance energético de un lago Eq. (4) puede expresarse mediante la siguiente fórmula17:

donde \(R_{n}\) es la radiación neta, \(\Delta Q\) es el almacenamiento de calor del agua del lago, \(H\) es el flujo de calor sensible, \(LE\) es el flujo de calor latente , \(\Delta {Q}_{B}\) es el flujo de calor de los sedimentos del lago, \(\Delta {Q}_{F}\) es el cambio en el almacenamiento de calor de la escorrentía y a través del lago, \( \Delta {Q}_{P}\) es el cambio en el almacenamiento de calor causado por la precipitación. Las unidades de radiación y flujo en nuestro artículo son W·m−2.

Debido a que el lago está cerrado, no hay intercambio de calor causado por el intercambio de cuerpos de agua de entrada y salida, por lo que \(\Delta {Q}_{F}\) puede ignorarse. La variación diaria de \(\Delta {Q}_{B}\) y \(\Delta {Q}_{P}\) en comparación con \(H\) y \(LE\) también se puede ignorar, por lo que la ecuación del balance de energía se puede simplificar a la siguiente fórmula (5):

donde \({R}_{n}-\Delta Q\) es la energía disponible, \(H+LE\) es el flujo de energía turbulento.

El almacenamiento de calor \(\Delta Q\) del cuerpo de agua se calcula con base en el cambio de tiempo de la temperatura promedio del lago, como se muestra en la siguiente fórmula (6):

donde \({\rho }_{w}\) es la densidad del agua (kg·m−3), \({c}_{pw}\) es la capacidad calorífica específica del agua (4192 J· kg−1·K−1)17; \(z\) es la profundidad máxima del perfil de temperatura del agua medido en el lago (m).

El perfil vertical del cambio de temperatura del agua se obtuvo mediante la observación de la temperatura del agua en las tres capas (0,05 m, 0,75 m y 1,5 m), luego se calcula la temperatura del agua promedio ponderada en profundidad para obtener el cambio de temperatura del agua promedio ponderado en profundidad dentro de un paso de tiempo fijo (30 min). La fórmula (7) es la siguiente:

donde \({T}_{w,i}\) representa la temperatura promedio del agua de la primera \(i\) capa, \(\Delta {z}_{i}\) es el espesor de la capa de agua de la primera \(i\) capa.

Los cambios en el flujo radiante diario en el lago en dos sitios se muestran en la Fig. 3. En general, la variación diurna de DSR, Rn y USR generalmente se presenta como un tipo de pico obvio, con picos que aparecen entre las 11:00 y las 12:00. :30 en Pekín. DLR y ULR son relativamente más estables que otros componentes de radiación. Y los cambios de DSR y Rn están más sincronizados, porque la fluctuación de DLR, ULR y USR fue muy pequeña durante todo el día.

Flujo de radiación diario en los dos sitios (La primera columna es el sitio FPV, la segunda columna es el sitio REF) bajo diferentes condiciones sinópticas (Diferentes filas representan las diversas condiciones sinópticas, la primera fila es el soleado, la segunda fila es el nublado, la tercera fila es la lluviosa).

El 16 de agosto de 2020 fue un día soleado típico y las curvas de flujo de radiación en dos sitios fueron relativamente suaves (Fig. 2a,b). A partir de las 6:00, la DSR aumenta gradualmente con la radiación solar. Los picos de DSR fueron 897 W·m-2 en el sitio FPV y 875 W·m-2 en el sitio REF a las 12:30 y 12:00 en Beijing, respectivamente. La DSR se ve afectada principalmente por elementos meteorológicos como la nubosidad y los aerosoles18,19. La variación diaria de USR para el sitio FPV es mayor que el sitio REF porque el albedo (albedo = USR/DSR) aumentó (el albedo del sitio FPV fue del 6,56 %, el albedo del sitio REF fue del 6,63 %) en un día soleado. Pero Li et al. descubrió que el albedo disminuye después de implementar los conjuntos fotovoltaicos en el lago20. Porque el albedo del lago es más alto que los materiales del panel fotovoltaico. Por lo tanto, la calidad ambiental del agua del lago puede mejorar mediante el despliegue de paneles fotovoltaicos. El albedo es mayor para provocar la eutrofización de los cuerpos de agua21. Además, el despliegue de paneles fotovoltaicos en el lago también puede cambiar las propiedades térmicas en dos sitios, lo que se presenta principalmente en la diferencia del reflejo de onda larga. El mínimo diario de ULR en el sitio FPV fue de 470,4 W·m−2 a las 5:30, y el mínimo ULR apareció 30 min más tarde en el sitio REF (482 W·m−2) que en el sitio FPV después de 30 min.

Con el aumento de la radiación solar, la ULR en el sitio FPV fue mayor que en el sitio REF a las 7:30. El pico diario de ULR en el sitio FPV aparece a las 12:30 como 559,2 W·m−2. El pico diario de ULR en el sitio REF aparece a las 14:30 como 525,7 W·m−2. El rango diurno de radiación de onda larga en la superficie del lago en el sitio FPV y en el sitio REF es de 88,8 W·m−2 y 43,7 W·m−2, respectivamente. Se puede ver claramente que el rango diurno de radiación de onda larga en el sitio FPV fue mayor que en el sitio REF. Para la radiación neta, la diferencia en dos sitios no fue obvia. La radiación neta en el sitio FPV alcanza su punto máximo a las 12:00 como 757 W·m−2, y la radiación neta en el sitio REF alcanza su punto máximo a las 12:30 como 790 W·m−2. La hora del estado de radiación neta que fue positivo (6:00) o negativo (19:00) fue el mismo en dos sitios, y el cambio de DSR también se sincronizó con la radiación neta.

La variación del componente de radiación se analizó en dos sitios (Fig. 3c, d) para el día nublado del 1 de julio de 2020. La tendencia de DSR en dos sitios fue un cambio sincrónico. La DSR ha aparecido característica irregular en dos sitios de 8:30 a 15:00 debido a la influencia de las nubes. La DSR promedio en el sitio FPV y el sitio REF fue de 226,48 W·m−2 y 214,10 W·m−2, respectivamente. La USR promedio del sitio FPV fue 1,4 W·m−2 más pequeña que la del sitio REF. Las tendencias de DLR en dos sitios están bien sincronizadas, y el promedio en el sitio FPV y el sitio REF es de 420,08 W·m−2 y 416,64 W·m−2, respectivamente. El impacto máximo de los arreglos fotovoltaicos en el componente de radiación se presenta principalmente en la diferencia de ULR en dos sitios. El panel fotovoltaico se calienta más rápido que el agua con el aumento de la radiación solar porque el calor específico del panel fotovoltaico (950 J·kg−1·K−1)22 es menor que el del agua (4184 J·kg−1 ·K−1). ULR en el sitio FPV había estado alcanzando el pico del día a las 12:00 con 505,7 W·m−2. Por el contrario, el pico en el sitio FPV se retrasó con respecto al sitio REF y aparece a las 14:00 como 469,5 W·m−2. La variación de URL en el sitio FPV fue mayor que la del sitio FPV con la radiación solar disminuyendo. ULR en el sitio FPV disminuye significativamente después de las 18:00 y alcanza el mínimo a las 4:00 del día como 437,6 W·m−2.

El día lluvioso se seleccionó el 6 de julio de 2020. La curva de cambio de los componentes de radiación en los dos sitios se muestra en la Fig. 3e (el sitio FPV) y la Fig. 3f (el sitio REF). La DSR comenzó a aumentar a las 5:30 y alcanzó el pico diario a las 11:00 con 282,7 W·m−2 en el sitio FPV y 262,9 W·m−2 en el sitio REF, respectivamente. La variación diaria de DSR presentó una fluctuación irregular después de que la lluvia comenzara a las 11:00. Para poder comparar claramente la diferencia de radiación entre el sitio FPV y el sitio REF, la variación de los componentes de la radiación bajo diferentes condiciones sinópticas se muestra en la Tabla 2. En general, la radiación neta en los dos sitios disminuyó en el orden de "soleado". -nublado-lluvia", y otras componentes de la radiación también presentan las mismas características.

En general, el despliegue de paneles fotovoltaicos en el lago está formando una nueva superficie subyacente. El cambio característico de radiación de FPV (un pico) es el mismo que el del desierto8,23, pastizales24, et al. La diferencia en la radiación en varias superficies subyacentes se debe al impacto del aerosol, el vapor de agua, el terreno y las condiciones climáticas en la luz solar.

La variación de los cambios de flujo de energía en los dos sitios se muestra en la Fig. 4. En general, el flujo de calor latente (LE) en los dos sitios fue relativamente estable, y el flujo de calor sensible (H) en el sitio FPV tiene fluctuaciones más obvias. que la del sitio REF cuando hay radiación solar. Este fenómeno se explicó porque la temperatura del aire en el sitio FPV aumentó más rápido debido al efecto de calentamiento del panel fotovoltaico al obtener la energía solar que la temperatura del aire en el sitio REF. ∆Q ha mostrado una fluctuación en zigzag. El ∆Q positivo o negativo significa absorber o liberar calor del aire al agua. El valor de ∆Q gradualmente se vuelve positivo a medida que aumenta la radiación neta, lo que indica que el agua absorbe calor del aire durante el período de funcionamiento de los paneles fotovoltaicos. En cambio, ∆Q es negativo durante el período de inactividad de los paneles fotovoltaicos, lo que significa que el agua libera calor al aire. El patrón de absorción durante el período de funcionamiento de la energía fotovoltaica y la liberación de calor durante el período de inactividad de la energía fotovoltaica después de instalar los paneles fotovoltaicos en el lago ha logrado el equilibrio de calor entre el agua y el aire. La selección de un día soleado fue muy difícil porque el área de estudio estaba entrando en la temporada de lluvias después de junio de 2020. El 16 de agosto fue un día soleado y no había nubes en el cielo según nuestros datos meteorológicos. Fue una pena que faltaran los datos de flujo de energía en el sitio REF. Por lo tanto, el flujo de energía en el sitio FPV solo se analizó aquí. El promedio de H y LE en el sitio FPV fue de 29,53 W·m−2 y 56,38 W·m−2, respectivamente. El H con un valor promedio de solo 0.3 W·m−2 fue más pequeño que el LE durante la radiación solar débil antes de las 7:30. Entonces, la H fue mayor que la LE y este proceso duró hasta las 14:30 porque los paneles fotovoltaicos se calientan continuamente con la radiación solar. Esta duración se reflejó en la influencia del proceso de cambio de DSR en el H, y la tasa de cambio de H estuvo determinada por las propiedades del panel fotovoltaico25. El promedio diario de ∆Q fue de 16,6 W·m−2, lo que significa que la masa de agua generalmente absorbe calor del aire. Especialmente ∆Q ​​> 0 de 6:30 a 16:30 fue la fase de calor de almacenamiento de agua y otros lapsos de tiempo fueron la fase de liberación de calor de agua. Por lo tanto, este proceso de cambio de calor juega un papel importante en el mantenimiento de la estabilidad del entorno del agua.

Variaciones diarias del flujo de energía en los dos sitios (a–c representan el sitio FPV; d,e representan el sitio REF) bajo diferentes condiciones sinópticas (a, día soleado; b, d, día nublado; c, e día lluvioso ).

En clima nublado, el LE promedio en el sitio FPV fue de 74,76 W·m−2, y el LE promedio en el sitio REF fue de 93,42 W·m−2. El LE en el sitio FPV era más pequeño que el del sitio REF porque el área en el lago de dirigir la radiación solar se redujo por el efecto de sombreado de los conjuntos fotovoltaicos. La tendencia de cambio general de la H en el sitio FPV fue significativamente mayor que la del sitio REF. Pero la radiación solar antes de las 6:30 y después de las 19:00 estuvo ausente. Por lo tanto, la H en el sitio FPV era más pequeña que la del sitio REF. La H en el sitio FPV después de las 6:30 aumentó con la radiación solar. alcanzó el máximo diario a las 12:00 horas con 140,9 W·m−2. Posteriormente el H disminuyó con la disminución de la radiación solar. El cambio de H en el sitio FPV fue significativamente mayor que el del sitio FPV con presencia de radiación solar. El promedio de H en el sitio FPV y el sitio REF fue de 66,09 W·m−2 y 26,19 W·m−2 de 6:30 a 18:30, respectivamente. En ausencia de radiación solar, el promedio de H en el sitio FPV y el sitio REF fue de 1.33 W·m−2 y 5.98 W·m−2, respectivamente. En general, la contribución del impacto de la radiación solar sobre el H en los dos sitios fue de 98% (sitio FPV) y 77% (sitio REF), respectivamente. El impacto de la instalación de la matriz fotovoltaica en el lago en el H es 1,5 veces en comparación con el H del lago natural. Por lo tanto, la radiación solar juega un papel decisivo en el proceso de cambio de H para la planta de energía FPV.

Se eliminaron los datos de H durante el período de clima lluvioso y el promedio de H fue significativamente más bajo que otras condiciones sinópticas. La H del sitio FPV y del sitio REF en el dato efectivo fue de 11,6 W·m−2 y 6,2 W·m−2, respectivamente. La variación de LE fue opuesta a la regla de H. La LE en los dos sitios fue de 31,7 W·m−2 (sitio FPV) y 56,9 W·m−2 (sitio REF), respectivamente. ∆Q se explicó negativamente por la fuerte caída de la temperatura del aire debido a la precipitación, lo que indica que el aire absorbe calor de la masa de agua para lograr un equilibrio de calor agua-aire.

La relación entre H, LE y los factores ambientales en el sitio FPV bajo diferentes condiciones sinópticas se muestra en la Fig. 5. La abreviatura de un nombre propio y su unidad en esta parte se proporcionó para mejorar la legibilidad del artículo. Esas abreviaturas son las siguientes: velocidad del viento (U, m·s−1), diferencia de temperatura del agua y la atmósfera (∆T, ℃) y déficit de presión de vapor de agua y aire (∆e, kPa). La correlación entre H y algunos factores ambientales (U × ∆T y ∆T) fue negativa en el sitio FPV en condiciones soleadas y nubladas (Fig. 5a,b,e,f). La correlación entre H y U × ∆T (0,48) y ∆T (0,45) en un día soleado fue el doble que en un día nublado (0,23 y 0,24). El resultado indicó que la fuerza impulsora de los factores ambientales U × ∆T y ∆T en un día soleado fue mayor que la de un día nublado para H. El LE fue positivo con algunos factores ambientales (U & U × ∆e) en un día soleado y un día nublado (Fig. 5c, d, g, h) para el sitio FPV. El R2 entre LE y U fue de 0,15 en un día soleado. Pero esta relación (R2 = 0.003) fue muy débil en un día nublado indicando que la LE no estaba impulsada por la U. Además, la correlación entre la LE y la U × ∆e fue mayor que la de la U bajo el mismo sinóptico. condiciones. Por lo tanto, la fuerza impulsora de LE está dominada por U × ∆e. En particular, la explicación de U × ∆e al LE es cercana al 80% en condiciones de nubosidad.

Fuerza motriz del flujo de energía en el sitio FPV bajo diferentes condiciones sinópticas. La información de la fila representa las diferentes condiciones sinópticas (la primera fila es el soleado, la segunda fila es el nublado). La información de la columna representa la fuerza motriz. De izquierda a derecha: U × ∆T, ∆T, U y U × ∆e.

La relación entre el flujo de energía (H y LE) y su fuerza impulsora en el sitio REF en un día nublado se muestra en la Fig. 6. La correlación de H y alguna fuerza impulsora (U × ∆T y ∆T) fue negativa. En particular, la relación de H y la fuerza motriz (U × ∆T) fue muy débil (R2 = 0,012). La fuerza impulsora de U × ∆T solo puede explicar alrededor del 1 % del cambio en H. Pero la explicación de la fuerza impulsora U × ∆T fue del 23 % (R2 = 0,23) para H en el sitio FPV en condiciones nubladas. Porque el efecto de sombreado de los paneles fotovoltaicos afecta la velocidad del viento y el efecto de calentamiento de los paneles induce la temperatura del aire. Por lo tanto, la explicación de la fuerza impulsora U × ∆T mejoró significativamente para H después del despliegue de conjuntos fotovoltaicos en el lago bajo las mismas condiciones climáticas. La correlación entre LE y U fue negativa, lo que fue opuesto al resultado en el sitio FPV bajo las mismas condiciones climáticas. Además, la correlación entre LE y U × ∆e fue positiva en dos sitios bajo condiciones nubladas. Pero la correlación de LE y U fue diferente en los dos sitios. Por lo tanto, el cambio de LE no fue determinado por la U y las fuerzas motrices múltiples (U × ∆e) fueron funcionales para LE. La H fue impulsada por U × ∆T y ∆T en el sitio FPV en condiciones soleadas y nubladas. Y esta correlación fue débil en el sitio REF en condiciones de nubosidad. Esos resultados fueron contrarios al estudio de Nordbo et al.17 de que la H en un lago natural puede explicarse por la U × ∆T. La explicación de U × ∆T para H se mejoró después de implementar los arreglos fotovoltaicos en el lago natural. La correlación entre H y U × ∆T desde el sitio FPV hasta el sitio REF disminuyó gradualmente. Mientras tanto, la correlación entre LE y U × ∆e del sitio FPV al sitio REF presentó el mismo cambio de H y alguna fuerza impulsora, como U × ∆T. El cambio en la correlación entre el flujo de energía y las fuerzas motrices indicó el impacto de los conjuntos fotovoltaicos en el medio ambiente local. La principal fuerza impulsora de dominar el LE fue U × ∆e en los dos sitios bajo condiciones soleadas y nubladas. Este resultado es consistente con el estudio de Du et al.26 sobre el lago Erhai en China, y esta relación también se encuentra en lagos de Alemania y Francia17,27. Porque los conjuntos fotovoltaicos bloquean el flujo de aire, lo que conduce a la reducción de la resistencia del aire. Mientras tanto, el ∆e aumenta con la disminución del flujo de aire. Por lo tanto, la explicación de U × ∆e para LE en el sitio FPV fue mayor que la del sitio REF.

Fuerza impulsora del flujo de energía ((a) U × ∆T; (b) ∆T; (c) U; (d) U × ∆e) en el sitio REF en el sitio REF en un día nublado.

En general, en la Fig. 5 R2 es de 0,15 a 0,45 y en la Fig. 6 R2 es de 0,012 a 0,24. El valor de correlación es insuficiente. Estos factores meteorológicos para la fuerza motriz del flujo de energía se seleccionaron de acuerdo con Nordbo et al. resultados en lago natural17. El R2 es más bajo debido a que la superficie subyacente del lago se cambió al instalar paneles solares. Por supuesto, nuestros resultados indicaron que la fuerza motriz del flujo de energía se ve afectada por el despliegue de paneles solares en los lagos naturales. Por lo tanto, la relación entre la fuerza impulsora del flujo de energía y los factores meteorológicos se explora mediante la matriz de coeficientes de correlación para ilustrar el efecto del despliegue de paneles solares en lagos naturales sobre el intercambio de energía.

La fuerza motriz del flujo de energía en el sitio FPV es diferente del lago natural. La matriz de coeficientes de correlación entre el flujo de energía y los factores ambientales en el sitio FPV bajo diferentes condiciones sinópticas se muestra en la Fig. 7 para buscar el principal factor de flujo de energía. El H en el sitio FPV en condiciones nubladas estuvo dominado en primer lugar por la temperatura PV (T_panel). El coeficiente de correlación entre H y T_panel fue de 0,64 y fue muy significativo. El segundo factor influyente de H fue el U × ∆e (0.59). Este factor es tan importante porque fue una relación robusta (0.73) con el factor principal de T_panel. En un día nublado, el coeficiente de correlación entre H y T_panel fue ligeramente más débil que en un día soleado (Fig. 7c, 0,60). Pero el coeficiente de correlación entre H y T_panel es el más fuerte que otros. Por lo tanto, el T_panel es el factor de influencia dominante sustancial de la H para el sitio FPV. El principal factor de control de LE es U × ∆e en condiciones soleadas y nubladas para el sitio FPV. Pero el coeficiente de correlación entre LE y U × ∆e en un día nublado (0,89) fue mayor que en un día soleado (0,68).

Coeficientes de correlación de Pearson en el sitio FPV entre el flujo de energía y los factores ambientales bajo diferentes condiciones sinópticas. (a) Coeficientes de correlación de Pearson entre H y factores ambientales (U × ∆T, ∆T, U, U × ∆e, T_panel es la temperatura PV) en un día soleado, (b) Coeficientes de correlación de Pearson entre LE y factores ambientales en un día soleado , (c) Igual que (a), pero la condición sinóptica es nublada, (d) Igual que (b), pero la condición sinóptica es nublada. La elipse roja representa una correlación positiva, la elipse azul representa una corrección negativa y el asterisco blanco representa el nivel de significación de 0,05.

El despliegue de energía fotovoltaica en el lago está formando un nuevo tipo de superficie subyacente. El análisis de la radiación, el flujo de energía y su fuerza motriz en los dos sitios para comprender la interacción de la capa límite aire-lago. Además, el estudio de la diferencia de radiación en diversas condiciones sinópticas puede mejorar la precisión de las predicciones solares a corto plazo. El estudio analizó la diferencia en la radiación, el flujo de energía y la fuerza motriz en diferentes condiciones sinópticas comparando el sitio FPV y el sitio REF. Las siguientes conclusiones se derivan de las observaciones e investigaciones in situ:

Los componentes de la radiación fueron significativamente diferentes en los dos sitios bajo diversas condiciones sinópticas. El DSR y Rn se presentaron con un pico en un día soleado. Pero la suave curva característica en DSR y Rn se interrumpe en otras condiciones sinópticas. El promedio diario de DSR y Rn en los dos sitios fue de 279,1 W·m−2, 209,3 W·m−2, respectivamente. Además, el ULR promedio en el sitio FPV es 1,73 W·m−2 más alto que el sitio de referencia.

El cambio de H fue fluctuante en los dos sitios bajo varias condiciones sinópticas debido al impacto de DSR en T_panel. El LE fue relativamente estable en los dos sitios bajo diferentes condiciones sinópticas. El promedio diario (día nublado y día lluvioso) H en los dos sitios fue de 39,5 W·m−2 (sitio FPV), 19,2 W·m−2 (sitio REF), respectivamente. El LE fue de 53,2 W·m−2 y 75,2 W·m−2 en la contraparte. El cuerpo de agua generalmente absorbe calor del aire (el ∆Q promedio diario fue de 16,6 W·m−2) en el sitio de FPV en un día soleado.

La fuerza impulsora de H en el sitio FPV está gobernada por el panel T_en condiciones soleadas y nubladas. La principal fuerza impulsora de LE es U × ∆e en condiciones soleadas y nubladas para el sitio FPV.

El análisis de la radiación, el flujo de energía y sus fuerzas motrices en diferentes condiciones sinópticas comparando los dos sitios. Pero hay límites en este artículo. Los resultados se obtuvieron mediante la selección de tres días debido a la limitación de los datos observacionales. Los detalles de los datos en el estudio se muestran en el archivo complementario. La precisión de los resultados puede mejorarse mediante la clasificación de los datos de observación de acuerdo con las condiciones meteorológicas. Además, el impacto de la planta de energía FPV en la radiación y el flujo de energía se relacionó con su escala. Los efectos de las plantas de energía FPV a escala de servicios públicos en la radiación y el flujo de energía deben investigarse más a fondo.

Todos los datos generados o analizados durante este estudio se incluyen en este artículo publicado y sus archivos de información complementaria.

Chang, R. et al. Un modelo de mesoescala WRF-PV acoplado que simula el clima cercano a la superficie de plantas fotovoltaicas a gran escala. Sol. Energía 245, 278–289. https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.09.023 (2022).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Sato, K., Sinha, S., Kumar, B. y Kojima, T. Mecanismo de autoenfriamiento en células fotovoltaicas y su impacto en el efecto de isla de calor de sistemas fotovoltaicos a gran escala en desiertos. Desierto Res. J. Desert Soc. Japón. 19, 5–8 (2009).

Google Académico

Fthenakis, V. & Yu, Y. en 2013 IEEE 39th Photovoltaic Specialists Conference (PVSC). 3362–3366 (IEEE).

Taha, H. El potencial del impacto de la temperatura del aire a partir del despliegue a gran escala de paneles solares fotovoltaicos en áreas urbanas. Sol. Energía 91, 358–367. https://doi.org/10.1016/j.solener.2012.09.014 (2013).

Artículo CAS ANUNCIOS Google Académico

Yin, D. et al. Efecto de una gran estación de energía fotovoltaica en el microclima de la región desértica en la cuenca de Gonghe. Toro. Conservación de agua del suelo 37, 15–21 (2017).

Google Académico

Li, Y. et al. El modelo climático muestra que los parques eólicos y solares a gran escala en el Sahara aumentan la lluvia y la vegetación. Ciencia 361, 1019–1022. https://doi.org/10.1126/science.aar5629 (2018).

Artículo CAS PubMed ANUNCIOS Google Académico

Chang, R. et al. Se observaron los impactos de temperatura y radiación superficial del despliegue a gran escala de energía fotovoltaica en el área árida de Gonghe, China. Renovar. Energía 118, 131–137 (2018).

Artículo Google Académico

Broadbent, AM, Krayenhoff, ES, Georgescu, M. & Sailor, DJ Los efectos observados de la energía fotovoltaica a gran escala en la temperatura del aire cerca de la superficie y el balance de energía. Aplicación J. Meteorol. Climatol. 58, 989–1006 (2019).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Liang, S. & Wang, J. Sensores remotos avanzados: extracción de información terrestre y aplicaciones (Academic Press, 2019).

Google Académico

Baldocchi, DD, Hincks, BB & Meyers, TP Medición de intercambios biosfera-atmósfera de gases biológicamente relacionados con métodos micrometeorológicos. Ecología 69, 1331–1340 (1988).

Artículo Google Académico

Kurbatova, J. et al. Intercambio comparativo ecosistema-atmósfera de energía y masa en una ciénaga rusa europea y una siberiana central I. Variabilidad interestacional e interanual de los flujos de energía y calor latente durante el período sin nieve. Tellus B: Química. física Meteorol. 54, 497–513 (2002).

ANUNCIOS Google Académico

Sun, J. et al. Mediciones de covarianza de remolinos de vapor de agua y flujo de energía sobre un lago en el desierto de Badain Jaran, China. J. Árido. Tierra 10, 517–533. https://doi.org/10.1007/s40333-018-0057-3 (2018).

Artículo Google Académico

Potes, M. et al. Interacciones lago-atmósfera en el embalse de Alqueva: un estudio de caso en el verano de 2014. Tellus A 69, 1272787 (2017).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Xiao, W. et al. La radiación controla la variabilidad interanual de la evaporación de un lago subtropical. J. Geophys. Res.-Atmos. https://doi.org/10.1029/2019JD031264 (2020).

Artículo Google Académico

Spank, U., Hehn, M., Keller, P., Koschorreck, M. y Bernhofer, C. Una temporada de flujos de covarianza de remolinos sobre un extenso cuerpo de agua basado en observaciones desde una plataforma flotante. Bound.-Capa Meteorol. 174, 433–464. https://doi.org/10.1007/s10546-019-00490-z (2020).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Yang, LW y col. Estudio sobre los efectos climáticos locales de grandes parques solares fotovoltaicos en zonas desérticas. Sol. Energía 144, 244–253. https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.01.015 (2017).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Nordbo, A. et al. Mediciones de flujo de energía a largo plazo y balance de energía sobre un pequeño lago boreal utilizando la técnica de covarianza de remolinos. J. Geophys. Res. atmósfera https://doi.org/10.1029/2010jd014542 (2011).

Artículo Google Académico

Bartoszek, K., Matuszko, D. & Soroka, J. Relaciones entre la nubosidad, el espesor óptico de los aerosoles y la duración de la luz solar en Polonia. atmósfera Res. 245, 105097 (2020).

Artículo Google Académico

Yang, X., Zhao, C., Zhou, L., Wang, Y. & Liu, X. Distinto impacto de diferentes tipos de aerosoles en la radiación solar superficial en China. J. Geophys. Res. atmósfera 121, 6459–6471 (2016).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Li, P., Gao, X., Li, Z. & Zhou, X. Análisis físico de los impactos ambientales de la planta de energía fotovoltaica complementaria a la pesca. Reinar. ciencia contaminar Res. En t. 29, 46108–46117. https://doi.org/10.1007/s11356-022-18930-8 (2022).

Artículo PubMed PubMed Central Google Académico

Anda, A. et al. Ampliación de la evaporación de bandeja de clase a para un lago poco profundo para simular el impacto del sedimento litoral y las macrófitas sumergidas: un estudio de caso para la bahía de Keszthely (lago Balaton, Hungría). agricola Para. Meteorol. 250, 277–289. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2018.01.001 (2018).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

Krauter, S. & Hanitsch, R. en Energy and the Environment 371–375 (Elsevier, 1990).

Jiang, J., Gao, X., Lv, Q., Li, Z. y Li, P. Impactos observados de la planta fotovoltaica a gran escala en la temperatura del aire local y la partición de energía en las áreas estériles. Renovar. Energía 174, 157–169. https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.03.148 (2021).

Artículo Google Académico

Shao, C., Li, L., Dong, G. y Chen, J. Variación espacial de la radiación neta y su contribución a los cierres del balance energético en ecosistemas de pastizales. Ecol. Proceso. 3, 1–11 (2014).

Artículo Google Académico

Moharram, KA, Abd-Elhady, M., Kandil, H. y El-Sherif, H. Mejora del rendimiento de los paneles fotovoltaicos mediante refrigeración por agua. Aín. Shams Ing. J. 4, 869–877 (2013).

Artículo Google Académico

Du, Q. et al. Factores que controlan la evaporación y el flujo de CO2 sobre un lago de aguas abiertas en el suroeste de China en múltiples escalas temporales. En t. J. Climatol. 38, 4723–4739. https://doi.org/10.1002/joc.5692 (2018).

Artículo Google Académico

Goldbach, A. & Kuttler, W. Flujos de calor turbulentos sobre un embalse suburbano: un estudio de caso de Alemania. J. Hidrometeorol. 16, 244–260. https://doi.org/10.1175/Jhm-D-13-0159.1 (2015).

Artículo ANUNCIOS Google Académico

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Esta investigación fue financiada por la Fundación de Investigación Científica de la Universidad de Tecnología de la Información de Chengdu (No. KYTZ202209), el Programa Nacional de Investigación y Desarrollo Clave de China (2018YFB1502800) y la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (No. 41875017).

Plateau Atmosphere and Environment Key Laboratory of Sichuan Province, School of Atmosphere Sciences, Chengdu University of Information Technology, Chengdu, 610225, China

peidu li

Laboratorio clave de procesos de la superficie terrestre y cambio climático en regiones frías y áridas, Instituto del Noroeste de Medio Ambiente y Recursos Ecológicos, Academia de Ciencias de China, Lanzhou, 730000, China

Xiaoqing Gao, Zhenchao Li, Tiange Ye y Xiyin Zhou

Facultad de Recursos y Medio Ambiente, Universidad de la Academia China de Ciencias, Beijing, 100049, China

Tiange Ye y Xiyin Zhou

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PDL: Conceptualización, Metodología, Software, Validación, Investigación, Curación de datos, Redacción del borrador original, Visualización; XQG: Recursos, Supervisión, Administración de Proyectos, Adquisición de Financiamiento; ZCL: Recursos, Administración de proyectos, Adquisición de fondos; TGY & XYZ: Validación. Todos los autores revisaron el manuscrito.

Correspondencia a Xiaoqing Gao.

Los autores declaran no tener conflictos de intereses.

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Reimpresiones y permisos

Li, P., Gao, X., Li, Z. et al. Efectos de la planta de energía fotovoltaica complementaria de la pesca sobre la radiación, el flujo de energía y las fuerzas motrices en diferentes condiciones sinópticas. Informe científico 13, 9084 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36314-x

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Recibido: 30 de diciembre de 2022

Aceptado: 31 de mayo de 2023

Publicado: 05 junio 2023

DOI: https://doi.org/10.1038/s41598-023-36314-x

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