漁業補完型太陽光発電所が異なる総観条件下での放射線、エネルギー束、推進力に及ぼす影響

Jan 30, 2024

Scientific Reports volume 13、記事番号: 9084 (2023) この記事を引用

2 オルトメトリック

メトリクスの詳細

その下にある表面は、エネルギーの伝達による空気と湖の相互作用の重要な媒体でした。湖上に太陽光発電アレイを配置すると、その下にある新しい表面タイプが形成されました。しかし、新しい基礎となる表面は自然の湖とは異なります。漁業補完型太陽光発電（FPV）発電所が放射線、エネルギー束、駆動力に及ぼす影響は不明である。したがって、さまざまな共観条件下で 2 つのサイトの違いを比較することにより、放射線、エネルギー束、駆動力を解析します。結果は、さまざまな共観条件下で 2 つのサイトで放射線成分に大きな違いがないことを示しました。下向き短波放射 (DSR) と正味放射 (\({R}_{n}\)) は、晴れた日に 1 つのピークを示しました。 2 つのサイトの 1 日平均 DSR と Rn はそれぞれ 279.1 W・m−2、209.3 W・m−2 でした。 2 つのサイトの 1 日平均（曇りの日と雨の日）の顕熱流束は、それぞれ 39.5 W・m−2（FPV サイト）、19.2 W・m−2（REF サイト）でした。潜熱流束は53.2 W・m-2、対応品では75.2 W・m-2でした。晴れた日の FPV サイトでは、水域は一般に空気から熱を吸収します (日平均 ΔQ は 16.6 W・m−2 でした)。 FPV サイトにおける顕熱流束の推進力は、晴天および曇りの条件下での FPV パネルの温度によって支配されました。潜熱流束は、風速と水と大気の温度差との積によって決定されました。

中国では炭素ピーク達成とカーボンニュートラルの目標達成に向けて、事業規模の太陽光発電（PV）発電所の建設が加速している。太陽光発電所の開発は、中国人にとって重要な土地資源を大量に占有している。一方、土地利用パターン、その下にある地表、土地と大気間のエネルギー伝達は、実用規模の太陽光発電所の存在によって変化しました1。したがって、地元地域における放射線とエネルギーの本来のバランスは、実用規模の太陽光発電所の導入によって崩れた。太陽光発電所のすぐ近くの総観条件は、元の放射線レベルとエネルギーの変化の影響を受けました。しかし、これらの側面に関する研究はほとんど報告されていません。太陽光発電所が地域の微気候に及ぼす影響に関する研究は、この調査の方向で加速しています。気温を例として、太陽光発電所が気温に与える影響についてのさまざまな学者の分析を表 1 に示します。気象要因と陸上の太陽光発電所の関係は、これらの参考文献で研究されています。太陽光発電所の総発電量は近年加速しています。しかし、湖の太陽光発電所が放射線とエネルギーに及ぼす影響に関する研究はあまり報告されていない。一方、陸上の太陽光発電の底面は湖沼とは大きく異なります。漁業補完型太陽光発電（FPV）発電所は、中国の太陽光発電所による太陽エネルギーを利用する新しいタイプの発電所です。放射線とエネルギー束の両方のバランスに対する FPV の影響に関する研究はあまり行われていません。さらに、異なる総観条件下で湖に FPV パネルを設置した後の放射束の特性は不明です。したがって、持続可能な太陽光発電産業の発展を促進するために、異なる総観条件下で湖にFPVパネルを配置した後の放射束の変化とその推進力の間のメカニズムが調査されました。

渦共分散 (EC) には、水と熱のフラックス測定の計算プロセスに理論的な仮定がほとんどなく 9、必要な時間および空間スケールでフラックスを直接観測する可能性が得られます 10。これは、下地の表面が均一で地形が平坦で、大気条件が安定している場合に最も正確な方法です11。そのため、実際の観測ではこの方法が広く使われています。 Sun ら 12 は、1 年間 (2012.03 ～ 2013.03) の EC 観測データを通じて、バダインジャラン砂漠の湖のエネルギーフラックスと水蒸発量の変化を分析しました。その結果、長波と短波の放射線束変化の日次的および季節的特性が明らかであることが示されました。湖の平均年間蒸発速度は約 4.0 mm・d−1、累積年間蒸発速度は 1445 mm・a−1、累積年間蒸発量は累積年間降水量の 10 倍です。 Potes ら 13 は、2014 年の夏に Alqueva 貯留層における湖と大気の相互作用を分析しました。研究中、貯留層のエネルギーは主に顕熱流束と潜熱流束の形で放出されました。 Xiao et al.14 は、亜熱帯湖の蒸発量の年々変動の制御メカニズムを研究し、EC 測定データとエネルギーバランスの原理に基づいて、気候温暖化の状況下で湖の蒸発量が変化する理由を答えました。これは、太陽放射の吸収量と入射長波放射の量に応じて湖の蒸発が増加することを示しています。さらに、湖の蒸発量の減少は主に、反射された長波放射が弱まるフィードバック効果によって引き起こされます。 Spank et al.15 は、ドイツ最大の飲料水ラップボーデ貯水池の 1 シーズンにわたる EC 観測データを分析しました。その結果、貯留層の顕熱の日変化特性が地表のそれと異なることが判明した。蒸発が制限されていない水域では、夜間や日中、潜熱流束と蒸発量が異常に低くなります。 EC 観測データを使用した湖の放射特性とフラックスに関する多くの研究が行われており、これにより、気候変動を背景とした湖のエネルギーフラックス応答と湖と大気の相互作用をさらに調査する可能性が得られます。一方で、効率的な精度と広く使用されているため、エネルギー束の変化は EC によって分析されました。さらに、FPV 発電所のエネルギー束に関する研究はほとんど報告されていません。したがって、この論文では、FPV 発電所のエネルギー束の特性を EC データによって分析し、PV パネルの配備が湖面エネルギーバランスに及ぼす影響を明らかにしました。 FPV発電所は、水面にソーラーパネルを設置して太陽エネルギーを利用する新しいタイプの発電所です。 FPV発電所の開発は、土地制限のない設置地域により、太陽光発電分野の利用における画期的な進歩となります。しかし、太陽光パネルとその下にある湖面とでは性質に大きな違いがあります。これは、元のエリアにソーラーパネルを設置した後の統合された下層面です。 FPV発電所の導入により、地域の日射量とエネルギーバランスが影響を受けました。湖と大気の相互作用は放射線とエネルギーの両方のバランスによって支配されることはよく知られています。放射線とエネルギーバランスの変化は、局所的な総観条件に基づいてさらに行われます。現在、太陽光発電所における放射線束とエネルギー束の変化について多くの研究が行われています7、8、16。しかし、FPV 発電所のさまざまな総観条件下での放射線とエネルギーバランスの特性についてはあまり報告されていません。したがって、私たちの研究は、おそらく、日射量に対する気象条件の影響を考慮するという私たちの論文による日射量予測の精度を修正するために、この研究ギャップを埋めるものです。

私たちの論文では、FPV発電所のさまざまな総観条件下での放射線とエネルギー束の特性を分析しました。一方、湖上に PV アレイを設置した後の水面と大気の間の相互作用機能についての理解を深めるために、エネルギー束とその推進力、および主要な環境パラメータが与えられました。さらに、この研究は、日射量予測に対するミクロスケールの気候の影響についての認識を高めるのに役立つ可能性があります。

この試験は、Tongwei Huantai 10 MW 漁業補完太陽光発電実証基地で実施されました。この基地は中国東部の江蘇省揚中市にあります。揚中市は北部亜熱帯モンスーン気候帯の中央に位置し、気候は穏やかで、降水量が豊富で、雨と暑さが同じ季節にあります。 2019年1月から12月までの揚中市の平均気温は17.1℃、年間降水量は791.8ミリ、年間積算日照時間は1792.2時間でした。湖に太陽光発電アレイを設置した放射線とエネルギー束の変化は、FPV発電所の内外の束観測塔からの結果を比較することによって捕捉されました。調査地域と磁束観測塔の位置を図 1 に示す。調査地域の中心座標は北緯 32 度 17 分 5 秒、東経 119 度 47 分 39 分、標高は 2 m である。漁業補完型太陽光発電実証基地は、5.7 ～ 8.9 エーカーの 4 つの池で構成されています。 FPVは池の中央、水深2.5mから3m程度に設置されています。 FPV発電所内の磁束観測塔（FPVサイト、青ピン）と屋外磁束観測塔（基準サイト、略してREFサイト、赤ピン）間の距離は、Google Earthで図に示すように約251mです。 1a. 2 つのタワーの詳細を図 1b (FPV サイト) と図 1c (参照サイト) に示します。

中国江蘇省揚中市の補完型太陽光発電所の調査地域の位置 (a)。磁束観測塔にはピンが付けられており、青いピンがFPVサイト、赤いピンがREFサイトでした。 FPV サイトのタワーの写真を (b) に示し、REF サイトのタワーの写真を (c) に示します。

磁束観測塔の高さは2か所とも約11mです。 FPV サイトの磁束観測塔の設備を図 2 に示す。FPV サイトの設備は REF サイトと同様である。測定装置には、渦共分散システム (ECS)、正味放射計、3 層温度センサーが含まれていました。ただし、FPV サイトの ECS と正味放射計の設置高さは、PV パネルの影響により REF サイトよりも高くなります。測定機器の説明内容は以下のように記録しました。 FPV サイトの座標は、北緯 32 度 18 分 9.00 分、東経 119 度 47 分 33.45 分です。ECS (IRGASON-IC-BB、Campbell Scientific) は、高さ 4.5 m でタワーに取り付けられました。 FPV サイトの ECS の設置高さは、水平風による上昇の影響を避けるために、太陽光発電パネルの頂点より 2 m 高く設定されています。ネット放射計 (CNR4、Kipp & Zonen) を高さ 10 m の磁束塔に設置し、プローブの観察角度は 125°でした。 3 つの水温センサー (109SS、Campbell Scientific) は、それぞれ深さ 0.05 m、0.75 m、および 1.5 m に設置されました。水温センサーはブイに取り付けられており、水面からの各プローブの位置が基本的に変わらないことを保証するために、水位の変化に応じて上昇または下降します。 REF サイトの座標は北緯 32 度 18 分 4.60 分、東経 119 度 47 分 25.30 分です。REF サイトの測定機器設備は FPV サイトと同じです。ただし、REF 敷地内の PV パネルを除いた ECS と正味放射計の設置高さは、それぞれ 3 m と 2 m であった。

FPVサイト内の測定装置の概略図。

ECS のデータ収集は 2019 年 11 月 15 日に開始され、高周波データ (10 Hz) は CR3000 データロガー (Campbell Inc、米国) に保存され、Eddy Pro ソフトウェアによって 30 分ごとの平均流束がオンラインで計算されます。データの精度と品質を確保するために、測定装置は毎月適切にメンテナンスされました。

30 分ごとのフラックスデータは、フィールド除去、傾向補正、二次座標回転、ギル超音波風速計の角度補正、時間遅延補正、顕熱フラックスの超音波偽温度補正、周波数応答補正、および Eddy Pro ソフトウェアによる水蒸気補正を実行しました ( v7.0.6)。最後に、平均顕熱流束 (H) と潜熱流束 (LE) を EC 法に従って次の式 (1) および (2) のように計算しました。

ここで、 \(\rho\)(kg·m−3) は空気密度、 \({C}_{p}\) は定圧での比熱で、1004.67 J·kg-1·K-1 です。 \(\lambda\) は水の潜熱 (2.5 × 106 J·kg−1) です。そしてパラメータ \({\theta }^{^{\prime}}\)(K)、\({q}^{^{\prime}}\)(kg·kg-1) および \({\ omega }^{^{\prime}}\)(m・s−1) は、それぞれ気温、比湿度、垂直風速の時間平均からの偏差です。

正味放射計は天候の影響をあまり受けないため、下向き短波放射 (\(DSR\))、上向き短波放射 (\(USR\))、下向き長波放射 (\(DLR\)) および上向きの生データが得られます。長波放射線 (\(ULR\)) は処理する必要がありません。正味放射線量(\({R}_{n}\))は式(3)で計算されます。

湖全体は、エネルギー収支、つまり湖のエネルギーバランスを評価するための研究対象です。 (4) は次の式17で表される。

ここで、\(R_{n}\) は正味放射、\(\Delta Q\) は湖水の蓄熱、\(H\) は顕熱流束、\(LE\) は潜熱流束です。、 \(\Delta {Q}_{B}\) は湖の堆積物の熱流束、\(\Delta {Q}_{F}\) は流出と湖を通る蓄熱量の変化、\( \Delta {Q}_{P}\) は、降水によって引き起こされる蓄熱量の変化です。私たちの論文における放射線と光束の単位は W·m−2 です。

湖は囲まれているため、流入水域と流出水域の交換による熱交換はなく、\(\Delta {Q}_{F}\) は無視できます。 \(H\) および \(LE\) と比較した \(\Delta {Q}_{B}\) および \(\Delta {Q}_{P}\) の日次変動も無視できます。エネルギーバランス方程式は次の式 (5) に簡略化できます。

ここで、\({R}_{n}-\Delta Q\) は利用可能なエネルギー、\(H+LE\) は乱流エネルギー束です。

水域の蓄熱 \(\Delta Q\) は、次の式 (6) に示すように、湖の平均水温の時間変化に基づいて計算されます。

ここで、 \({\rho }_{w}\) は水の密度 (kg・m−3)、 \({c}_{pw}\) は水の比熱容量 (4192 J・kg−1・K−1)17; \(z\) は、湖で測定された水温プロファイルの最大深さ (m) です。

3層（0.05m、0.75m、1.5m）の水温観測により水温変化の鉛直プロファイルを取得し、深さ加重平均水温を計算して、1層内の深さ加重平均水温変化を求めます。固定時間ステップ (30 分)。式(7)は以下の通りです。

ここで、 \({T}_{w,i}\) は最初の \(i\) 層の平均水温を表し、 \(\Delta {z}_{i}\) は最初の水層の厚さを表します。最初の \(i\) 層。

2 つの地点における湖の日次放射束の変化を図 3 に示します。一般に、DSR、Rn、および USR の日内変動は、明らかなピークタイプとして表され、ピークは 11:00 から 12:00 の間に現れます。北京で30時。 DLR と ULR は、他の放射線コンポーネントに比べて比較的安定しています。また、DLR、ULR、USR の変動は 1 日を通して非常に小さいため、DSR と Rn の変化はより同期しています。

異なる総観条件下での 2 つのサイト (最初の列は FPV サイト、2 番目の列は REF サイト) の日次放射線束 (異なる行はさまざまな総観条件を表し、最初の行は晴天、2 行目は日照条件を表します)曇り、3列目は雨）。

2020年8月16日は典型的な晴れた日で、2つのサイトの放射線束曲線は比較的滑らかでした（図2a、b）。 6:00 から、日射量に応じて DSR が徐々に増加します。 DSRのピークは、北京の12:30と12:00に、それぞれFPVサイトで897 W・m−2、REFサイトで875 W・m−2でした。 DSR は主に雲量やエアロゾルなどの気象要素の影響を受けます18,19。晴れた日にはアルベド (アルベド = USR/DSR) が増加したため (FPV サイトのアルベドは 6.56%、REF サイトのアルベドは 6.63%)、FPV サイトの USR の日次変動は REF サイトよりも大きくなります。しかし、リーらは、 Lake20 に PV アレイを導入した後、アルベドが減少することがわかりました。湖のアルベドが太陽光発電パネルの材料よりも高いためです。したがって、湖の水環境質は、太陽光発電アレイの導入によって改善される可能性がある。アルベドが高くなると、水域の富栄養化が引き起こされます21。さらに、湖上に PV アレイを配置すると、2 か所の熱特性が変化する可能性があり、これは主に長波反射との違いとして表れます。 FPV サイトの ULR の 1 日最小値は 5:30 の 470.4 W・m−2 であり、ULR 最小値は FPV サイトの 30 分後よりも REF サイト (482 W・m−2) で 30 分後に現れました。

日射量が増加するにつれて、7 時 30 分の時点で FPV サイトの ULR は REF サイトよりも大きくなりました。 FPV サイトにおける ULR の日次ピークは 12:30 に 559.2 W・m−2 として現れます。 REF サイトにおける ULR の日次ピークは 14:30 に 525.7 W・m−2 として現れます。 FPV サイトと REF サイトの湖面における長波放射の日内放射範囲は、それぞれ 88.8 W・m−2 と 43.7 W・m−2 である。 FPV サイトの長波放射の日内範囲が REF サイトよりも大きかったことがはっきりとわかります。正味放射線に関しては、2 つのサイトの違いは明らかではありませんでした。 FPV サイトの正味放射量は 12:00 にピークの 757 W/m-2 となり、REF サイトの正味放射量は 12:30 にピークの 790 W/m-2 になります。正味放射線状態が正（6:00）または負（19:00）である時間は 2 つのサイトで同じであり、DSR の変化も正味放射線と同期していました。

2020年7月1日の曇りの日の2つのサイトで放射線成分の変動が分析されました（図3c、d）。2つのサイトのDSRの傾向は同期した変化でした。 DSRは雲の影響で8時30分から15時まで2地点でギザギザした特徴的な現象が現れました。 FPV サイトと REF サイトの平均 DSR は、それぞれ 226.48 W・m−2 と 214.10 W・m−2 でした。 FPV サイトの平均 USR は REF サイトの平均 USR より 1.4 W・m−2 小さかった。 2 つのサイトの DLR 傾向はよく同期しており、FPV サイトと REF サイトの平均はそれぞれ 420.08 W・m−2 と 416.64 W・m−2 です。 PV アレイが放射線成分に与える最大の影響は、主に 2 つのサイトの ULR の差に表れます。太陽光発電パネルの比熱（950 J・kg−1・K−1）22は水の比熱（4184 J・kg−1）より小さいため、日射量の増加に伴い太陽光発電パネルは水よりも急速に加熱します。・K−1）。 FPV サイトの ULR は 12:00 に 505.7 W・m−2 でその日のピークに達していました。逆に、FPV サイトのピークは REF サイトよりも遅れ、14:00 に 469.5 W・m−2 として現れます。 FPV サイトの URL の変動は、日射量が減りつつある FPV サイトの変動よりも大きくなりました。 FPV サイトの ULR は 18:00 以降に大幅に減少し、1 日 4:00 に 437.6 W・m−2 の最小値に達します。

雨の日は2020年7月6日に選択されました。2つのサイトの放射線成分の変化曲線を図3e（FPVサイト）と図3f（REFサイト）に示します。 DSRは5時30分に上昇し始め、11時に1日のピークに達し、それぞれFPVサイトで282.7W・m−2、REFサイトで262.9W・m−2となった。 DSR の日変動は、11:00 の雨が降り始めた後、ギザギザの変動を示しました。 FPV サイトと REF サイトの放射線の違いを明確に比較するために、異なる共観条件下での放射線成分の変化を表 2 に示しました。一般に、2 つのサイトの正味放射線は「晴れ」の順に減少しました。 -曇り-降雨」などの放射線成分も同じ特性を示します。

一般に、湖上に PV アレイを配置すると、新しい基礎表面が形成されます。 FPV の放射特性変化（1 つのピーク）は、砂漠 8,23 や草原 24 などと同じです。さまざまな下層表面の放射線の違いは、エアロゾル、水蒸気、地形、および気象条件が太陽光に与える影響によるものです。

2 つのサイトにおけるエネルギー流束変化の変化を図 4 に示します。全体として、2 つのサイトの潜熱流束 (LE) は比較的安定していましたが、FPV サイトの顕熱流束 (H) はより明らかな変動を示しています。日射がある場合の REF サイトのそれより。この現象は、太陽光の獲得による PV パネルの温暖化効果により、FPV サイトの気温が REF サイトの気温よりも早く上昇することで説明されます。 ΔQはジグザグ状の変動を示しています。正または負のΔQは、空気から水への熱の吸収または放出を意味します。 ΔQ の値は、正味放射が増加するにつれて徐々に正になり、これは、PV パネルの稼働期間中に水が空気から熱を吸収することを示しています。代わりに、PV パネルが稼働していない期間中、ΔQ はマイナスになります。これは、水が空気に熱を放出することを意味します。湖上に PV アレイを設置した後、PV 稼動期間中に熱を吸収し、PV 非稼動期間中に熱を放出するパターンにより、水と空気の間の熱バランスが達成されます。調査地域は 2020 年 6 月以降に梅雨入りしていたため、晴天の日を選ぶのは非常に困難でした。気象データによると、8 月 16 日は晴天で、空には雲がありませんでした。 REF サイトのエネルギー流束データが欠落していたのは残念でした。したがって、ここでは FPV サイトのエネルギー束のみを分析しました。 FPV サイトにおける H と LE の平均は、それぞれ 29.53 W・m−2 と 56.38 W・m−2 でした。 7:30以前の日射が弱い時間帯では、平均値がわずか0.3 W・m−2のHがLEよりも小さかった。その後、H は LE よりも大きくなり、PV パネルは太陽放射によって継続的に加熱されるため、このプロセスは 14 時 30 分まで続きました。この持続時間は、H に対する DSR 変化プロセスの影響を反映しており、H 変化の速度は太陽光発電パネルの特性によって決定されました 25。 ΔQ の 1 日平均は 16.6 W・m−2 で、これは水域が一般的に空気から熱を吸収することを意味します。特に、6:30 から 16:30 までの ΔQ > 0 は水の貯蔵熱段階であり、他の時間帯は水の放出熱段階でした。したがって、この熱変化プロセスは水環境の安定性を維持する上で重要な役割を果たします。

異なる総観条件（a、晴れの日、b、d、曇りの日、c、e 雨の日）における 2 つのサイト（a ～ c は FPV サイトを表します。d、e は REF サイトを表します）におけるエネルギー束の日次変化。）。

曇天では、FPV サイトの平均 LE は 74.76 W・m−2、REF サイトの平均 LE は 93.42 W・m−2 でした。 FPV サイトの LE は REF サイトの LE よりも小さくなりました。これは、太陽放射を導く湖上の面積が PV アレイのシェーディング効果によって減少したためです。 FPV サイトの H の全体的な変化傾向は、REF サイトのそれよりも大幅に大きかった。しかし、6時半以前と19時以降の日射はありませんでした。したがって、FPV サイトの H は REF サイトの H よりも小さくなりました。 6:30以降のFPVサイトのHは日射とともに増加しました。 1日の最大値は正午12時に140.9W・m−2に達した。その後、日射量の減少に伴って H が減少しました。 FPV サイトの H の変化は、日射が存在する FPV サイトの H の変化よりも大幅に大きくなりました。 6:30 から 18:30 までの FPV サイトと REF サイトの H の平均は、それぞれ 66.09 W・m−2 と 26.19 W・m−2 であった。太陽放射がない場合、FPV サイトと REF サイトの H の平均は、それぞれ 1.33 W/m-2 と 5.98 W/m-2 でした。一般に、2 つのサイトの H に対する日射の影響の寄与は、それぞれ 98% (FPV サイト) と 77% (REF サイト) でした。湖に PV アレイを設置した場合の H に対する影響は、自然湖の H と比較して 1.5 倍になります。したがって、日射量は、FPV 発電所の H の変化プロセスにおいて決定的な役割を果たします。

雨天期間中の H データは除外されており、平均 H は他の概観条件よりも大幅に低かった。有効データムにおける FPV サイトと REF サイトの H はそれぞれ 11.6 W・m−2 と 6.2 W・m−2 であった。 LE の変動は H の法則の逆でした。2 つのサイトの LE はそれぞれ 31.7 W・m-2 (FPV サイト) と 56.9 W・m-2 (REF サイト) でした。 ΔQ は降水による気温の急激な低下によって否定的に説明され、これは空気が水域から熱を吸収して水と空気の熱平衡を達成していることを示しています。

異なる総観条件下での FPV サイトにおける H、LE、および環境要因の関係を図 5 に示します。この部分では、論文の読みやすさを向上させるために、固有名詞とその単位の略称を示しています。これらの略語は次のとおりです: 風速 (U、m・s−1)、水と大気の温度差 (ΔT、℃)、および水と空気の蒸気圧不足 (Δe、kPa)。 Hといくつかの環境要因（U×ΔT、およびΔT）の間の相関は、晴天および曇りの条件下のFPVサイトでは負でした（図5a、b、e、f）。 H と U × ∆T (0.48) & ∆T (0.45) の相関は、晴れの日は曇りの日 (0.23 & 0.24) の 2 倍でした。その結果、H では、晴天の環境要因 U × ΔT および ΔT の駆動力が曇りの日の駆動力よりも大きいことが示されました。LE は、いくつかの環境要因 (U & U × Δe) で正でした。 FPV サイトの晴れの日と曇りの日 (図 5c、d、g、h)。晴れた日の LE と U 間の R2 は 0.15 でした。しかし、この関係 (R2 = 0.003) は曇りの日には非常に弱く、LE が U によって駆動されていないことを示しています。さらに、LE と U × ∆e の間の相関は、同じ共観のもとで U の相関よりも高かったです。条件。したがって、LE の駆動力は U × ∆e によって支配されます。特に、曇り条件下では、LE に対する U × ∆e の説明は 80% 近くになります。

さまざまな総観条件下での FPV サイト内のエネルギー束の推進力。行情報は、さまざまな総観条件を表します (最初の行は晴れ、2 行目は曇り)。列情報は駆動力を表します。左から右へ：U × ΔT、ΔT、U、U × Δe。

曇りの日の REF サイトにおけるエネルギー束 (H & LE) とその駆動力の関係を図 6 に示します。H と一部の駆動力 (U × ∆T および ∆T) の相関は負でした。特に、H と駆動力 (U × ΔT) の関係は非常に弱かった (R2 = 0.012)。 U × ∆T の駆動力は H の変化の約 1% しか説明できません。しかし、曇りの条件下での FPV サイトの H では、駆動力 U × ∆T で説明できるのは 23% (R2 = 0.23) でした。 PV アレイの影の影響は風速に影響し、アレイの温暖化効果は気温を誘導するためです。したがって、同じ気象条件下で湖上に PV アレイを配置した後、駆動力 U × ΔT の説明は H について大幅に改善されました。 LE と U の相関は負であり、同じ気象条件下での FPV サイトの結果とは逆でした。また、曇り条件下では 2 地点で LE と U × Δe との相関が正の相関を示した。しかし、LE と U の相関は 2 つのサイトで異なりました。したがって、LE の変化は U によって決定されるのではなく、複数の駆動力 (U × ∆e) が LE に対して機能します。 Hは、晴れと曇りの条件下でFPVサイトでU×ΔTとΔTによって駆動されました。そして、この相関は、曇り条件下の REF サイトでは弱かった。これらの結果は、自然湖の H は U × ∆T で説明できるという Nordbo らの研究 17 に反していました。 H の U × ∆T の説明は、自然湖上に PV アレイを配置した後に改善されました。 FPV サイトから REF サイトまでの H と U × ΔT の相関は徐々に減少した。一方、FPV サイトから REF サイトまでの LE と U × ∆e の相関は、H と U × ∆T などの駆動力の同じ変化を示しました。エネルギー束と駆動力の間の相関関係の変化は、PV アレイが地域環境に与える影響を示しています。 LE を支配する主な原動力は、晴天と曇天の 2 つのサイトでの U × ∆e でした。この結果は、中国の洱海湖に関する Du らの研究 26 と一致しており、この関係はドイツとフランスの湖でも見られます 17,27。 PV アレイが空気の流れを遮断するため、空気抵抗が減少します。一方、風量が減少するとΔeは増加します。したがって、FPV サイトにおける LE の U × Δe の説明は、REF サイトの説明よりも詳細でした。

曇りの日の REF サイトにおけるエネルギー束の駆動力 ((a) U × ΔT; (b) ΔT; (c) U; (d) U × Δe)。

一般に、図 5 の R2 は 0.15 ～ 0.45 であり、図 6 の R2 は 0.012 ～ 0.24 です。相関値が不十分です。エネルギー流束の推進力となるこれらの気象要因は、Nordbo らの論文に従って選択されました。天然湖での結果17。太陽光パネルの設置によって湖の底面が変化するため、R2 は低くなります。もちろん、私たちの結果は、エネルギー束の推進力が自然の湖へのソーラーパネルの設置によって影響を受けることを示しました。したがって、エネルギー束の駆動力と気象要因の間の関係を相関係数行列によって調査し、自然湖へのソーラーパネルの配備がエネルギー交換に及ぼす影響を説明します。

FPV サイト内のエネルギー束の原動力は、自然の湖とは異なります。エネルギー束の主要な要因を求めるために、さまざまな総観条件下でのFPVサイト内のエネルギー束と環境要因の間の相関係数行列を図7に示します。曇天時の FPV サイトの H は、まず PV 温度 (T_panel) によって支配されました。 H と T_panel の間の相関係数は 0.64 であり、非常に有意でした。 H の 2 番目の影響因子は U × ∆e (0.59) でした。この係数は、T_panel の主要な係数とのロバストな関係 (0.73) であったため、非常に重要です。曇りの日では、H と T_panel の間の相関係数は晴れの日よりもわずかに弱かった (図 7c、0.60)。しかし、H と T_panel の間の相関係数は他よりも最も強いです。したがって、T_panel は、FPV サイトの H の実質的に支配的な影響因子です。 LE の主な制御因子は、FPV サイトの晴れと曇りの条件における U × ∆e です。ただし、LE と U × Δe の相関係数は、曇りの日 (0.89) の方が晴天の相関係数 (0.68) よりも大きかった。

FPV サイトにおける、さまざまな総観条件下でのエネルギー束と環境要因の間のピアソンの相関係数。 (a) 晴れた日の H と環境要因の間のピアソンの相関係数 (U × ∆T, ∆T, U, U × ∆e、T_panel は PV 温度)、(b) 晴れた日の LE と環境要因の間のピアソンの相関係数, (c) (a) と同じですが、総観状態が曇っています。 (d) (b) と同じですが、総観状態が曇っています。赤い楕円は正の相関を表し、青い楕円は負の補正を表し、白いアスタリスクは有意水準 0.05 を表します。

湖上での太陽光発電の導入により、新しいタイプの下層表面が形成されています。空気と湖の境界層の相互作用を理解するために、2 つのサイトにおける放射線、エネルギー束、およびその原動力を分析します。さらに、さまざまな総観条件下での放射線の違いを研究することで、短期スケールでの太陽予報の精度が向上する可能性があります。この研究では、FPV サイトと REF サイトを比較することにより、異なる総観条件下での放射線、エネルギー束、駆動力の違いを分析しました。現場観察と調査から次の結論が導き出されます。

放射線成分は、さまざまな共観条件下で 2 つのサイトで大きく異なりました。 DSR と Rn は晴れた日に 1 つのピークを示しました。ただし、DSR と Rn の滑らかな特性曲線は、他の共観条件では中断されます。 2 つのサイトの 1 日平均 DSR と Rn はそれぞれ 279.1 W・m−2、209.3 W・m−2 でした。さらに、FPV サイトの平均 ULR は参照サイトより 1.73 W・m−2 高い。

T_panel に対する DSR の影響により、H 変化はさまざまな総観条件下で 2 つのサイトで変動しました。 LE は、異なる共観条件下で 2 つのサイトで比較的安定でした。 2 つのサイトの 1 日平均 (曇りの日と雨の日) H は、それぞれ 39.5 W・m−2 (FPV サイト)、19.2 W・m−2 (REF サイト) でした。 LEは53.2 W・m−2、対応品では75.2 W・m−2でした。晴れた日の FPV サイトでは、水域は一般に空気から熱を吸収します (日平均 ΔQ は 16.6 W・m−2 でした)。

FPV サイトにおける H の駆動力は、晴れと曇りの条件下では T_panel によって支配されます。 LE の主な原動力は、FPV サイトの晴れと曇りの条件における U × ∆e です。

2 つのサイトを比較することによる、異なる総観条件下での放射線、エネルギー束、およびその推進力の分析。しかし、この論文には限界があります。観測データの制限により 3 日間を選択して結果が得られました。研究のデータの詳細は補足ファイルに示されています。観測データを気象条件に応じて分類することで、結果の精度が向上する可能性があります。さらに、FPV 発電所が放射線とエネルギー束に及ぼす影響は、その規模に関連していました。実用規模の FPV 発電所が放射線とエネルギー束に及ぼす影響については、さらに研究する必要があります。

この研究中に生成または分析されたすべてのデータは、この公開された論文とその補足情報ファイルに含まれています。

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この研究は、成都情報技術大学科学研究財団 (番号 KYTZ202209)、中国国家重点研究開発プログラム (2018YFB1502800)、および中国国家自然科学財団 (番号 41875017) から資金提供を受けました。

成都情報技術大学大気科学部四川省高原大気環境重点実験室、成都、610225、中国

李ペイドゥ

寒冷地域および乾燥地域における地表プロセスと気候変動の主要研究室、中国科学院西北生態環境資源研究所、蘭州市、730000、中国

Xiaoqing Gao、Zhenchao Li、Tiange Ye、Xiyin Zhou

中国科学院大学資源環境学部、北京、100049、中国

Tiange Ye & Xiyin Zhou

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PDL: 概念化、方法論、ソフトウェア、検証、調査、データキュレーション、原案作成、視覚化。 XQG: リソース、監督、プロジェクト管理、資金調達。 ZCL: リソース、プロジェクト管理、資金調達。 TGY と XYZ: 検証。著者全員が原稿をレビューしました。

ガオ・シャオチンへの対応。

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転載と許可

リー、P.、ガオ、X.、リー、Z. 他漁業補完型太陽光発電所が異なる総観条件下で放射線、エネルギー束、推進力に及ぼす影響。 Sci Rep 13、9084 (2023)。 https://doi.org/10.1038/s41598-023-36314-x

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受領日: 2022 年 12 月 30 日

受理日: 2023 年 5 月 31 日

公開日: 2023 年 6 月 5 日

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

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