Effets d'une centrale photovoltaïque complémentaire de pêche sur le rayonnement, le flux d'énergie et les forces motrices dans différentes conditions synoptiques

Jan 30, 2024

Rapports scientifiques volume 13, Numéro d'article : 9084 (2023) Citer cet article

2 Altmétrique

Détails des métriques

La surface sous-jacente était le support important de l'interaction air-lac par transfert d'énergie. Le déploiement de panneaux photovoltaïques sur le lac a formé un nouveau type de surface sous-jacente. Mais la nouvelle surface sous-jacente est différente du lac naturel. L'impact des centrales photovoltaïques complémentaires de pêche (FPV) sur le rayonnement, le flux d'énergie et la force motrice n'est pas clair. Par conséquent, l'analyse du rayonnement, du flux d'énergie et de la force motrice en comparant la différence entre les deux sites dans diverses conditions synoptiques. Les résultats ont indiqué que les composantes de rayonnement ne sont pas significativement différentes dans les deux sites sous diverses conditions synoptiques. Le rayonnement descendant à ondes courtes (DSR) et le rayonnement net (\({R}_{n}\)) ont été présentés avec un pic lors d'une journée ensoleillée. Le DSR et le Rn moyens quotidiens dans les deux sites étaient de 279,1 W·m−2, 209,3 W·m−2, respectivement. Le flux de chaleur sensible quotidien moyen (jour nuageux et jour de pluie) dans les deux sites était de 39,5 W·m−2 (site FPV), 19,2 W·m−2 (site REF), respectivement. Le flux de chaleur latente était de 53,2 W·m−2 et de 75,2 W·m−2 sur la contrepartie. Le plan d'eau absorbe généralement la chaleur de l'air (le ∆Q moyen quotidien était de 16,6 W·m−2) dans le site FPV par une journée ensoleillée. La force motrice du flux de chaleur sensible dans le site FPV était régie par la température du panneau FPV dans des conditions ensoleillées et nuageuses. Le flux de chaleur latente a été déterminé par le produit entre la vitesse du vent et la différence de température eau-atmosphère.

La centrale photovoltaïque (PV) à grande échelle s'accélère pour atteindre les objectifs de pic de carbone et de neutralité carbone en Chine. Le développement des centrales photovoltaïques occupe une grande quantité de ressources foncières qui sont importantes pour les Chinois. Pendant ce temps, le modèle d'utilisation des terres, la surface sous-jacente et la transmission d'énergie terre-atmosphère ont été modifiés par la présence d'installations photovoltaïques à grande échelle1. Par conséquent, l'équilibre initial du rayonnement et de l'énergie dans la région locale a été rompu par le déploiement d'une centrale photovoltaïque à grande échelle. Les conditions synoptiques à proximité immédiate de la centrale photovoltaïque ont été affectées par le changement du niveau initial de rayonnement et d'énergie. Cependant, peu d'études ont été rapportées sur ces aspects. Les études de l'impact des centrales photovoltaïques sur le microclimat local s'accélèrent dans cette direction. En prenant la température comme exemple, les analyses de différents chercheurs sur l'impact de l'installation photovoltaïque sur la température sont présentées dans le tableau 1. La relation entre les facteurs météorologiques et l'installation photovoltaïque dans les terres a été étudiée dans ces références. La production totale d'électricité installée des centrales photovoltaïques s'accélère ces dernières années. Mais les études de l'impact de la centrale photovoltaïque dans le lac sur le rayonnement et l'énergie ont été moins rapportées. Pendant ce temps, la surface sous-jacente des PV dans les terres est significativement différente de celle des lacs. La centrale photovoltaïque complémentaire de pêche (FPV) est un nouveau type d'utilisation de l'énergie solaire par une centrale photovoltaïque en Chine. Les études de l'impact du FPV sur l'équilibre du rayonnement et du flux d'énergie ont été moins présentées. De plus, la caractéristique du flux de rayonnement après l'installation de panneaux FPV dans le lac dans différentes conditions synoptiques n'est pas claire. Par conséquent, le mécanisme entre la variation du flux de rayonnement et sa force motrice après le déploiement de panneaux FPV dans le lac pour des conditions synoptiques disparates a été exploré pour promouvoir le développement durable de l'industrie PV.

Eddy Covariance (EC) a peu d'hypothèses théoriques dans le processus de calcul pour la mesure du flux d'eau et de chaleur9, ce qui offre la possibilité d'une observation directe du flux à l'échelle de temps et d'espace requise10. C'est la méthode la plus précise lorsque la surface sous-jacente est uniforme, que le terrain est plat et que les conditions atmosphériques sont stables11. Par conséquent, cette méthode a été largement utilisée dans les observations réelles. Sun et al.12 ont analysé les changements de flux d'énergie et d'évaporation de l'eau des lacs du désert de Badain Jaran sur une année (2012.03–2013.03) de données d'observation de la CE. Les résultats ont montré que les caractéristiques quotidiennes et saisonnières des flux de rayonnement à ondes longues et à ondes courtes changent de manière évidente. Le taux d'évaporation annuel moyen du lac est d'environ 4,0 mm·j−1, le taux d'évaporation annuel cumulé est de 1 445 mm·a−1 et l'évaporation annuelle cumulée est de 10 fois les précipitations annuelles cumulées. Potes et al.13 ont analysé l'interaction lac-atmosphère dans le réservoir d'Alqueva à l'été 2014. Au cours de l'étude, l'énergie du réservoir a été principalement libérée sous forme de flux de chaleur sensible et de flux de chaleur latente. Xiao et al.14 ont étudié le mécanisme de contrôle de la variabilité interannuelle de l'évaporation des lacs subtropicaux, ont répondu aux raisons du changement de l'évaporation des lacs sous l'effet du réchauffement climatique sur la base des données de mesure de la CE et du principe du bilan énergétique. Il montre que l'évaporation du lac augmente avec la quantité d'absorption du rayonnement solaire et le rayonnement incident à ondes longues. De plus, la diminution de l'évaporation du lac est principalement causée par l'effet de rétroaction, qui affaiblit le rayonnement réfléchi à ondes longues. Spank et al.15 ont analysé les données d'observation de la CE du plus grand réservoir d'eau potable de Rappbode en Allemagne pendant une saison. Les résultats ont montré que les caractéristiques de variation diurne de la chaleur sensible du réservoir sont différentes de celle de la surface terrestre. La nuit et le jour, le flux de chaleur latente et l'évaporation sont anormalement faibles dans les eaux où l'évaporation n'est pas limitée. Il existe de nombreuses études sur les caractéristiques et les flux de rayonnement des lacs utilisant les données d'observation de la CE, ce qui offre la possibilité d'explorer plus avant la réponse du flux d'énergie du lac et l'interaction lac-air dans le contexte du changement climatique. D'une part, le changement de flux d'énergie a été analysé par la CE en raison de la précision efficace et de l'utilisation généralisée. De plus, les quelques études de flux d'énergie pour la centrale électrique FPV ont été moins rapportées. Par conséquent, les caractères du flux d'énergie dans la centrale électrique FPV ont été disséqués par les données de la CE pour révéler l'impact du déploiement des panneaux photovoltaïques sur le bilan énergétique de la surface du lac dans cet article. La centrale électrique FPV est un nouveau type d'utilisation de l'énergie solaire par déploiement de panneaux solaires à la surface de l'eau. Le développement de la centrale FPV est une percée dans l'exploitation du champ de l'énergie solaire en raison de la région installée sans limitation de terrain. Cependant, il existe une grande différence de propriété entre les panneaux solaires et la surface sous-jacente du lac. C'est une surface sous-jacente intégrée après l'installation des panneaux solaires sur la zone d'origine. Le rayonnement solaire et le bilan énergétique de la zone locale ont été affectés par le déploiement de la centrale électrique FPV. Il est bien connu que l'interaction lac-atmosphère est dominée par l'équilibre à la fois du rayonnement et de l'énergie. La modification du bilan radiatif et énergétique est ensuite conduite sur les conditions synoptiques locales. À l'heure actuelle, il existe de nombreuses études sur la variation du flux de rayonnement et du flux d'énergie dans les centrales photovoltaïques7,8,16. Mais la caractéristique du rayonnement et de l'équilibre énergétique dans différentes conditions synoptiques pour la centrale FPV a été moins rapportée. Par conséquent, notre étude comble cette lacune de la recherche, peut-être pour modifier la précision de la prévision du rayonnement solaire due à notre article afin de prendre en compte l'impact des conditions météorologiques sur le rayonnement solaire.

Les caractéristiques du rayonnement et du flux d'énergie dans différentes conditions synoptiques pour la centrale électrique FPV ont été analysées dans notre article. Pendant ce temps, le flux d'énergie et sa force motrice et les principaux paramètres environnementaux ont été donnés pour améliorer la compréhension de la fonction interactive entre la surface de l'eau et l'atmosphère après l'installation des panneaux photovoltaïques sur le lac. De plus, cette étude a peut-être contribué à améliorer la reconnaissance de l'impact du climat à micro-échelle sur la prédiction du rayonnement solaire.

L'essai a été mené sur la base de démonstration photovoltaïque complémentaire de pêche de 10 MW de Tongwei Huantai. Cette base est située dans la ville de Yangzhong, dans la province du Jiangsu, dans l'est de la Chine. Yangzhong est situé au milieu de la zone climatique de mousson subtropicale du nord, avec un climat doux, des précipitations abondantes et la même saison de pluie et de chaleur. De janvier à décembre 2019, la température moyenne à Yangzhong était de 17,1 °C, les précipitations annuelles étaient de 791,8 mm et le temps d'ensoleillement annuel cumulé était de 1792,2 h. Les changements de rayonnement et de flux d'énergie des panneaux photovoltaïques installés sur le lac ont été capturés en comparant les résultats de la tour d'observation du flux à l'intérieur et à l'extérieur de la centrale électrique FPV. La zone d'étude et l'emplacement de la tour d'observation du flux sont illustrés à la Fig. 1. Les coordonnées centrales de la zone d'étude sont 32°17′5′′ N, 119°47′39′′ E et l'altitude est de 2 m. La base de démonstration photovoltaïque complémentaire de la pêche est composée de quatre étangs de 5,7 à 8,9 acres. Le FPV est situé au centre de l'étang avec une profondeur d'eau d'environ 2,5 m à 3 m. La distance entre la tour d'observation du flux à l'intérieur de la centrale FPV (le site FPV, broche bleue) et la tour d'observation du flux extérieur (le site de référence, abrégé en site REF, broche rouge) est d'environ 251 m par Google Earth, comme indiqué sur la Fig. 1a. Les détails de deux tours comme indiqué sur la Fig. 1b (le site FPV) et la Fig. 1c (le site de référence).

Emplacement de la zone d'étude de la centrale photovoltaïque complémentaire à Yangzhong, province du Jiangsu, Chine (a). La tour d'observation du flux était marquée par une épingle, l'épingle bleue était le site FPV et l'épingle rouge était le site REF. La photo de la tour pour le site FPV a été montrée en (b) et pour le site REF a été montrée en (c).

La hauteur de la tour d'observation des flux est d'environ 11 m pour les deux sites. L'équipement de la tour d'observation de flux pour le site FPV est illustré à la Fig. 2. L'équipement du site FPV est le même que celui du site REF. Les appareils de mesure comprenaient un système Eddy-Covariance (ECS), un radiomètre net, un capteur de température à trois couches. Mais la hauteur d'installation de l'ECS et du radiomètre net sur le site FPV est supérieure à celle du site REF en raison de l'impact du panneau PV. Les détails de la description des appareils de mesure ont été enregistrés comme suit. La coordination du site FPV est 32°18′9.00′′ N, 119°47′33.45′′ E. L'ECS (IRGASON-IC-BB, Campbell Scientific) a été monté sur la tour pour une hauteur de 4,5 m. La hauteur installée de l'ECS pour le site FPV est de 2 m plus élevée que le sommet du panneau photovoltaïque pour éviter l'influence horizontale du soulèvement du vent. Le net radiomètre (CNR4, Kipp & Zonen) était installé dans la tour de flux à une hauteur de 10 m, l'angle d'observation de la sonde était de 125°. Les trois capteurs de température de l'eau (109SS, Campbell Scientific) ont été placés à une profondeur de 0,05 m, 0,75 m et 1,5 m, respectivement. Les capteurs de température de l'eau étaient attachés à la bouée et montaient ou descendaient au fur et à mesure que le niveau de l'eau changeait pour s'assurer que la position de chaque sonde par rapport à la surface de l'eau était fondamentalement inchangée. La coordination du site REF est 32°18′4.60′′ N, 119°47′25.30′′ E. L'équipement des appareils de mesure du site REF est le même que celui du site FPV. Mais la hauteur d'installation de l'ECS et du radiomètre net était de 3 m et 2 m sans panneaux PV sur le site REF, respectivement.

Schéma de principe des appareils de mesure du site FPV.

La collecte des données d'ECS commence le 15 novembre 2019, les données haute fréquence (10 Hz) sont stockées dans un enregistreur de données CR3000 (Campbell Inc, USA) et le flux moyen demi-horaire est calculé en ligne par le logiciel Eddy Pro. Les appareils de mesure ont été maintenus à temps tous les mois pour assurer l'exactitude et la qualité des données.

Les données de flux d'une demi-heure ont été effectuées sur le terrain, la correction de tendance, la rotation des coordonnées secondaires, la correction de l'angle de l'anémomètre à ultrasons Gill, la correction du délai, la correction de la fausse température ultrasonique du flux de chaleur sensible, la correction de la réponse en fréquence et la correction de la vapeur d'eau par le logiciel Eddy Pro (v7.0.6). Enfin, le flux de chaleur sensible moyen (H) et le flux de chaleur latente (LE) ont été calculés selon la méthode EC, comme suit les formules (1) et (2).

où \(\rho\)(kg·m−3) est la densité de l'air, \({C}_{p}\) est la chaleur spécifique à pression constante de 1004,67 J·kg−1·K−1. \(\lambda\) est la chaleur latente de l'eau (2,5 × 106 J·kg−1). Et les paramètres \({\theta }^{^{\prime}}\)(K),\({q}^{^{\prime}}\)(kg·kg-1) et \({\omega }^{^{\prime}}\)(m·s−1) sont les écarts par rapport aux moyennes temporelles de la température de l'air, de l'humidité spécifique et de la vitesse verticale du vent, respectivement.

Comme le radiomètre net est moins affecté par les conditions météorologiques, les données brutes du rayonnement descendant à ondes courtes (\(DSR\)), du rayonnement ascendant à ondes courtes (\(USR\)), du rayonnement descendant à ondes longues (\(DLR\)) et du rayonnement ascendant à ondes longues (\(ULR\)) n'ont pas besoin d'être traitées. Le rayonnement net (\({R}_{n}\)) est calculé par la formule (3).

Un lac entier est un objet de recherche pour évaluer le bilan énergétique, le bilan énergétique d'un lac Eq. (4) peut être exprimée par la formule suivante17 :

où \(R_{n}\) est le rayonnement net, \(\Delta Q\) est le stockage de chaleur de l'eau du lac, \(H\) est le flux de chaleur sensible, \(LE\) est le flux de chaleur latente, \(\Delta {Q}_{B}\) est le flux de chaleur des sédiments du lac, \(\Delta {Q}_{F}\) est le changement de stockage de chaleur du ruissellement et à travers le lac, \(\Delta {Q}_{P}\ ) est la variation du stockage de chaleur causée par les précipitations. Les unités de rayonnement et de flux dans notre article sont W·m−2.

Parce que le lac est fermé, il n'y a pas d'échange de chaleur causé par l'échange des masses d'eau entrantes et sortantes, donc \(\Delta {Q}_{F}\) peut être ignoré. La variation quotidienne de \(\Delta {Q}_{B}\) et \(\Delta {Q}_{P}\) par rapport à \(H\) et \(LE\) peut également être ignorée, de sorte que l'équation du bilan énergétique peut être simplifiée à la formule suivante (5) :

où \({R}_{n}-\Delta Q\) est l'énergie disponible, \(H+LE\) est le flux d'énergie turbulent.

Le stockage de chaleur \(\Delta Q\) de la masse d'eau est calculé en fonction du changement temporel de la température moyenne du lac, comme indiqué dans la formule suivante (6) :

où \({\rho }_{w}\) est la masse volumique de l'eau (kg·m−3), \({c}_{pw}\) est la capacité calorifique spécifique de l'eau (4192 J·kg−1·K−1)17 ; \(z\) est la profondeur maximale du profil de température de l'eau mesuré sur le lac (m).

Le profil vertical du changement de température de l'eau a été obtenu par les trois couches (0,05 m, 0,75 m et 1,5 m) d'observation de la température de l'eau, puis la température moyenne pondérée de l'eau est calculée pour obtenir le changement de température moyenne pondérée de l'eau dans un pas de temps fixe (30 min). La formule (7) est la suivante :

où \({T}_{w,i}\) représente la température moyenne de l'eau de la première couche \(i\), \(\Delta {z}_{i}\) est l'épaisseur de la couche d'eau de la première couche \(i\).

Les changements du flux radiant quotidien sur le lac dans deux sites sont illustrés à la Fig. 3. En général, la variation diurne de DSR, Rn et USR est généralement présentée comme un type de pic évident, avec des pics apparaissant entre 11h00 et 12h30 à Pékin. DLR et ULR sont relativement plus stables que les autres composants de rayonnement. Et les changements de DSR et Rn sont plus synchronisés, car la fluctuation de DLR, ULR et USR était très faible sur toute la journée.

Flux de rayonnement quotidien dans les deux sites (la première colonne est le site FPV, la deuxième colonne est le site REF) sous différentes conditions synoptiques (différentes lignes représentent les différentes conditions synoptiques, la première ligne est ensoleillée, la deuxième ligne est nuageuse, la troisième ligne est pluvieuse).

Le 16 août 2020 était une journée ensoleillée typique et les courbes de flux de rayonnement dans deux sites étaient relativement lisses (Fig. 2a, b). A partir de 6h00, DSR augmente progressivement avec le rayonnement solaire. Les pics DSR étaient de 897 W·m−2 sur le site FPV et de 875 W·m−2 sur le site REF à 12h30 et 12h00 à Pékin, respectivement. La DSR est principalement affectée par des éléments météorologiques tels que la couverture nuageuse et les aérosols18,19. La variation quotidienne de l'USR pour le site FPV est supérieure à celle du site REF car l'albédo (albédo = USR/DSR) a été augmenté (l'albédo du site FPV était de 6,56 %, l'albédo du site REF était de 6,63 %) par temps ensoleillé. Mais Li et al. ont constaté que l'albédo est diminué après le déploiement des générateurs photovoltaïques sur le lac20. Parce que l'albédo du lac est supérieur aux matériaux des panneaux photovoltaïques. Par conséquent, la qualité environnementale de l'eau du lac peut être améliorée par le déploiement de panneaux photovoltaïques. L'albédo est plus élevé pour provoquer l'eutrophisation des masses d'eau21. De plus, le déploiement de générateurs photovoltaïques sur le lac peut également modifier les propriétés thermiques de deux sites, ce qui se présente principalement dans la différence par rapport à la réflexion des ondes longues. Le minimum quotidien d'ULR dans le site FPV était de 470,4 W·m−2 à 5 h 30, et le minimum ULR est apparu 30 min plus tard dans le site REF (482 W·m−2) que dans le site FPV plus tard 30 min.

Avec l'augmentation du rayonnement solaire, l'ULR du site FPV était supérieur à celui du site REF à 7h30. Le pic quotidien ULR dans le site FPV apparaît à 12h30 à 559,2 W·m-2. Le pic quotidien ULR au site REF apparaît à 14h30 à 525,7 W·m−2. La gamme diurne du rayonnement à ondes longues à la surface du lac dans le site FPV et dans le site REF est de 88,8 W·m−2 et 43,7 W·m−2, respectivement. On peut clairement voir que la plage diurne du rayonnement à ondes longues dans le site FPV était supérieure à celle du site REF. Pour le rayonnement net, la différence entre les deux sites n'était pas évidente. Le rayonnement net dans le site FPV culmine à 12h00 à 757 W·m−2, et le rayonnement net dans le site REF culmine à 12h30 à 790 W·m−2. L'heure de l'état de rayonnement net qui était positif (6h00) ou négatif (19h00) était la même dans les deux sites, et le changement de DSR était également synchronisé avec le rayonnement net.

La variation de la composante de rayonnement a été analysée dans deux sites (Fig. 3c, d) pour le jour nuageux du 1er juillet 2020. La tendance de la DSR dans deux sites était un changement synchrone. La DSR est apparue caractéristique en dents de scie sur deux sites de 8h30 à 15h00 en raison de l'influence des nuages. Le DSR moyen dans le site FPV et le site REF était de 226,48 W·m−2 et 214,10 W·m−2, respectivement. L'USR moyenne du site FPV était inférieure de 1,4 W·m−2 à celle du site REF. Les tendances DLR dans deux sites sont bien synchronisées, et la moyenne dans le site FPV et le site REF est de 420,08 W·m−2 et 416,64 W·m−2, respectivement. L'impact maximal des générateurs photovoltaïques sur la composante de rayonnement est principalement présenté dans la différence d'ULR dans deux sites. Le panneau PV chauffe plus rapidement que l'eau avec l'augmentation du rayonnement solaire car la chaleur spécifique du panneau PV (950 J·kg−1·K−1)22 est inférieure à celle de l'eau (4184 J·kg−1·K−1). L'ULR sur le site FPV avait atteint le pic de la journée à 12h00 avec 505,7 W·m−2. Au contraire, le pic du site FPV était décalé par rapport au site REF et il apparaît à 14h00 sous la forme de 469,5 W·m-2. La variation de l'URL du site FPV était supérieure à celle du site FPV avec le rayonnement solaire qui diminuait. L'ULR dans le site FPV diminue de manière significative après 18h00 pour atteindre le minimum à 4h00 par jour à 437,6 W·m−2.

Le jour de pluie a été sélectionné le 6 juillet 2020. La courbe de variation des composantes de rayonnement dans les deux sites est illustrée sur la Fig. 3e (le site FPV) et la Fig. 3f (le site REF). Le DSR a commencé à augmenter à 5h30 et a atteint le pic quotidien à 11h00 avec 282,7 W·m−2 sur le site FPV et 262,9 W·m−2 sur le site REF, respectivement. La variation quotidienne de DSR a présenté une fluctuation irrégulière après le début de la pluie à 11h00. Afin de comparer clairement la différence de rayonnement entre le site FPV et le site REF, la variation des composantes de rayonnement sous différentes conditions synoptiques a été présentée dans le tableau 2. En général, le rayonnement net dans les deux sites a diminué dans l'ordre "ensoleillé-nuageux-pluies", et d'autres composantes de rayonnement présentent également les mêmes caractéristiques.

En général, le déploiement de panneaux photovoltaïques sur le lac forme une nouvelle surface sous-jacente. Le changement de caractéristique de rayonnement du FPV (un pic) est le même que celui du désert8,23, des prairies24, et al. La différence de rayonnement sur diverses surfaces sous-jacentes provient de l'impact des aérosols, de la vapeur d'eau, du terrain et des conditions météorologiques sur la lumière du soleil.

La variation des changements de flux d'énergie dans les deux sites est illustrée à la Fig. 4. Dans l'ensemble, le flux de chaleur latente (LE) dans les deux sites était relativement stable, et le flux de chaleur sensible (H) dans le site FPV a des fluctuations plus évidentes que celui du site REF lorsqu'il y a un rayonnement solaire. Ce phénomène s'explique par le fait que la température de l'air dans le site FPV augmente plus rapidement en raison de l'effet de réchauffement du panneau PV avec l'obtention du solaire que la température de l'air dans le site REF. ∆Q a montré une fluctuation en zigzag. Le ∆Q positif ou négatif signifie absorber ou libérer la chaleur de l'air vers l'eau. La valeur de ∆Q devient progressivement positive avec l'augmentation du rayonnement net, ce qui indique que l'eau absorbe la chaleur de l'air pendant la période de fonctionnement des panneaux PV. Au lieu de cela, ∆Q est négatif pendant la période de non-fonctionnement des panneaux PV, ce qui signifie que l'eau libère de la chaleur dans l'air. Le schéma d'absorption pendant la période de fonctionnement du PV et de libération de chaleur pendant la période de non-fonctionnement du PV après l'installation de générateurs photovoltaïques sur le lac a atteint l'équilibre thermique entre l'eau et l'air. La sélection d'une journée ensoleillée a été très difficile car la zone d'étude entrait dans la saison des pluies après juin 2020. Le 16 août, c'était une journée ensoleillée et il n'y avait pas de nuage dans le ciel selon nos données météorologiques. Il était dommage que les données de flux d'énergie dans le site REF manquaient. Par conséquent, le flux d'énergie dans le site FPV n'a été analysé qu'ici. La moyenne de H et LE dans le site FPV était de 29,53 W·m−2 et 56,38 W·m−2, respectivement. Le H avec une valeur moyenne de seulement 0,3 W·m−2 était plus petit que LE lors d'un faible rayonnement solaire avant 7h30. Ensuite, le H était supérieur au LE et ce processus a duré jusqu'à 14h30 car les panneaux PV chauffent en continu avec le rayonnement solaire. Cette durée était reflétée par l'influence du processus de changement de DSR sur le H, et le taux de changement de H était déterminé par les propriétés du panneau photovoltaïque25. La moyenne quotidienne de ∆Q était de 16,6 W·m−2, ce qui signifie que la masse d'eau absorbe généralement la chaleur de l'air. En particulier, ∆Q > 0 de 6h30 à 16h30 était la phase de chaleur de stockage de l'eau et d'autres périodes étaient la phase de libération de l'eau de la chaleur. Par conséquent, ce processus de changement de chaleur joue un rôle important dans le maintien de la stabilité de l'environnement aquatique.

Variations quotidiennes du flux d'énergie dans les deux sites (a–c pour le site FPV ; d,e pour le site REF) sous différentes conditions synoptiques (a, jour ensoleillé ; b, d, jour nuageux ; c, e jour de pluie).

Par temps nuageux, le LE moyen sur le site FPV était de 74,76 W·m−2, et le LE moyen sur le site REF était de 93,42 W·m−2. Le LE du site FPV était plus petit que celui du site REF parce que la zone sur le lac de direction du rayonnement solaire était réduite par l'effet d'ombrage des panneaux photovoltaïques. La tendance globale au changement du H dans le site FPV était significativement supérieure à celle du site REF. Mais le rayonnement solaire avant 6h30 et après 19h00 était absent. Par conséquent, le H du site FPV était plus petit que celui du site REF. Le H dans le site FPV après 6h30 a augmenté avec le rayonnement solaire. elle atteint le maximum journalier à 12h00 avec 140,9 W·m−2. Par la suite, le H a diminué avec le déclin du rayonnement solaire. Le changement de H dans le site FPV était significativement supérieur à celui du site FPV avec la présence de rayonnement solaire. La moyenne de H dans le site FPV et le site REF était de 66,09 W·m−2 et 26,19 W·m−2 de 6h30 à 18h30, respectivement. En l'absence de rayonnement solaire, la moyenne de H dans le site FPV et le site REF était de 1,33 W·m−2 et 5,98 W·m−2, respectivement. En général, la contribution de l'impact du rayonnement solaire sur le H dans les deux sites était respectivement de 98% (site FPV) et 77% (site REF). L'impact de l'installation du générateur photovoltaïque dans le lac sur le H est de 1,5 fois par rapport au H du lac naturel. Par conséquent, le rayonnement solaire joue un rôle décisif dans le processus de changement de H pour la centrale FPV.

Les données H pendant la période de temps pluvieux ont été éliminées et le H moyen était significativement inférieur aux autres conditions synoptiques. Le H du site FPV et du site REF dans la donnée effective était de 11,6 W·m−2 et 6,2 W·m−2, respectivement. La variation de LE était à l'opposé de la règle de H. Le LE dans les deux sites était de 31,7 W·m−2 (site FPV) et de 56,9 W·m−2 (site REF), respectivement. ∆Q a été expliqué négativement par la chute brutale de la température de l'air pour les précipitations, ce qui indique que l'air absorbe la chaleur de la masse d'eau pour atteindre un équilibre thermique eau-air.

La relation entre le H, LE et les facteurs environnementaux dans le site FPV dans différentes conditions synoptiques a été illustrée à la Fig. 5. L'abréviation d'un nom propre et de son unité dans cette partie a été donnée pour améliorer la lisibilité de l'article. Ces abréviations sont les suivantes : vitesse du vent (U, m·s−1), différence de température eau-atmosphère (∆T, ℃) et déficit de pression de vapeur eau-air (∆e, kPa). La corrélation entre H et certains facteurs environnementaux (U × ∆T et ∆T) était négative sur le site FPV dans des conditions ensoleillées et nuageuses (Fig. 5a, b, e, f). La corrélation entre H et U × ∆T (0,48) & ∆T (0,45) par temps ensoleillé était deux fois plus élevée que celles par temps nuageux (0,23 & 0,24). Le résultat a indiqué que la force motrice des facteurs environnementaux U × ∆T et ∆T par temps ensoleillé était supérieure à celle par temps nuageux pour H. Le LE était positif avec certains facteurs environnementaux (U & U × ∆e) par temps ensoleillé et jour nuageux (Fig. 5c,d,g,h) pour le site FPV. Le R2 entre LE et U était de 0,15 par temps ensoleillé. Mais cette relation (R2 = 0,003) était très faible par temps nuageux indiquant que le LE n'était pas piloté par le U. De plus, la corrélation entre le LE et le U × ∆e était plus élevée que celle du U dans les mêmes conditions synoptiques. Par conséquent, la force motrice de LE est dominée par le U × ∆e. En particulier, l'explication de U × ∆e au LE est proche de 80 % dans des conditions nuageuses.

Force motrice du flux d'énergie dans le site FPV sous différentes conditions synoptiques. Les informations de la ligne correspondent aux différentes conditions synoptiques (la première ligne est ensoleillée, la deuxième ligne est nuageuse). Les informations de la colonne représentent la force motrice. De gauche à droite : U × ∆T, ∆T, U et U × ∆e.

La relation entre le flux d'énergie (H & LE) et sa force motrice dans le site REF par temps nuageux a été illustrée à la Fig. 6. La corrélation de H et de certaines forces motrices (U × ∆T et ∆T) était négative. En particulier, la relation entre H et la force motrice (U × ∆T) était très faible (R2 = 0,012). La force motrice de U × ∆T ne peut expliquer qu'environ 1 % du changement de H. Mais l'explication de la force motrice U × ∆T était de 23 % (R2 = 0,23) pour H dans le site FPV dans des conditions nuageuses. Parce que l'effet d'ombrage des panneaux photovoltaïques affecte la vitesse du vent et que l'effet de réchauffement des panneaux induit la température de l'air. Par conséquent, l'explication de la force motrice U × ∆T a été significativement améliorée pour H après le déploiement de générateurs photovoltaïques sur le lac dans les mêmes conditions météorologiques. La corrélation entre LE et U était négative, ce qui était contraire au résultat sur le site FPV dans les mêmes conditions météorologiques. De plus, la corrélation entre LE et U × ∆e était positive dans deux sites sous une condition nuageuse. Mais la corrélation de LE et U était différente dans les deux sites. Par conséquent, le changement de LE n'était pas déterminé par le U et les forces motrices multiples (U × ∆e) étaient fonctionnelles pour LE. Le H était entraîné par le U × ∆T et ∆T sur le site FPV dans des conditions ensoleillées et nuageuses. Et cette corrélation était faible dans le site REF dans des conditions nuageuses. Ces résultats étaient contraires à l'étude de Nordbo et al.17 selon laquelle le H sur un lac naturel peut être expliqué par le U × ∆T. L'explication de U × ∆T pour le H a été améliorée après le déploiement des générateurs PV sur le lac naturel. La corrélation entre H et U × ∆T du site FPV au site REF a diminué progressivement. Pendant ce temps, la corrélation entre LE et U × ∆e du site FPV au site REF présentait le même changement de H et une certaine force motrice, telle que U × ∆T. Le changement de corrélation entre le flux d'énergie et les forces motrices a indiqué l'impact des panneaux photovoltaïques sur l'environnement local. La principale force motrice de la domination du LE était U × ∆e dans les deux sites sous des conditions ensoleillées et nuageuses. Ce résultat est cohérent avec l'étude de Du et al.26 sur le lac Erhai en Chine, et cette relation se retrouve également dans des lacs en Allemagne et en France17,27. Parce que les panneaux photovoltaïques bloquent le flux d'air, ce qui entraîne une réduction de la résistance de l'air. Pendant ce temps, le ∆e augmente avec la diminution du débit d'air. Par conséquent, l'explication de U × ∆e pour LE dans le site FPV était supérieure à celle du site REF.

Force motrice du flux d'énergie ((a) U × ∆T ; (b) ∆T ; (c) U ; (d) U × ∆e) dans le site REF dans le site REF par temps nuageux.

En général, sur la figure 5, R2 est de 0,15 à 0,45 et sur la figure 6, R2 est de 0,012 à 0,24. La valeur de corrélation est insuffisante. Ces facteurs météorologiques pour la force motrice du flux d'énergie ont été sélectionnés selon Nordbo et al. résultats sur lac naturel17. Le R2 est inférieur en raison de la modification de la surface sous-jacente du lac par l'installation de panneaux solaires. Bien sûr, nos résultats ont indiqué que la force motrice du flux d'énergie est affectée par le déploiement de panneaux solaires sur les lacs naturels. Par conséquent, la relation entre la force motrice du flux d'énergie et les facteurs météorologiques est explorée par la matrice des coefficients de corrélation pour illustrer l'effet du déploiement de panneaux solaires sur les lacs naturels sur l'échange d'énergie.

La force motrice du flux d'énergie dans le site FPV est différente de celle du lac naturel. La matrice de coefficients de corrélation entre le flux d'énergie et les facteurs environnementaux dans le site FPV dans différentes conditions synoptiques est illustrée à la Fig. 7 pour rechercher le facteur principal du flux d'énergie. Le H dans le site FPV dans des conditions nuageuses a d'abord été dominé par la température PV (T_panel). Le coefficient de corrélation entre H et T_panel était de 0,64 et il était très significatif. Le deuxième facteur d'influence de H était le U × ∆e (0,59). Ce facteur est d'autant plus important qu'il s'agissait d'une relation robuste (0,73) avec le facteur majeur de T_panel. Par temps nuageux, le coefficient de corrélation entre H et T_panel était légèrement plus faible que par temps ensoleillé (Fig. 7c, 0,60). Mais le coefficient de corrélation entre H et T_panel est le plus fort que les autres. Par conséquent, le T_panel est le facteur d'influence dominant substantiel du H pour le site FPV. Le principal facteur de contrôle de LE est U × ∆e dans des conditions ensoleillées et nuageuses pour le site FPV. Mais le coefficient de corrélation entre LE et U × ∆e par temps nuageux (0,89) était supérieur à celui par temps ensoleillé (0,68).

Coefficients de corrélation de Pearson dans le site FPV entre le flux d'énergie et les facteurs environnementaux dans différentes conditions synoptiques. (a) Coefficients de corrélation de Pearson entre H et les facteurs environnementaux (U × ∆T, ∆T, U, U × ∆e, T_panel est la température PV) par temps ensoleillé, (b) Coefficients de corrélation de Pearson entre LE et les facteurs environnementaux par temps ensoleillé, (c) Identique à (a), mais la condition synoptique est nuageuse, (d) Identique à (b), mais la condition synoptique est nuageuse. L'ellipse rouge représente une corrélation positive, l'ellipse bleue représente une correction négative et l'astérisque blanc représente le niveau de signification de 0,05.

Le déploiement du PV sur le lac forme un nouveau type de surface sous-jacente. L'analyse du rayonnement, du flux d'énergie et de sa force motrice dans les deux sites pour comprendre l'interaction de la couche limite air-lac. De plus, l'étude de la différence de rayonnement dans diverses conditions synoptiques peut améliorer la précision des prévisions solaires à court terme. L'étude a analysé la différence de rayonnement, de flux d'énergie et de force motrice dans différentes conditions synoptiques en comparant le site FPV et le site REF. Les conclusions suivantes sont tirées des observations et de l'enquête sur place :

Les composantes de rayonnement étaient significativement différentes dans les deux sites sous diverses conditions synoptiques. Le DSR et le Rn ont été présentés avec un pic lors d'une journée ensoleillée. Mais la courbe caractéristique lisse en DSR et Rn est interrompue sur d'autres conditions synoptiques. Le DSR et le Rn moyens quotidiens dans les deux sites étaient de 279,1 W·m−2, 209,3 W·m−2, respectivement. De plus, l'ULR moyen dans le site FPV est supérieur de 1,73 W·m−2 à celui du site de référence.

Le changement de H était fluctuant dans les deux sites sous diverses conditions synoptiques en raison de l'impact de DSR sur T_panel. Le LE était relativement stable dans les deux sites dans des conditions synoptiques différentes. La moyenne quotidienne (jour nuageux et jour de pluie) H dans les deux sites était de 39,5 W·m−2 (site FPV), 19,2 W·m−2 (site REF), respectivement. Le LE était de 53,2 W·m−2 et 75,2 W·m−2 sur la contrepartie. Le plan d'eau absorbe généralement la chaleur de l'air (le ∆Q moyen quotidien était de 16,6 W·m−2) dans le site FPV par une journée ensoleillée.

La force motrice de H dans le site FPV est régie par le T_panel dans des conditions ensoleillées et nuageuses. La principale force motrice de LE est U × ∆e dans des conditions ensoleillées et nuageuses pour le site FPV.

L'analyse du rayonnement, du flux d'énergie et de ses forces motrices dans différentes conditions synoptiques en comparant les deux sites. Mais il y a des limites dans cet article. Les résultats ont été obtenus par la sélection de trois jours en raison de la limitation des données d'observation. Les détails des données de l'étude sont présentés dans le fichier supplémentaire. La précision des résultats peut être améliorée par la classification des données d'observation en fonction des conditions météorologiques. De plus, l'impact de la centrale FPV sur le rayonnement et le flux d'énergie était lié à son échelle. Les effets des centrales électriques FPV à grande échelle sur le rayonnement et le flux d'énergie doivent être étudiés plus avant.

Toutes les données générées ou analysées au cours de cette étude sont incluses dans cet article publié et ses fichiers d'informations complémentaires.

Chang, R. et al. Un modèle méso-échelle couplé WRF-PV simulant le climat proche de la surface des centrales photovoltaïques à grande échelle. Sol. Énergie 245, 278–289. https://doi.org/10.1016/j.solener.2022.09.023 (2022).

Annonces d'article Google Scholar

Sato, K., Sinha, S., Kumar, B. & Kojima, T. Mécanisme d'auto-refroidissement dans les cellules photovoltaïques et son impact sur l'effet d'îlot de chaleur des systèmes photovoltaïques à très grande échelle dans les déserts. Désert Rés. J. Désert Soc. Japon. 19, 5–8 (2009).

Google Scholar

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

Taha, H. Le potentiel d'impact sur la température de l'air du déploiement à grande échelle de panneaux solaires photovoltaïques dans les zones urbaines. Sol. Énergie 91, 358–367. https://doi.org/10.1016/j.solener.2012.09.014 (2013).

Article CAS ADS Google Scholar

Yin, D. et al. Effet d'une grande centrale photovoltaïque sur le microclimat de la région désertique du bassin de Gonghe. Taureau. Conservation de l'eau du sol 37, 15-21 (2017).

Google Scholar

Li, Y. et al. Le modèle climatique montre que les parcs éoliens et solaires à grande échelle dans le Sahara augmentent la pluie et la végétation. Sciences 361, 1019-1022. https://doi.org/10.1126/science.aar5629 (2018).

Article CAS PubMed ADS Google Scholar

Chang, R. et al. Impacts observés du rayonnement de surface et de la température du déploiement à grande échelle de l'énergie photovoltaïque dans la zone aride de Gonghe, en Chine. Renouveler. Énergie 118, 131–137 (2018).

Article Google Scholar

Broadbent, AM, Krayenhoff, ES, Georgescu, M. & Sailor, DJ Les effets observés du photovoltaïque à grande échelle sur la température de l'air près de la surface et le bilan énergétique. J. Appl. Météorol. Climatol. 58, 989-1006 (2019).

Annonces d'article Google Scholar

Liang, S. & Wang, J. Télédétection avancée : extraction d'informations terrestres et applications (Academic Press, 2019).

Google Scholar

Baldocchi, DD, Hincks, BB & Meyers, TP Mesure des échanges biosphère-atmosphère de gaz biologiquement liés avec des méthodes micrométéorologiques. Écologie 69, 1331–1340 (1988).

Article Google Scholar

Kurbatova, J. et al. Comparaison des échanges d'énergie et de masse entre l'écosystème et l'atmosphère dans une tourbière de Russie européenne et de Sibérie centrale I. Variabilité intersaisonnière et interannuelle des flux d'énergie et de chaleur latente pendant la période sans neige. Tellus B : Chem. Phys. Météorol. 54, 497-513 (2002).

Annonces Google Scholar

Sun, J. et al. Mesures de covariance turbulente de la vapeur d'eau et du flux d'énergie au-dessus d'un lac dans le désert de Badain Jaran, en Chine. J. Arid. Terrain 10, 517–533. https://doi.org/10.1007/s40333-018-0057-3 (2018).

Article Google Scholar

Potes, M. et al. Interactions lac-atmosphère au réservoir d'Alqueva : une étude de cas à l'été 2014. Tellus A 69, 1272787 (2017).

Annonces d'article Google Scholar

Xiao, W. et al. Le rayonnement contrôle la variabilité interannuelle de l'évaporation d'un lac subtropical. J. Geophys. Rés.-Atmos. https://doi.org/10.1029/2019JD031264 (2020).

Article Google Scholar

Spank, U., Hehn, M., Keller, P., Koschorreck, M. & Bernhofer, C. Une saison de flux de covariance de Foucault au-dessus d'un vaste plan d'eau basé sur des observations d'une plate-forme flottante. Lié.-Couche Météorol. 174, 433–464. https://doi.org/10.1007/s10546-019-00490-z (2020).

Annonces d'article Google Scholar

Yang, LW et al. Etude sur les effets climatiques locaux des grandes fermes solaires photovoltaïques en zone désertique. Sol. Énergie 144, 244–253. https://doi.org/10.1016/j.solener.2017.01.015 (2017).

Annonces d'article Google Scholar

Nordbo, A. et al. Mesures de flux d'énergie à long terme et bilan énergétique sur un petit lac boréal à l'aide de la technique de covariance des tourbillons. J. Geophys. Rés. Atmos. https://doi.org/10.1029/2010jd014542 (2011).

Article Google Scholar

Bartoszek, K., Matuszko, D. & Soroka, J. Relations entre la nébulosité, l'épaisseur optique des aérosols et la durée d'ensoleillement en Pologne. Atmos. Rés. 245, 105097 (2020).

Article Google Scholar

Yang, X., Zhao, C., Zhou, L., Wang, Y. & Liu, X. Impact distinct de différents types d'aérosols sur le rayonnement solaire de surface en Chine. J. Geophys. Rés. Atmos. 121, 6459–6471 (2016).

Annonces d'article Google Scholar

Li, P., Gao, X., Li, Z. & Zhou, X. Analyse physique des impacts environnementaux de la centrale photovoltaïque complémentaire de la pêche. Environ. Sci. Pollution. Rés. Int. 29, 46108–46117. https://doi.org/10.1007/s11356-022-18930-8 (2022).

Article PubMed PubMed Central Google Scholar

Anda, A. et al. Extension de l'évaporation-pan de classe A pour un lac peu profond afin de simuler l'impact des sédiments littoraux et des macrophytes submergés : une étude de cas pour la baie de Keszthely (lac Balaton, Hongrie). Agric. Pour. Météorol. 250, 277–289. https://doi.org/10.1016/j.agrformet.2018.01.001 (2018).

Annonces d'article Google Scholar

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

Jiang, J., Gao, X., Lv, Q., Li, Z. & Li, P. Impacts observés d'une centrale photovoltaïque à grande échelle sur la température de l'air local et la répartition de l'énergie dans les zones arides. Renouveler. Énergie 174, 157–169. https://doi.org/10.1016/j.renene.2021.03.148 (2021).

Article Google Scholar

Shao, C., Li, L., Dong, G. & Chen, J. Variation spatiale du rayonnement net et sa contribution aux fermetures du bilan énergétique dans les écosystèmes des prairies. Écol. Processus. 3, 1–11 (2014).

Article Google Scholar

Moharram, KA, Abd-Elhady, M., Kandil, H. & El-Sherif, H. Améliorer les performances des panneaux photovoltaïques par refroidissement par eau. Aïn. Shams ing. J. 4, 869–877 (2013).

Article Google Scholar

Du, Q. et al. Facteurs contrôlant l'évaporation et le flux de CO2 sur un lac d'eau libre dans le sud-ouest de la Chine à plusieurs échelles temporelles. Int. J. Climatol. 38, 4723–4739. https://doi.org/10.1002/joc.5692 (2018).

Article Google Scholar

Goldbach, A. & Kuttler, W. Flux de chaleur turbulents au-dessus d'un réservoir suburbain : une étude de cas en Allemagne. J. Hydrométéorol. 16, 244–260. https://doi.org/10.1175/Jhm-D-13-0159.1 (2015).

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Cette recherche a été financée par la Fondation de recherche scientifique de l'Université de technologie de l'information de Chengdu (n° KYTZ202209), le programme national clé de R&D de Chine (2018YFB1502800) et la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (n° 41875017).

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

Peidu Li

Key Laboratory of Land Surface Process and Climate Change in Cold and Arid Regions, Northwest Institute of Eco-Environment and Resources, Chinese Academy of Sciences, Lanzhou, 730000, Chine

Xiaoqing Gao, Zhenchao Li, Tiange Ye et Xiyin Zhou

Collège des ressources et de l'environnement, Université de l'Académie chinoise des sciences, Pékin, 100049, Chine

Tiange Ye et Xiyin Zhou

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Correspondance à Xiaoqing Gao.

Les auteurs ne déclarent aucun intérêt concurrent.

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Réimpressions et autorisations

Li, P., Gao, X., Li, Z. et al. Effets d'une centrale photovoltaïque complémentaire de pêche sur le rayonnement, le flux d'énergie et les forces motrices dans différentes conditions synoptiques. Sci Rep 13, 9084 (2023). https://doi.org/10.1038/s41598-023-36314-x

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Reçu : 30 décembre 2022

Accepté : 31 mai 2023

Publié: 05 juin 2023

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

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