沙区光伏电场与其环境的互馈机制

Due to the shortage and environmental problems of fossil fuel, exploration of new types of energy is becoming a global hotspot. US government uses sandy area to develop clean energy resources in order to reach the goal that clean energy will count for 30% of the total energy resources. However, the construction of the largest photovoltaic plant in southern California has to slow down because it has been found that photovoltaic plant in the desert has significant impacts on the local plant and animal species. China is widely constructing photovoltaic plants in the northwestern regions but little information is available on the interaction between the photovoltaic plants and their environments. This project is to examine the interaction mechanism between photovoltaic plant and sand-flow structure in northwestern China. We will apply a methodology of combining field observation, lab experiment and wind tunnel simulation to study the interaction mechanism of photoelectric array and sand-flow structure, to examine the effects of photovoltaic panel array on soil, vegetation, animals and microbes, to explore the impacts of sand-flow structure on photovoltaic panels. This study should provide the theory basis and technical support for reducing the impacts of photovoltaic plants on local environments and for protecting photovoltaic panels from sand storms. It plays an important role to promote the new research area of the interaction mechanisms between solar energy exploration and environmental protection.

世界能源危机日益突出，如何充分利用和开发新能源，实现低碳减排，已成为世界各国共同关注的问题。美国政府把沙漠太阳能及风能发电置于首位开发新能源领域，预计于2020年底清洁能源占到总能源的30%。然而由于发现太阳能发电场对生态环境的影响，尤其是对沙漠频危珍稀物种的影响，美国最大规模的加州太阳能发电场的建设在2012年不得不放缓了脚步。我国目前大规模建设太阳能发电场，然而对太阳能发电场与其周围环境之间关系的研究尚处于空白。本项目用野外观测和室内实验及风洞模拟试验相结合的方法，研究光伏电板阵列对土壤、植被、动物及微生物的影响机制，风沙环境因子对光伏电板及其排列的作用机理，为最大限度地减小太阳能发电场对生态环境的影响，减小光伏电板被沙打磨损、沙埋、风蚀危害，为光伏电板阵列沙害综合防治提供理论依据和技术保障。本项目对我国能源科学技术领域中新能源开发与生态环境协调问题的研究具有积极重要的推动作用。

本项目对太阳能光伏发电站与周边环境的互馈机制进行研究，以野外试验测定为主要手段，结合风洞模拟实验等辅助措施对光伏电站对植物空间异质性、表层土壤空间异质性、过境气流、地表温度和大气温度进行研究，同时对光伏电站风沙输移特征、风沙流活动对太阳能面板透光率的影响、积尘对太阳能面板工作效率的影响及高茎植物遮挡对太阳能面板工作效率的影响进行了研究。研究结果表明：光伏电板下物种丰富度指数、多样性指数、均匀度指数、优势度指数均表现为电板正下方显著高于电板前后檐。电板下羊草的高度、盖度、密度和基径也均表现为电板正下方显著高于电板前后檐。电板正下方羊草的生物量显著高于电板前后檐。与旷野相比，电站内土壤颗粒均呈现细粒化趋势；光伏电板的设置使得气流同时产生了向上、向下的分流，电板上方及下方分别形成风速增强区。从光伏阵列整体来看，光伏矩阵的布设对风速起到了明显降低作用；在夏季典型晴天情况下，光伏电站具有增加空气温度和降低空气相对湿度、表层土壤温度的效应；光伏电场矩阵内各观测点输沙率均随着高度的增加呈降低趋势。光伏矩阵的设置有限增加了地表粗糙度，减小了输沙率。控制住对光伏电站上风向的风沙流动对光伏电站的风蚀沙埋工作至关重要；光伏板放置角度影响积尘密度，角度越小，灰尘积累越多。积尘量越多，透光率越低，有效辐射损失严重，损失率最高达到68%，最终导致发电效率减弱；植被的遮挡作用会对光伏组件的有效辐射强度产生影响，导致组件辐射强度降低。就发电效率来看，虽然遮阴光伏组件的工作电流低于暴露光伏组件，但其在不同时间的差异有所不同。本项目阐明了沙区光伏电场与其环境的互馈机制，对光伏电站对生态环境的调控效果和沙区特殊生境对于光伏电板发电效率的影响机制进行了充分研究，对今后沙区光伏电站的建设及生态修复具有重要意义。