1 引言
全球人口增加与社会发展的背景下， 世界面临着巨大的能源需求， 与此同时煤炭石油等传统化石能源的大量使用与消耗导致环境污染、 气候变暖、 人类健康受到影响等一系列问题发生（Chen et al， 2013； Hoegh-Guldberg and Bruno， 2010； Patz et al， 2005； Walther et al， 2002 ）。促进能源结构调整、 发展低碳经济已成为社会发展的共识， 这种背景下， 风能、 太阳能等清洁可再生能源日益崛起， 它可以在一定程度上减少我们对有限化石燃料的依赖（Owusu et al， 2016； Aman et al， 2015）。推动可再生能源的发展是我们应对能源危机、 环境污染问题的重要措施。太阳能在替代化石燃料方面具有巨大潜力（Johansson et al， 2012； Shafiee and Topal， 2009； Johnson et al， 1979）， 发展前景十分广阔， 根据国际能源署（IEA）发布的报告， 截至2020年底， 全球累计光伏装机760.4 GW， 其中我国累计光伏装机已达254.4 GW。
温度， 作为热能的表现形式， 是反映能量平衡变化的重要指标。风是由气流的运动所引起， 风速的大小以及风向的变化是反映局地气流运动变化的重要参考。光伏发电迅猛发展的同时， 其对温度、 风向风速等气象要素的影响也日益受到人们的关注。Taha（2013）对洛杉矶盆地高密度部署的屋顶安装光伏电池板（即分布式方案）进行了建模， 发现对气温或城市热岛没有不利影响， 并预测在效率更高的电池板下， 气温将下降0.2 K。Millstein and Menon（2011）利用一个完全耦合的区域气候模型表明， 在莫哈韦沙漠建设1 TW 公共事业规模的光伏电站（效率为1.1%）将降低沙漠表面反照率， 使当地下午气温升高0.4 K。Masson et al（2014）开发了一个屋顶光伏模型， 假设光伏温度等于空气温度， 求解水平太阳能模块的辐射平衡， 研究发现在夏季屋顶光伏组件能减少城市热岛效应， 白天减少0.2 K， 夜间减少0.3 K。Chang et al（2020）建立了一种新的包括地表辐射平衡、 感热平衡和光伏电站位置的地表物理过程的光伏能源模型， 然后通过三个平行的敏感性实验， 用它来模拟光伏电站对当地气候的影响。结果表明在温暖和寒冷时期， 光伏电站导致10 m风速显著降低， 在光伏发电系统最有效的工作时间， 地表温度下降。Chang et al（2018）通过青海共和光伏电站的观测研究发现， 白天温度显著升高的太阳能电池板成为周围空气的热源， 而在夜间则为冷源， 全天总体上光伏组件对周围空气是起加热作用。Barron-Gafford et al（2016）在美国亚利桑那州南部的一个公用事业规模的光伏阵列中观测中发现， 全年以及整个昼夜周期内， 站内气温都高于附近的参考站气温， 夜间的升温效应比白天大。高晓清等（2016）和杨丽薇等（2015）通过对格尔木大型格尔木光伏电站内与站外参考点进行对比研究发现， 春、 夏和秋季站内2 m高度气温在白天和夜间都明显高于站外。以上研究表明， 在城市部署光伏组件可以减缓白天的城市热岛效应， 荒漠地区的大型光伏电站在白天却是热源。而光伏组件在夜间的气温效应仍没有统一的定论， 还需要更多的观测实验。
中国西北干旱区云量和降水稀少， 有充足的光照条件， 太阳辐照度大， 这有利于光伏发电的出力和保证光伏电站的经济效益， 在西电东输软硬件设施得到改善的前提下， 未来我国西北干旱区光伏电站的建设必将得到大规模发展。然而， 同时干旱半干旱区也是生态环境相对脆弱的地区， 对气候变化以及人类活动的响应更加敏感（Liang et al， 2014； Fu et al， 2006； 郭飞 等， 2021）。因此， 加强关于西北干旱区光伏电站的气候效应研究很有必要。
2 研究区域与观测数据
利用2019年12月， 2020年4月、 7月和10月新疆五家渠光伏电站内与站外参考站点自然戈壁下垫面的（气象梯度）塔站数据， 包括2 m、 4 m、 10 m的气温资料， 2 m、 4 m、 10 m的风速风向资料以及光伏面板温度数据， 对比分析了两个站点的不同高度层空气温度变化特征、 风速风向的变化特征， 并对比分析光伏面板温度与气温的特征及差异， 研究光伏电站对局地环境温度， 以及对风场的影响。
新疆五家渠光伏电站位于中国西北部， 中心位置经纬度为44°24′23″N 、 87°39′23″E， 海拔为439 m， 所在区域属中温带大陆性气候， 年平均降水量为190 mm。太阳能板阵列南北距离1120 m， 东西长1030 m， 占地范围较大， 周围没有高大建筑和树木， 也没有沙山等高大地形， 比较适合建设观测站点。五家渠旭阳光伏电站光伏面板最高处距地面2.3 m， 最低处距地面0.5 m， 面板倾角37°， 单面发电， 电池材料为多晶硅， 比热容约为0.7 J·（g·℃）-1， 最大功率为250 W。光伏面板朝南放置， 两组面板之间的距离为7 m。光伏场地原始下垫面为戈壁， 植被稀疏， 长有柽柳、 枸杞、 苦参、 长春花、 骆驼刺等。光伏电站与参考站点的气象观测塔的位置如图1 （a）所示。光伏电站观测塔距电站东边界592 m， 建在两排光伏阵列的中点处［图1 （b）］。参考站点观测塔［图1 （c）］位于光伏电站东北部裸露地面， 下垫面为戈壁下垫面， 距光伏站点920 m， 距最近的光伏阵列300 m以上。
由于两个站点2020年1月数据缺失严重， 本文选择2019年12月来代表冬季， 选取2020年4月、 7月和10月， 分别代表春季、 夏季和秋季。另外， 由于仪器故障， 4 m高度气温4月与7月的数据出现了大面积错误， 所以本文没有采用。在分析风速风向时， 两个站点4 m高度风速在12月10 -13日出现错误， 站外参考点的4月风速大面积错误， 这些时间风场的数据不予采用。
3 结果分析
3.1 光伏电站内与参考站点的不同高度气温差异
在所有季节， 光伏电站与参考站点不同高度的气温都具有一致的日变化趋势， 即在日出之前气温呈下降趋势， 日出时达一天气温最低值， 日出后随太阳辐射增强气温逐渐上升， 至下午某个时刻达最高值， 然后呈下降趋势。而且， 对于不同高度的气温， 在春、 夏和秋季的变化幅度明显大于冬季（图略）。
图2 光伏电站与参考站点2 m高度气温差值日变化Fig.2 Diurnal variation characteristics of the temperature difference between the photovoltaic power site and the reference site at 2 m height |
图 3 光伏电站与参考站点4 m高度气温差值日变化Fig.3 Diurnal variation characteristics of the temperature difference between the photovoltaic power site and the reference site at 4 m height |
由图2 结合图5 可知， 冬季T air 2m PV-T air 2m REF在全天、 白天、 夜间的平均值为-0.07 K、 -0.02 K、 -0.12 K， 春季T air 2m PV-T air 2m REF对应的平均值分别为0.13 K、 0.42 K、 -0.25 K， 夏季T air 2m PV-T air 2m REF对应的平均值分别为0.15 K、 0.32 K、 -0.14 K， 秋季T air 2m PV-T air 2m REF对应的平均值分别为-0.01 K、 0.15 K、 -0.15 K。
四个季节里有一个共同的特点， 在夜间大部分时间光伏电站内2 m气温低于参考站点气温， 这说明对于2 m高度的空气， 光伏电站在夜间发挥着冷却效应， 且在冬季的最为显著。白天， 随着日出后两个下垫面各自吸收太阳辐射能量， T air 2m PV-T air 2m REF逐渐由负转正， 随着太阳辐射的增强， T air 2m PV-T air 2m REF逐渐增大， 大概至正午温差达最大值， 这是由于光伏面板相对于土壤比热容更低， 受热时升温更快。在春、 夏、 秋季白天， 光伏电站发挥着加热作用， 在春夏季T air 2m PV-T air 2m REF的季节平均的日最大值达0.8 K以上， 实际上在一些天数， 升温幅度甚至可达2 K以上（图略）， 在冬季日出后T air 2m PV-T air 2m REF上升， 两个站点2 m气温差异缩小， 在午后时间已无显著差异。由图2 结合图5 可以看出， 2 m高度上春季的白天升温效应最强， 其次是夏季和秋季， 而冬季白天尽管有光伏组件对周围空气的加热作用， 站内2 m高度整体气温仍然低于参考点， 只是差异缩小， 可能是由于夜间的冷却效应较强， 所以白天光伏面板的对空气的加热作用并不足以使站内温度超过站外。
由图4 和图5 可以看出， 冬季T air 10m PV-T air 10m REF在全天、 白天、 夜间的平均值分别为0.17 K、 0.24 K、 0.11 K， 春季T air 10m PV-T air 10m REF对应的分别为0.21 K、 0.35 K、 0.03 K， 夏季T air 10m PV-T air 10m REF对应的分别为0.05 K、 0.1 K、 0.003 K， 秋季对应的分别为0.19 K、 0.31 K、 0.09 K。总体上所有季节白天光伏电站10 m高度气温高于站外参考点， 在所有季节里依旧是春天的升温效应最强， 在春季、 夏季的白天10 m高度相比于2 m的升温效应减弱， 但是秋季和冬季， 白天的升温效应却随高度增加愈发显现， 其中部分原因可能是夜间冷却效应减弱， 使得白天在光伏面板发热时站内气温更容易超过站外， 白天的温度效应与夜间的温度效应并不是独立的， 而是彼此联结， 昼夜的升温幅度或者降温幅度会彼此相互影响。四个季节夜间光伏电站10 m高度气温略高于参考点， 但差异并不显著。
此外， 由图2 ~4 可以看出， 曲线在白天明显比夜间有更大的变化幅度， 例如T air 2m PV-T air 2m REF在冬、 春、 夏、 秋季白天的标准差分别为0.20 K、 0.33 K、 0.33 K、 0.22 K， 在冬、 春、 夏、 秋季夜间的标准差分别为0.18 K、 0.18 K、 0.08 K、 0.15 K， 所有季节都是白天标准差大于夜间标准差， 白天的变化幅度大于夜间。在4 m、 10 m高度也类似如此。这是因为由于白天地表和空气都吸收太阳辐射， 地表加热大气， 下垫面能量明显大于夜间， 并且随着太阳辐射强弱的变化， 能量的变化比夜间更剧烈， 而这两个下垫面是两个截然不同的下垫面， 与参考站不同的是， 光伏电站内除了有戈壁， 还有光伏组件的作用， 光伏组件只在有光照的时候工作， 而且光伏电站与戈壁地表反照率等物理属性的不同会在白天显现。
光伏电站内与站外参考站点不同高度气温差异的变化特征是复杂的， 在季节上也有所差异。但是我们可以看出， 春季和夏季白天的升温效应随高度增加而减弱， 而秋季和冬季升温效应随高度增加而增强。而在夜间， 四个季节在2 m高度上都是冷却效应， 但随高度的增加， 四个季节的夜间冷却效应减弱， 并逐渐转变成了升温效应。
光伏组件较自然地表具有更低的比热容和更高的热传导率（Broadbent et al， 2019； Armstrong et al， 2010）， 并且光伏组件有两侧表面， 即增大了与四周空气交换热量的表面积， 提高了热量交换效率。所以， 光伏面板在白天作为热表面， 热量从光伏面板向空气传递； 在夜间光伏面板作为冷表面， 热量向光伏面板传递。我们将这种作用称为“光伏面板对空气产生的直接温度效应”， 这可以一定程度上解释各个季节在夜间表现出的“光伏电站内2 m气温低于参考站”的现象， 以及春、 夏、 秋季3个季节在白天表现出的“光伏电站内2 m气温高于参考站”的现象。此外， 由于光伏面板对下方一定面积的土壤有遮挡作用， 所接收到的太阳辐射能量比光伏电站建设前大大减少， 被遮挡的土壤在白天储存的热量减少， 导致在夜间土壤向空气释放的热量也明显减少， 光伏组件和站内地表土壤的共同作用加强了2 m高度的夜间冷却效应。光伏组件在白天工作时也会将一部分太阳能转化为电能， 同时产生电流热效应， 将部分能量以感热的形式耗散至空气中。
因此， “光伏面板对空气产生的直接温度效应”并不能等同于整个光伏电站对气温产生的影响， 只是其部分解释。除了“光伏面板对空气产生的直接温度效应”， 光伏组件工作时涉及太阳能到电能的能量转换、 光伏面板的遮挡这些因素对下垫面能量分配和收支的影响同样不可忽视， 另外， 光伏面板在一定面积上代替了戈壁下垫面， 因为其架设导致整体下垫面向上有一定的抬高， 产生零平面位移， 其倾斜的形状增大了粗糙度， 并促进了垂直方向上的湍流混合以及对流热交换（Jiang et al， 2021）， 使得光伏电站内通过湍流扩散将热量输送到近地表空气中的效率比参考站点更高。可见， 光伏电站的建设给局地气温带来的影响有很多因素需要考虑， 光伏电站内与站外参考站表现出的气温差异需要进一步更加全面地研究。
3.2 光伏电站内与参考站点的风速风向对比研究
图6 ~8 分别给出了光伏电站内与参考站点2 m、 4 m、 10 m风速在各季节的日变化以及两个站点差值的日变化曲线图。由这3幅图可知， 在四个季节， 光伏电站内2 m、 4 m、 10 m高度上的日平均风速都低于参考站点， 这说明光伏电站的建设对风具有一定的阻挡作用。光伏电站内2 m高度风速日平均值在冬、 春、 夏、 秋季分别低于参考站点0.13 m·s-1、 0.41 m·s-1、 0.40 m·s-1、 0.22 m·s-1， 4 m高度风速日平均值在冬、 夏、 秋季（春季站外风速错误较多）分别低于参考站0.11 m·s-1、 0.23 m·s-1、 0.11 m·s-1。光伏电站内10 m高度风速日平均值在冬、 春、 夏、 秋季分别低于参考站点0.04 m·s-1、 0.17 m·s-1、 0.20 m·s-1、 0.03 m·s-1。
图6 不同季节光伏电站与参考站点2 m风速日变化曲线以及两者差值日变化曲线Fig.6 Diurnal variation characteristics of 2 m wind speed of photovoltaic power station and reference site and the difference between the two in different seasons |
图7 不同季节光伏电站与参考站点4 m风速日变化曲线以及两者差值日变化曲线Fig.7 Diurnal variation characteristics of 4 m wind speed of photovoltaic power station and reference site and the difference between the two in different seasons |
光伏电站内与参考站点不同高度风速的差异是2 m>4 m>10 m， 这与光伏面板的架设高度有关， 光伏面板的最高处距离地面2.3 m， 最低处距离地面0.5 m， 光伏面板对2 m处风的阻挡作用最强， 对于2 m以上的高度， 高度越高， 对风速大小的影响作用就越小， 也说明了光伏电站对风速大小的影响上有一定的局限高度。
光伏电站内， 2 m、 4 m、 10 m高度上主风向都是西风， 分别占各自高度上风向的43.55%、 32.26%、 31.18%， 相比于参考站点的西风分别提高了22.11%、 12.91%、 12.43%。西风比例明显提升的同时， 其他风向（除了东西方向）的比例相比于参考站明显下降。
由于光伏阵列面向南方整齐划一的排列方式， 导致光伏阵列对来自南北方向的风的阻挡和削弱作用更强。光伏面板的最高处距离地面2.3 m， 所以观测显示， 2 m高度处的风受光伏阵列的阻挡和削弱影响最大， 4 m高度次之， 10 m高度的风受影响最小。
对比夏季光伏电站内与参考站点的2 m、 4 m、 10 m高度上风速概率分布， 并参考刘焕彬和董旭光（2007）的参数计算方法， 利用双参数威布尔模型拟合风速的频率分布变化。如图10 ， 模拟效果较好， 均通过0.95置信水平检验。实测值中， 夏季2 m高度风速0~1 m·s-1的占比从参考站点的26.55%提升至光伏电站内的36.22%， 1~2 m·s-1的风速占比从参考站点的31.45%提高至光伏电站内的34.48%， 2~3 m·s-1的风速占比从参考站点的22.37%下降至光伏电站内的17.61%， 3~4 m·s-1的风速占比从11.29%下降至8.20%。光伏电站内相比于参考站点， 低于2 m·s-1的风速占比明显上升， 相反高于2 m·s-1的风速占比下降， 这也反映了光伏阵列对风的阻挡与削弱作用。与2 m高度类似， 夏季4 m、 10 m高度相对高值区风速占比光伏电站小于参考站点， 而相对低值区风速占比光伏电站内高于参考站点。夏季参考站点各个高度上的风速分布相比于光伏电站更加发散， 模拟曲线更加平缓， 这也是因为参考站点相对高值区的风速占比大于光伏电站内的占比， 而且随高度的上升， 两个站点的风速概率分布曲线也更加平缓和发散。
综上所述， 光伏组件在白天作为热源， 加热周围空气， 使气温升高， 在夜间作为冷源， 使局地气温降低。而光伏面板的阻挡作用， 使得各个季节站内风速基本都小于站外。如表1 所示， 本文对比了两个站点风速差和气温差的异同， 发现白天站内外风速差距越大时， 气温差距也往往越大。这是因为白天站内温度本就高于站外， 光伏面板的阻挡作用使站内与外界的热量传递大大减弱， 而站外更大的风速加速热传递使得温差进一步增大， 在2 m和4 m高度即光伏组件附近高度表现得最为明显。在夜间风速对温度的影响明显减弱。
表1 光伏电站与参考站不同高度的风速差值与气温差值Table 1 Wind speed difference and air temperature difference between photovoltaic power station and reference station at different heights |
| 季节 | 时段 | 2 m风速 /（m·s-1） | 2 m气温 /K | 4 m风速 /（m·s-1） | 4 m气温 /K | 10 m风速 /（m·s-1） | 10 m气温 /K |
|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 春季 | 白天 | -0.50 | 0.42 | — | — | -0.27 | 0.35 |
| 夜晚 | -0.28 | -0.25 | — | — | -0.06 | 0.03 | |
| 夏季 | 白天 | -0.46 | 0.32 | -0.25 | — | -0.54 | 0.1 |
| 夜晚 | -0.37 | -0.14 | -0.20 | — | -0.12 | 0.003 | |
| 秋季 | 白天 | -0.35 | 0.15 | -0.27 | 0.28 | -0.16 | 0.31 |
| 夜晚 | -0.10 | -0.15 | 0.03 | 0.28 | 0.08 | 0.09 | |
| 冬季 | 白天 | -0.12 | -0.02 | -0.15 | 0.17 | -0.06 | 0.24 |
| 夜晚 | -0.14 | -0.12 | -0.11 | 0.17 | -0.03 | 0.11 |
-表示无数据 |
4 结论
基于2019 -2020年新疆五家渠光伏电站内与站外参考站点自然戈壁下垫面的气象梯度数据， 分析了两个站点的不同高度层空气温度变化特征、 风速风向的变化特征， 并对比分析光伏面板温度与气温的特征， 研究光伏电站对局地环境温度， 以及对风场的影响， 结果表明：
（1） 光伏电站与参考站点不同高度气温具有复杂的昼夜变化特征及差异以及季节差异， 夜间： 各个季节光伏电站2 m高度气温都低于参考点， 而且冬季差异最大。随着高度增加到4 m和10 m， 四个季节的夜间冷却效应都减弱； 白天： 春、 夏、 秋光伏电站内2 m高度气温高于参考站点， 与前人的研究结果相符， 而冬季却低于参考站点。随高度增加， 光伏电站在春、 夏季白天的升温效应减弱， 秋、 冬季升温效应增强。
（2 ）四个季节里， 在夜间光伏面板与参考站地表温度较为接近， 在白天光伏面板温度大于地表温度， 而且随太阳辐射增强温差逐渐增大。
（3） 光伏电站内各高度平均风速都低于站外参考站， 站内来自偏南北方向的风相比参考站明显减少， 以东西风向为主， 风向更加单一。光伏阵列对风具有一定的阻挡作用， 尤其是对于2 m高度（低于光伏阵列的最高高度2.3 m）的风速风向影响更加明显， 对于2 m以上的高度， 随着高度增加， 光伏阵列对风场的影响减小。