Fotowoltaika może podnosić temperaturę w miastach

Nowe badania przeprowadzone w Indiach wykazują, że instalacje fotowoltaiczne na dachach mogą powodować wzrost temperatur w miejskich środowiskach nawet o 1,5°C w ciągu dnia. Chociaż takie rozwiązania mogą przyczyniać się do produkcji zielonej energii, ich wpływ na lokalny klimat ma nieoczekiwane konsekwencje.

Nowy model oceny mikroklimatu miejskiego

Międzynarodowy zespół naukowców, w którego skład weszli przedstawiciele University of Calcutta, Indian Institute of Technology Kharagpur, Jadavpur University, amerykańskiego Massachusetts Institute of Technology (MIT), University of Texas at Austin, Chińskiej Akademii Nauk i australijskiego University of New South Wales, stworzyli nowy model oceny wpływu dachowych paneli fotowoltaicznych na mikroklimat miejski. Opiera się on na najnowszych wynikach badań atmosferycznych i prognozowania pogody, integrując model energetyczny budynków (BEM) oraz parametryzację efektu budynków (BEP). Model został przetestowany w Kolkacie przy użyciu danych z dziesięciu stacji pomiarowych.

„Chociaż istnieją już badania dotyczące wpływu dachowych instalacji PV na środowisko miejskie, większość z nich bazuje na eksperymentach terenowych lub symulacjach na poziomie pojedynczych budynków, brakuje im jednak szerokiej analizy wielkomiejskiej” – tłumaczą naukowcy. „Nasze badanie wypełnia te luki, wprowadzając nowe parametryzacje, w tym wymianę ciepła konwekcyjnego, co zapewnia lepsze zbieżności z innymi badaniami uwzględniającymi podobne czynniki”.

Zmiana bilansu energetycznego miast

Model, nazwany WRF/BEP + BEM, pozwala na obliczenie wymiany ciepła, pędu, wilgotności i turbulentnego strumienia energii kinetycznej pomiędzy budynkami a otoczeniem. Testowano go najpierw w Kolkacie, a następnie zweryfikowano w Sydney (Australia), Austin (Teksas, USA), Atenach (Grecja) oraz Brukseli (Belgia). Dzięki temu udało się potwierdzić, że wyniki nie są ograniczone do konkretnej strefy klimatycznej.

Przeprowadzono pięć eksperymentów, aby ocenić regionalny wpływ rozległych instalacji w Kolkacie w okresie fali upałów. Symulacje kontrolne przyjęły współczynnik albedo dachu na poziomie 0,15 bez fotowoltaiki. Następnie badano scenariusze z pokryciem panelami od 25% do 100% powierzchni dachów w mieście, przy standardowych parametrach, takich jak albedo 0,11, sprawność konwersji 0,19 oraz emisyjność 0,95.

Wpływ na temperatury powierzchniowe

Zgodnie z zebranymi danymi, instalacje fotowoltaiczne na dachach mogą zwiększać dzienne temperatury powierzchniowe w Kolkacie nawet o 1,5°C. Panele PV pochłaniają około 90% promieniowania słonecznego, z czego około 20% jest przekształcane w energię elektryczną, a reszta przyczynia się do ogrzewania ich powierzchni. W nocy natomiast, pełne pokrycie miasta instalacjami PV może obniżyć maksymalne temperatury powierzchniowe nawet o 0,6°C. Podczas najgorętszych godzin dnia temperatura powierzchni dachu może wzrosnąć o 3,2°C, a nocne chłodzenie może wynosić średnio 1,4°C.

Podobne wyniki zaobserwowano w innych miastach. W Sydney odnotowało spadek temperatury nocnej o 0,8°C i wzrost dziennej o 1,9°C. W Austin model wykazał ochłodzenie o 0,7°C i wzrost o 1,8°C, natomiast w Atenach – odpowiednio 0,4°C i 1,2°C. W Brukseli odnotowano chłodzenie nocne o 0,3°C i wzrost dziennej temperatury o 1,1°C.

Zmiany w dynamice warstwy granicznej atmosfery

Badanie pokazało również, że instalacje fotowoltaiczne na dachach znacząco wpływają na miejskie bilanse energetyczne, pola meteorologiczne przy powierzchni, dynamikę miejskiej warstwy granicznej oraz cyrkulację bryz morskich. Wyższe temperatury miejskie, wywołane instalacjami dachowymi, sprzyjają mieszaniu atmosferycznemu i podnoszą wysokość planetarnej warstwy granicznej (PBL) nawet o 615,6 m, co może prowadzić do redukcji zanieczyszczeń na poziomie gruntu. PBL to najniższa część atmosfery bezpośrednio wpływająca na powierzchnię Ziemi.

Wyniki tych badań zostały opublikowane w czasopiśmie Nature Cities w artykule „Rooftop photovoltaic solar panels warm up and cool down cities”. Analizy te stanowią istotny krok w kierunku lepszego zrozumienia, jak fotowoltaika może wpływać na miejskie ekosystemy oraz jak można zoptymalizować jej rozkład, aby zmaksymalizować korzyści i zminimalizować negatywne efekty.

Źródło: pv-magazine.com