模拟研究表明，屋顶太阳能电池板影响城市白天和夜间的温度
新模型表明，在建筑物屋顶大面积安装传统光伏太阳能电池板可能会在炎热的日子里提高温度，在夜间降低温度。这项研究由加尔各答大学的安萨尔汗博士牵头，由新南威尔士大学悉尼科学教授马特奥斯（Mat）桑塔穆里斯共同撰写，由于缺乏屋顶光伏太阳能电池板（RPVSP）的观测数据，因此采用了中尺度（天气系统）模拟来模拟它们对城市规模的当地气候条件的影响。
他们发现，在城市完全覆盖 RPVSP 的情况下，夏季高峰期城市温度白天可能上升 1.5°C，夜间可能下降 0.6°C。
这项研究结果发表在《自然城市》杂志上，它并不意味着光伏不是从化石燃料转型过程中重要的可再生能源解决方案。相反，研究人员表示，它凸显了为 RPVSP 开发综合解决方案的机会，例如屋顶和绿化组合的反射材料，以平衡它们的诸多优点和它们在城市环境中的潜在缺点。
“光伏太阳能电池板是一种重要的可再生能源技术，但如果大规模安装在屋顶上，它们可以改变城市的当地条件，”新南威尔士大学艺术、设计与建筑学院 Anita Lawrence 高性能建筑主席 Santamouris 教授说。“了解这些变化对于考虑全市 RPVSP 使用情况以及有效部署它们所需的策略的决策者至关重要。”
白天加热和夜间冷却效应
在这项研究中，研究团队分析了印度加尔各答不同覆盖场景下 RPVSP 的影响。他们还对其他四个城市（悉尼、奥斯汀、雅典和布鲁塞尔）进行了城市特定的 RPVSP 敏感性研究，以将其研究结果与加尔各答的研究结果进行比较。
“我们发现温度升高与屋顶光伏覆盖率之间存在线性关系，”Santamouris 教授说。“在夏季高峰期，在最高覆盖率为 100% 的情况下，我们的数据显示，RPVSP 会导致白天温度显著升高。”
Santamouris 教授表示，如果屋顶覆盖率达到 100%，光伏的热效应将削弱可再生能源的大部分优势。据估计，在悉尼，光伏发电产生的电力中几乎有 40% 用于补偿额外冷却负荷（主要是空调）带来的过热影响。
Santamouris 教授表示：“当 RPVSP 安装在屋顶上时，它们会吸收大量太阳能，将部分太阳能转化为电能，并在这一过程中产生热量。这主要是由于面板的反照率较低，而且 PV 顶部和底部的气流也增强了加热效果。”
“这意味着，在夏季高峰期，地表温度可能高达 70°C，不可能对城市温度产生降温作用。”
相反，夜间通过辐射传递热量会导致光伏表面温度低于夜间城市温度，从而降低周围空气温度。桑塔穆里斯教授表示，这是一个至关重要的好处，因为预计气候变暖的影响在夜间最为明显，未来一个世纪夜间气温平均可能升高约 4°C 。
研究还发现，RPVSP 还能对其他局部条件产生其他复杂影响。具体来说，RPVSP 可以通过增加行星边界层（受地球表面条件影响的大气最低部分）来降低污染物浓度，从而提高风速并稀释污染物。
“RPVSP 还能增强沿海城市内陆海风的渗透力，同时降低地面污染物的浓度，”Santamouris 教授说道。“这在一定程度上弥补了白天温度升高的影响，对于加尔各答等污染问题十分紧迫的城市来说，这一点非常重要。”
集成解决方案的前景
Santamouris 教授表示，可以制造出既能减轻日间加热影响又能利用先进冷却策略保持其优势的 RPVSP。此外，尖端材料科学创新与 RPVSP 相结合，具有巨大潜力，可以制造出在较低温度下运行并减少热影响的冷光伏系统。
特别是，Santamouris 教授提倡使用混合光伏系统，将面板与水基热收集系统相结合，吸收多余的热量来生产热水。
“通过循环水来冷却光伏电池的表面已经是可行的，”桑塔穆里斯教授说。“在电池板后面运行水的设计可以吸收多余的热量，并通过降低工作温度来提高光伏效率，同时可以将多余的太阳能转化为经济高效的热水。”
反射热量而非吸收热量的高反射性凉爽屋顶材料也可用于提高附近 RPVSP 的能源产量，同时缓解白天当地城市升温。增加屋顶绿化等其他散热器也可以提高光伏效率。
“将光伏电池与绿色屋顶或凉爽屋顶相结合，可使光伏电池的容量提高6-7%，并显著降低表面温度，”Santamouris 教授说。
“如果我们希望继续在屋顶上安装光伏系统，就必须认真考虑这些集成解决方案，以最大限度地提高 RPVSP 的效率，并应对城市高温的挑战。”
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