Солнечные батареи на крыше могут «непреднамеренно» усиливать городской зной

Аккумулятор TROJAN T105

Новое исследование, проведённое в Гонконге, подтверждает, что солнечные фотоэлектрические системы, установленные на крышах, значительно повышают дневную температуру в городах. Учёные объяснили, что, хотя их выводы указывают на важные аспекты устойчивости городов, они не должны умалять более широкие преимущества фотоэлектрических систем для энергетической устойчивости и сокращения выбросов углерода.

Исследователи из Гонконгского университета науки и технологий (HKUST) изучили влияние фотоэлектрических систем на крышах на городской микроклимат и температуру и обнаружили, что эти установки, несмотря на их потенциал в повышении энергетической устойчивости, могут «непреднамеренно» усиливать городской зной.

Исследование проводилось в субтропическом влажном кампусе HKUST, где с 2020 года установлено несколько фотоэлектрических систем. Инициатива включала установку более 8000 солнечных панелей в 50 местах на территории кампуса, что позволило вырабатывать до 3 миллионов киловатт-часов электроэнергии.

«Во время посещения крыш, оборудованных фотоэлектрическими панелями, исследователи заметили, что панели сильно нагреваются — настолько сильно, что на них можно было бы поджарить яйцо», — рассказал журналу «pv magazine» ведущий автор исследования Чэнь Лютао. «Это наблюдение вдохновило команду на установку датчиков окружающей среды на нескольких крышах для мониторинга температуры воздуха и поверхности, а также для изучения потенциального теплового воздействия фотоэлектрических систем на крышах».

Полученные результаты показали, что на крышах, оборудованных фотоэлектрическими системами, наблюдались повышенные температуры окружающего воздуха по сравнению с обычными крышами. В самый жаркий месяц июль температура воздуха над крышами PV была в среднем на 1,3 ° C выше, чем на обычных крышах без кондиционеров (AC), и на 0,7 ° C выше, чем на крышах с блоками переменного тока. В среднем за 15 минут разница температур достигла 5,2°C в полдень.

Ученые также изучили тепловое поведение самих фотоэлектрических панелей и обнаружили, что при сильном солнечном излучении во время аномальной жары температура поверхности фотоэлектрических панелей может достигать 65,8 °C, а среднемесячная температура на 9,7 °C выше, чем у бетонных поверхностей. Этот эффект нагрева объясняется высокой солнечной поглощающей способностью панелей и низкой тепловой инерцией. Тепло рассеивалось в окружающем воздухе за счет конвекции. Ночью фотоэлектрические панели остывали быстрее, чем обычные крыши, незначительно снижая температуру окружающего воздуха менее чем на 1 °C.

Чтобы лучше понять, как изменения микроклимата, вызванные фотоэлектрическими панелями, влияют на энергопотребление здания, исследовательская группа провела моделирование EnergyPlus для офисного помещения на верхнем этаже под крышей, оснащенной фотоэлектрическими панелями. Несмотря на то, что 50% площади, покрытой фотоэлектрическими панелями, может компенсировать 71% энергопотребления здания за счет выработки электроэнергии, повышение температуры окружающей среды, вызванное фотоэлектрическими панелями, сводит на нет преимущества затенения. В июле это привело к увеличению энергопотребления на охлаждение на 1,5%.

Помимо воздействия на энергосистему, исследование выявило критические риски для здоровья, связанные с жарой во время отключений электроэнергии. Потепление, вызванное фотоэлектрическими панелями, увеличило продолжительность периодов «крайней опасности» из-за жары на 29,8%, повысив риск для людей, находящихся в зданиях, во время аномальной жары. Исследователи подчеркнули, что целенаправленное использование энергии, вырабатываемой фотоэлектрическими панелями, для охлаждения в периоды максимальной опасности может превратить эти системы из пассивных усилителей жары в активные средства обеспечения устойчивости.

Исследование также показало, что для смягчения негативного воздействия на микроклимат необходимы инновационные конструкции фотоэлектрических систем. Перспективные решения включают в себя гибридные фотоэлектрические системы «зелёная крыша», материалы с фазовым переходом и фотоэлектрические интегрированные тепловые системы. Эти технологии могут одновременно снижать температуру поверхности панелей и повышать эффективность преобразования энергии, обеспечивая баланс между производством энергии и снижением температуры в городе.

«Солнечные фотоэлектрические системы на крышах — это не просто энергетическая инфраструктура; они являются активными участниками городских систем микроклимата, — заявил Лютао. — Их успешная интеграция требует двойной оптимизации: максимального увеличения потенциала выработки энергии при разумном управлении локальным воздействием на окружающую среду».

Полученные результаты также подчеркнули вариативность теплового воздействия фотоэлектрических систем в зависимости от таких факторов, как угол наклона панелей, расстояние между панелями и базовые характеристики крыши. Исследователи призвали к проведению дальнейших симуляций и экспериментов в различных климатических условиях и конфигурациях, чтобы лучше понять и решить эти проблемы.

«Важно отметить, что, хотя эти результаты указывают на важные аспекты устойчивости городов, они не должны умалять более широкие преимущества фотоэлектрических систем для обеспечения энергетической устойчивости и сокращения выбросов углерода», — заключил Лютао. «Цель этого исследования — разработать более совершенные проекты и стратегии внедрения, чтобы фотоэлектрические системы на крышах могли приносить как экологические, так и социальные выгоды без нежелательных компромиссов.

Полные результаты исследования подробно описаны в статье «Парадокс устойчивости фотоэлектрических систем на крышах: потери при охлаждении зданий и риски перегрева», которая была недавно опубликована в журнале «Строительство и окружающая среда»

В октябре другая международная группа учёных представила новую модель для оценки эффективности фотоэлектрических систем на крышах в городских условиях. Моделирование показало, что фотоэлектрические системы на крышах могут иметь «непредсказуемые» последствия для температуры в городской среде.

Согласно данным, собранным в Индии, системы на крышах могут повышать дневную температуру воздуха у поверхности земли на 1,5 °C, поскольку они поглощают примерно 90% солнечной энергии, преобразуя около 20% из них в электричество, а оставшаяся часть способствует их нагреванию. С другой стороны, в ночное время полное покрытие города фотоэлектрическими панелями может снизить максимальную температуру воздуха у поверхности земли на 0,6 °C. В часы пиковой жары температура поверхности крыши может повышаться на 3,2 °C, а ночью в среднем охлаждаться на 1,4 °C.

«Наше исследование также показало, что фотоэлектрические солнечные панели на крышах значительно изменяют энергетический баланс городской поверхности, метеорологические поля вблизи поверхности, динамику городского пограничного слоя и циркуляцию морского бриза», — заявили тогда исследователи.