Assessment on the local climate effects of solar photovoltaic parks

Abstract

Transition to low-carbon energy sources is the primary driver of the wide deployment of ground-mounted solar photovoltaic (PV) technologies (solar parks). Despite of this notable land-use change impacts of solar parks on local climate and the associated ecosystem functions are poorly resolved. Field study conducted at a temperate UK grassland, showed cooler air and soil temperatures under panels during the growing season compared to the gap between the PV panel rows. Further, higher soil moisture under, during growing season compared to the gap and evidence for spatial variability on soil physical properties; likely the result of compaction and vegetation management during and after solar park construction. Microclimatic changes had no spatial effect on leaf area index nor net ecosystem exchange and water vapor fluxes. Acknowledging the effects of solar parks on soil temperatures HIS-PV (Heat-In a Solar PV park) model was built and sensitivity analyses reported that dense canopies and wet soils increased model errors during growing season whilst low dense canopies decreased model errors post-growing season. HIS-PV model was applied to simulate soil temperature, incoming short-wave (SW) and potential evaporation (PE) across different climatic zones. Annual incoming SW was strongly affected; control areas received 60% more solar radiation than under panels across all tested zones. Soil temperature and PE demonstrated the largest differences between under and control areas in arid environments, followed by evidence for a lower amount of growing degree days under the panels at both the arid and the equatorial zones. Regardless of the wide solar parks’ deployment and the undoubtable importance of terrestrial ecosystems, local climatic changes caused by solar parks and implications for ecosystem services provided by the hosting landscape are poorly resolved. This study provides the first synthesis of emerging understanding in this area. Research findings are urgently needed to enhance understanding and thus explore the potential for managing solar parks to provide multiple ecosystem services.

Η μετάβαση σε πηγές ενέργειας χαμηλών εκπομπών άνθρακα είναι ο κύριος μοχλός της ευρείας ανάπτυξης των επίγειων τεχνολογιών ηλιακών φωτοβολταϊκών πάρκων (ΦΒ - ηλιακά πάρκα). Παρά την αξιοσημείωτη αυτή αλλαγή χρήσης γης, οι επιπτώσεις των φωτοβολταικών πάρκων στο τοπικό κλίμα και στις συναφείς λειτουργίες του οικοσυστήματος έχουν διερευνηθεί ελάχιστα. Μελέτη πεδίου που διεξήχθη σε εύκρατο λιβάδι στο Ηνωμένο Βασίλειο, έδειξε χαμηλότερες θερμοκρασίες αέρα και εδάφους κάτω από τα φωτοβολταικά πάνελ κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου σε σύγκριση με το κενό μεταξύ των σειρών των φωτοβολταϊκών πάνελς. Επιπλέον, υψηλότερη υγρασία του εδάφους κάτω από τα πάνελς, κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου σε σύγκριση με το κενό ενώ υπήρξαν ενδείξεις για χωρική μεταβλητότητα στις φυσικές ιδιότητες του εδάφους. πιθανότατα αποτέλεσμα της συμπίεσης και της διαχείρισης της βλάστησης κατά τη διάρκεια αλλά και μετά την κατασκευή του φωτοβολταικού πάρκου. Οι μικροκλιματικές αλλαγές δεν είχαν καμία χωρική επίδραση στον δείκτη της φυλλικής επιφάνειας (LAI) ούτε στην καθαρή ανταλλαγή μεταξύ των οικοσυστημάτων (ΝΕΕ) και στις ροές υδρατμών. Αναγνωρίζοντας τις επιδράσεις των φωτοβολταικών πάρκων στις θερμοκρασίες του εδάφους κατασκευάστηκε το μοντέλο HIS-PV (Heat-In a Solar PV park) και οι αναλύσεις ευαισθησίας ανέφεραν ότι η πυκνή επιφάνεια βλάστησης και τα υγρά εδάφη αύξησαν τα σφάλματα του μοντέλου κατά τη διάρκεια της καλλιεργητικής περιόδου, ενώ η χαμηλής πυκνότητας επιφάνεια βλάστησης μείωσαν τα σφάλματα μοντέλου μετά την περίοδο ανάπτυξης της βλάστησης. Το μοντέλο HIS-PV εφαρμόστηκε για την προσομοίωση της θερμοκρασίας του εδάφους, των εισερχόμενων βραχέων κυμάτων (SW) και της πιθανής εξάτμισης (PE) σε διαφορετικές κλιματικές ζώνες. Η ετήσια εισερχόμενη SW ακτινοβολία επηρεάστηκε έντονα. Οι περιοχές ελέγχου (control) έλαβαν 60% περισσότερη ηλιακή ακτινοβολία από ότι κάτω από τα πάνελς σε όλες τις ζώνες. Η θερμοκρασία του εδάφους και η PE κατέδειξαν τις μεγαλύτερες διαφορές μεταξύ των περιοχών υπό έλεγχο (control) και των περιοχών ελέγχου (control) σε ξηρά περιβάλλοντα, ακολουθούμενες από ενδείξεις για μικρότερη ποσότητα βαθμοημέρων ανάπτυξης κάτω από τα πάνελς τόσο στην άνυδρη όσο και στην ζώνη του ισημερινού. Ανεξάρτητα από την ευρεία ανάπτυξη των φωτοβολταικών πάρκων και την αναμφισβήτητη σημασία των χερσαίων οικοσυστημάτων, οι τοπικές κλιματικές αλλαγές που προκαλούνται από τα πάρκα αυτά και οι επιπτώσεις στις υπηρεσίες που απορρέουν από τα οικοσυστήματα που παρέχονται από το τοπίο φιλοξενίας-κατασκευής, έχουν επιλυθεί ελάχιστα. Αυτή η μελέτη παρέχει την πρώτη σύνθεση της αναδυόμενης κατανόησης σε αυτόν τον τομέα. Τα ευρήματα της έρευνας χρειάζονται επειγόντως για να βελτιωθεί η κατανόηση και, επομένως, να διερευνηθεί η δυνατότητα διαχείρισης φωτοβολταικών πάρκων για την παροχή πολλαπλών υπηρεσιών οικοσυστήματος.