文章信息：Khan, A., Anand, P., Garshasbi, S., Khatun, R., Khorat, S., Hamdi, R., Niyogi, D. & Santamouris, M. (2024). Rooftop photovoltaic solar panels warm up and cool down cities. Nature Cities, 1(11), 780–790. https://doi.org/10.1038/s44284-024-00137-2

整理人：闫甲祺，2024级硕士研究生

整理时间：2024年11月27日

Abstract: The widespread adoption of rooftop photovoltaic solar panels in urban environments presents a promising renewable energy solution but may also have unintended consequences on urban temperatures. This is primarily due to their lower albedo, which leads to increased heat absorption and enhanced thermal convection between the panels and the underlying roof surfaces. Here we show that, in Kolkata, city-wide installation of these rooftop photovoltaic solar panels could raise daytime temperatures by up to 1.5 °C and potentially lower nighttime temperatures by up to 0.6 °C. Our study also reveals that rooftop photovoltaic solar panels significantly alter urban surface energy budgets, near-surface meteorological fields, urban boundary layer dynamics and sea breeze circulations. Comparative analysis with cities, such as Sydney, Austin, Athens and Brussels, supports these findings, providing valuable insights for policymakers on managing large-scale solar panel installations. Understanding these effects is crucial for balancing the benefits of renewable energy with its potential impacts on urban climates.

摘要：屋顶光伏太阳能电池板在城市环境中的广泛采用提供了一种有前途的可再生能源解决方案，但也可能对城市温度产生意想不到的影响。这主要是由于它们的反照率较低，从而导致吸热增加并增强面板与下方屋顶表面之间的热对流。在这里，我们表明，在加尔各答，全市范围内安装这些屋顶光伏太阳能电池板可以使白天温度升高多达 1.5°C，并可能使夜间温度降低多达 0.6°C。我们的研究还表明，屋顶光伏太阳能电池板显着改变城市地表能源预算、近地表气象场、城市边界层动力学和海风环流。与悉尼、奥斯汀、雅典和布鲁塞尔等城市的比较分析支持了这些发现，为决策者管理大规模太阳能电池板安装提供了宝贵的见解。了解这些影响对于平衡可再生能源的好处及其对城市气候的潜在影响至关重要。

1.研究背景：

城市环境与可再生能源：城市环境中广泛采用屋顶光伏太阳能板（RPVSPs）作为一种有前景的可再生能源解决方案，但同时可能对城市温度产生意外的影响，主要是由于它们的低反照率导致增加热量吸收和增强热对流。

2.研究意义：

• 城市微气候影响：研究城市规模部署RPVSPs对城市微气候的影响，对于平衡可再生能源的好处及其对城市气候的潜在影响至关重要。

• 政策制定者指导：通过比较分析不同城市（如悉尼、奥斯汀、雅典和布鲁塞尔）的情况，为政策制定者提供有关管理大规模太阳能板安装的宝贵见解。

3.研究方法：

• 气候模型与数据：使用最新的天气研究和预报（WRF）模型与多层城市方案（如建筑能耗模型BEM与建筑效应参数化BEP）集成，准确捕捉RPVSPs的能量平衡。

• 模拟实验：通过模拟实验，评估RPVSPs在城市尺度上对城市表面能量预算、近地表气象场、城市边界层动力学和海风循环的影响。

4.主要结论：

1. 温度变化：在加尔各答，全市范围内安装屋顶光伏太阳能板可能会使白天温度升高高达1.5°C，并可能降低夜间温度高达0.6°C。

2. 能量预算与气象场：RPVSPs显著改变了城市表面能量预算和近地表气象场。

3. 边界层动力学：RPVSPs的部署改变了城市边界层动力学，尤其是在白天。

4. 海风循环：RPVSPs的部署可能通过改变地表条件和边界层结构来改变海风循环。

5.研究展望：

• 技术改进：通过提高RPVSPs的效率，可以减少对流热的产生，这对于RPVSPs技术的发展至关重要。

• 城市气候影响：研究结果强调了在城市规划和气候敏感设计中考虑RPVSPs的热特性的重要性。

• 未来研究方向：未来的研究应优先提高屋顶反射率和发展先进的系统，以减轻白天的城市加热，并探索将材料科学的进步与RPVSPs技术结合起来，创造在较低温度下运行的冷却光伏系统。

6.研究主要图表：

01净辐射模拟的变化（具有 RPVSP 场景的建筑屋顶减去没有 RPVSP 场景的建筑屋顶）（上图14：00下图02：00）

02环境温度模拟的变化（具有 RPVSP 场景的建筑屋顶减去没有 RPVSP 场景的建筑屋顶）（上图14：00下图02：00）

03表面温度模拟的变化（具有 RPVSP 场景的建筑屋顶减去没有 RPVSP 场景的建筑屋顶）（上图14：00下图02：00）

04模拟垂直气象变量的变化

05 30 个 RPVSP 评估案例研究的报告结果

06WRF BEP + BEM框架内的RPVSP设计

原文链接：https://www.nature.com/articles/s44284-024-00137-2                

原文转引：https://mp.weixin.qq.com/s/DaeHj3Pu1UNjbnhOYbBJLA