《Journal of Environmental Management》：The impact of small-scale variations in floating photovoltaics surface coverage and ‘light island’ designs on gravel pit thermal structure
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浮式光伏系统（FPVs）通过改变太阳辐射和风速影响水体温度分层，风屏蔽效应在温暖季节更显著。3D模型模拟显示不同覆盖率及光岛设计下，水温分层存在差异，但光岛对温度影响有限，可能间接影响初级生产力。需平衡能源生产与可持续水管理。
Sofia M.G. Rocha | Regina L.G. Nobre | Diego A. Casas | Stephen J. Thackeray | Alona Armstrong | Stéphanie Boulêtreau | Julien Cucherousset | Andrew Folkard
兰卡斯特环境中心，兰卡斯特大学，Library Avenue，Bailrigg，兰卡斯特，英国
摘要
预计到2050年，光伏能源将占全球能源供应的最大份额。浮动光伏系统（FPVs）预计将迅速发展，但它们对水生生态系统的影响仍知之甚少。然而，通过设计选择（包括“光岛”设计——移除阵列中的部分面板以增加光线穿透水柱的程度）有可能减轻潜在的负面影响。在这里，我们使用三维计算建模（Delft3D-FLOW）来研究多种光岛设计下水体的热响应可能发生的变化。模型预测，对于所有设计，FPVs对水柱温度的影响都随季节和深度而变化：在较温暖的月份，风遮挡效应占主导地位，导致比没有FPVs的情况下热分层更明显。即使表面覆盖面积仅有约5%的小变化，表面覆盖的变化也是热响应的主要驱动因素；光岛设计对水温和热分层的影响有限。然而，光岛也可能通过增强水下光照来影响初级生产。需要进一步研究光岛对水体生物和化学响应的影响，以确保FPV部署策略能够在能源生产和可持续水资源管理之间取得平衡。
引言
预计到2050年，光伏能源将占全球能源供应的最大份额（DNV，2024年）。据报道，浮动光伏阵列（FPVs）在淡水水体（主要是人工湖泊和水库）上的部署正在呈指数级增长（Almeida等人，2022年；Liu等人，2023年；Woolway等人，2024年；Xia等人，2023年）。FPVs具有多种潜在的协同效益，例如由于水的冷却效应，它们比陆地上的阵列更高效（D?renk?mper等人，2021年；El Hammoumi等人，2021年；Sacramento等人，2015年）；与地面安装的系统相比，它们减少了能源设施对土地的需求（Nobre等人，2023年）；减少了因蒸发造成的水资源损失（Kumar和Kumar，2020年；Majumder等人，2021年；Nisar等人，2022年；Santafé等人，2014年）；并且可能缓解气候变化对宿主水体的影响（Exley等人，2021年；Liu等人，2023年）。尽管如此，人们对宿主水体对FPV部署的物理化学和生态响应了解仍然不足（Nobre等人，2023年；Ramanan等人，2024年；Rocha等人，2024年）。
鉴于FPVs的预期增长和更大规模的部署，了解水体的响应至关重要，特别是在小型水体中，因为它们容纳了大多数现有的FPVs（Nobre等人，2023年）。此外，较小的水库通常具有更高的FPV相对覆盖率（以水体总面积的百分比表示）（Nobre等人，2024年），因此对水体物理、化学和生物过程的干扰可能更大。FPVs通过作为风混合和水柱中光线穿透的物理屏障来影响水体过程（Al-Widyan等人，2021年；Li等人，2020年），从而对热动态、生物地球化学循环以及营养物质的浓度和各营养级生物的丰度和组成产生连锁效应（Li等人，2023年）。这些物理、化学和生物效应以复杂的方式相互关联，可能对水质和生态系统健康产生正面和负面的影响，这些影响可能在空间和时间上有所不同（D?renk?mper等人，2021年；Nobre等人，2023年；Rocha等人，2024年）。鉴于温度在调节生物和化学过程速率中的作用（Brown等人，2004年；Schallenberg等人，2013年），理解FPVs对水体热动态的影响是基础性的。
FPVs通常由于遮挡作用而降低水温（Exley等人，2021年；Ilgen等人，2025年；Lima Neto，2025年；Nobre等人，2025年）。然而，在某些地点，观察到它们不会导致温度差异，甚至会导致温度升高。例如，Ilgen等人（2025年）发现在一个温带砾石坑湖泊中，当8%的表面被FPVs覆盖时，水温没有显著差异；而对热带（Yang等人，2022年）和亚热带（Prandini等人，2025年）水体的研究则报告了水温升高。这些不同的响应是由于不同覆盖程度对能量平衡的影响，包括风混合和隔热效应（Armstrong等人，2020年；Liu等人，2024年）。覆盖率百分比将对热响应产生重大影响，因为它会影响风混合和辐射通量（Rueda等人，2025年），但FPV阵列的几何设计的影响尚不清楚。
有几种方法可以改变FPV阵列的几何设计来调节水体的响应。通常，表面覆盖范围的影响已经得到了相对充分的研究，经常探讨超过10%的变化（Exley等人，2022年；Ilgen等人，2025年，2023年；Ji等人，2022年）。例如，Exley等人（2022年）和Ji等人（2022年）分别应用了一维和二维模型，测试了从0%到100%的FPV覆盖范围，而更细微的覆盖变化则了解较少。Lima Neto（2025年）通过二维模型提出了一种新颖的几何设计，即创建“光岛”，与连续的FPV阵列相比，这会改变风混合和太阳辐射的接收情况。然而，对光岛设计变体的相对影响的实证测试受到实验设计挑战的阻碍：需要进行前后对照影响（BACI）研究，这需要多个具有相似特征的水体，或者需要足够的时间和资源来对同一水体上的不同FPV设计进行部署前后的监测，并且需要考虑不同的气象条件。相比之下，计算建模（通常用于增强对水体动态的理解，例如Ishikawa等人，2022年；Zheng等人，2022年；Guo等人，2023年；Xu等人，2023年；Hosseini-Sadabadi等人，2024年）是一种快速且成本效益高的方法。
为了解决光岛的潜在影响，需要采用三维建模方法，因为它可以纳入水平传输，这在表示光岛效应时至关重要。研究发现，三维建模与一维建模得出的结果不同，例如，Ilgen等人（2025年）使用一维模型时报告说FPV覆盖范围每增加一点，水柱稳定性就会下降，而同一配置的三维模型则显示稳定性在45%的覆盖范围内有所提高（Ilgen等人，2025年）。此外，三维模型能够解析整个水体上的FPV效应，而一维模型只能得到水平平均效应。
鉴于FPV部署的预期增长和对FPV设计变化的有限了解，本研究使用三维模型Delft3D-FLOW（Deltares，2020）来研究水体的热结构可能如何响应FPV覆盖范围和不同的光岛设计。具体目标是：（1）模拟水体对覆盖不同百分比宿主水体表面积的FPVs部署的热响应；（2）评估水体热响应在不同光岛配置下的变化。我们的结果为FPV设计提供了新的见解，通过提高我们对FPV几何设计对水体热结构影响的理解。
材料与方法
本研究基于位于法国南部的一个砾石坑湖泊的模型（纬度：43.22° N，经度：1.61° E，海拔：245米，图1）。该湖泊是一组地理位置集中的砾石坑湖泊之一（Gimenez等人，2023年；Zhao等人，2016年），其中一些湖泊已经安装了FPVs（Nobre等人，2025年）。模型中的湖泊面积为20.4公顷，最大深度为9.0米，底部基本平坦，周围边缘坡度较陡。水位波动
FPV覆盖对湖泊热响应的影响
开放水域点的温度（图3a）在FPVs安装的情况下始终较低（图3b），在模拟的2023年期间平均降低了1.51°C。观察到了明显的季节性趋势：在2023年4月至8月期间，深度平均水温比没有FPVs时低2.20°C，而在2022年10月至2023年1月期间，水温降低了0.96°C。
值得注意的是，降温幅度
水体对FPVs的热响应
FPVs对热响应的影响可能通过不同的机制产生，包括减少太阳辐射（降低热分层）和减缓风速（由于对深层的热传递减少和对流和平流减少，从而增加热分层）（MacIntyre和Hamilton，2024年）。因此，预计减少太阳辐射和风速将对下层水体的温度产生比表面更强的影响，我们的模型也证实了这一点
结论
本研究通过三维计算建模，加深了人们对湖泊热结构如何响应FPV覆盖和多种阵列配置设计的理解。我们的发现表明，FPVs通过减少太阳辐射和风速来改变热状况，其影响随季节和深度而变化。在较温暖的月份，风遮挡效应占主导地位，导致更强的分层，尽管这些响应可能是系统特定的，并且对
CRediT作者贡献声明
Sofia M.G. Rocha：撰写——原始草稿，可视化，验证，软件，项目管理，方法论，正式分析，数据管理，概念化。Regina L.G. Nobre：撰写——审阅与编辑，可视化，验证，资源管理，调查，正式分析。Diego A. Casas：撰写——审阅与编辑，验证，软件，正式分析，数据管理。Stephen J. Thackeray：撰写——审阅与编辑，可视化，监督，资源管理，项目管理
资助
Sofia M. G. Rocha得到了工程与物理科学研究委员会（EPSRC）通过博士培训计划[资助编号EP/W524438/1]的支持。Regina Nobre得到了欧盟Horizon 2020研究与创新计划下的Marie Sk?odowska-Curie资助协议n? 101,065,785（ECLIPSE项目）的资助。这项工作是CNRS的长期生态与进化（SEE-Life）计划的一部分，并得到了ADEME（SOLAKE项目）和OFB（FLOATIX）的支持
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的竞争性财务利益或个人关系可能影响本文所述的工作。
致谢
我们感谢CNR提供湖泊和气象数据的访问权限。作者感谢兰卡斯特大学提供的高性能计算（HEC）集群资源。我们感谢HEC支持人员的协助，并认识到这些资源对于完成本研究中的大规模模拟和数据分析至关重要。
