افزایش دمای محیط شهری با نصب پنلهای فتوولتائیک روی پشتبام
سامانه PV یکی از مناسب‌ترین گزینه‌‌‌ها برای صرفه‌جویی در مصرف برق خصوصا برای شهرها و مکان‌‌‌های بزرگ به حساب می‌‌‌آید. اخیرا یک گروه بین‌المللی از دانشمندان مدل جدیدی برای ارزیابی پنلهای خورشیدی فتوولتائیک نصب‌شده روی پشتبام (RPVSP) در ریزاقلیم‌‌‌های شهری ایجاد کرده‌‌‌اند. این ماژول از آخرین مدل تحقیق و پیش‌بینی آب و هوا (WRF) استفاده می‌کند و مدلسازی انرژی ساختمان (BEM) و پارامترسازی اثر ساختمان (BEP) را در آن ادغام می‌کند. این مدل با استفاده از مدل‌‌‌های تایید‌شده تجربی در ۱۰ ایستگاه نصب‌شده در کلکته هند مورد تایید قرار گرفت.
مدلسازی انرژی ساختمان (BEM) عمل استفاده از نرم‌‌‌افزار شبیهسازی مبتنی بر رایانه برای انجام تجزیه و تحلیل دقیق از مصرف انرژی و سیستم‌های مصرف انرژی ساختمان است. نرم‌‌‌افزار شبیهسازی با ارائه یک مدل ریاضی کار می‌کند که نمایشی تقریبی از عملکرد ساختمان ارائه می‌دهد. این در حالی است که گزارش‌های موجود در خصوص تاثیر RPVSP بر محیط شهری نشان می‌دهند که اکثر آنها بر اساس آزمایشهای میدانی در محل یا شبیه‌‌‌سازی‌‌‌های مقیاس ساختمان هستند و فاقد یک تحلیل جامع در مقیاس چند شهر هستند.
این پژوهش‌‌‌ها همچنین انتقال حرارت همرفتی بین سطح سقف و پشت پنلهای خورشیدی را نادیده می‌گیرد. مطالعه با ترکیب پارامترهای جدید برای پنلهای خورشیدی فتوولتائیک نصب‌شده روی پشت بام، از جمله انتقال حرارت همرفتی، به این شکاف‌‌‌ها می‌‌‌پردازد که منجر به نتایج همسوتر با مطالعات دیگر می‌شود که ملاحظات مشابه را در بر می‌‌‌گیرند. این رویکرد ترکیبی که مدل WRF/BEP + BEM نام دارد، می‌تواند تبادل حرارت، تکانه، رطوبت و شارژ انرژی جنبشی متلاطم بین ساختمان‌‌‌ها و محیط بیرون را در شرایط جوی پایدار محاسبه و بررسی کند.
این فرآیند ابتدا در شهر کلکته هند آزمایش شد و سپس با انجام آزمایشهای مشابه در شهر سیدنی استرالیا نیز تایید شد. این در حالی است که در شهرهای آستین، تگزاس، ایالات متحده آمریکا؛ آتن، یونان و بروکسل بلژیک نیز برای اطمینان از اینکه یافته‌‌‌ها به یک منطقه آب و هوایی خاص محدود نمی‌شود، مورد سنجش قرار گرفت. پنج آزمایش برای ارزیابی تاثیر منطقه‌‌‌ای و استقرار گسترده RPVSP در طی یک ماه موج گرمای جاری در کلکته انجام شد. این آزمایش‌‌‌ها سناریوهای پنلهای خورشیدی فتوولتائیک نصب‌شده روی پشتبام را با کسرهای پوشش ۰.۲۵، ۰.۵۰، ۰.۷۵ و ۱.۰ در شهرها بررسی کردند و پارامترهای استاندارد RPVSP، از جمله ضریب آلبیدو، راندمان تبدیل و انتشار، به ترتیب روی اعداد ۰.۱۱، ۰.۱۹ و ۰.۹۵ تنظیم شدند.
اما بر اساس داده‌‌‌های جمع‌‌‌آوری‌‌‌شده در کلکته، پنلهای خورشیدی فتوولتائیک نصب‌شده روی پشتبام می‌توانند دمای هوای نزدیک به سطح را در طول روز تا ۱.۵ درجه سانتی‌گراد افزایش دهند، زیرا این پنل‌‌‌ها تقریبا حدود ۹۰درصد انرژی خورشیدی را جذب و تقریبا ۲۰درصد آن را به الکتریسیته تبدیل می‌کنند، در حالی که بقیه گرمای جذب‌شده به گرم شدن محیط کمک می‌کند. از سوی دیگر، در شب، پوشش کامل PV در شهر می‌تواند حداکثر دمای هوای نزدیک به سطح شب را تا ۰.۶ درجه سانتی‌گراد کاهش دهد. همچنین در ساعات اوج گرما، دمای سطح سقف تا ۳.۲درجه سانتی‌گراد افزایش می‌‌‌یابد و میانگین سرمایش ۱.۴ درجه سانتی‌گراد در شب است.
اما بر اساس نتایج به‌‌‌دست آمده دمای هوای نزدیک به سطح در سراسر صفحه مشابه بود. در شهر سیدنی در شب سرمایش ۰.۸ درجه سانتی‌گراد مشاهده شد و در روز نیز دما ۱.۹ درجه سانتی‌گراد افزایش یافت. در شهر آستین سرمایش ۰.۷ درجه سانتی‌گراد و افزایش دما ۱.۸ درجه سانتی‌گراد ثبت شد، در حالی که در آتن به ترتیب ۰.۴ سرمایش و ۱.۲ درجه سانتی‌گراد افزایش دما را نشان داد و در نهایت نتایج بروکسل خنک شدن شبانه ۰.۳ درجه سانتی‌گراد و افزایش ۱.۱ درجه سانتی‌گراد در روز را نشان داد.
این گروه افزود: مطالعه ما همچنین نشان می‌دهد که پنلهای خورشیدی فتوولتائیک نصب‌شده روی پشت بام به‌‌‌طور قابل‌‌‌توجهی بودجه انرژی سطح شهری، میدان‌‌‌های هواشناسی نزدیک به سطح، دینامیک لایه مرزی شهری و گردش نسیم دریا را تغییر می‌دهند. در حقیقت بودجه انرژی یا هم‌‌‌ارزی تابشی سطحی تعیین می‌کند که چقدر انرژی برای تبخیر آب و مرطوب کردن جو در دسترس است. شارهای انرژی هوا-دریا ساختار حرارتی اقیانوس‌‌‌ها را تنظیم می‌کند که به نوبه خود انرژی را در سراسر سیاره توزیع می‌کند و پیامدهای مهم زیادی برای آب و هوا دارد. افزایش دمای شهری به دلیل نصب پنلهای فتوولتائیک، اختلاط کمتر جوی را افزایش می‌دهد و ارتفاع لایه مرزی سیارهای (PBL) را تا ۶۱۵.۶ متر افزایش داده و در نتیجه آلودگی سطح زمین را کاهش می‌دهد. لایه مرزی سیارهای پایین‌ترین قسمت جو را نشان می‌دهد که مستقیما تحت‌تاثیر سطح زمین است.
از آنجا که مصرف انرژی در جهان رو به افزایش است یافتن شیوه‌‌‌ها و منابعی که جایگزین سوخت‌‌‌های فسیلی باشد، اهمیت دوچندانی می‌‌‌یابد. از این رو با بهره‌‌‌گیری از پنلهای خورشیدی در خانه‌‌‌های هوشمند می‌توان از تاثیرات منفی استفاده از سوخت‌‌‌های فسیلی، آلودگی و اثرات مخرب و نامطلوب آن بر محیط‌زیست دوری گزید. این تبعات منفی به یافتن انرژی جایگزین منجر شده است. این یافته‌‌‌ها در مطالعه «پنلهای خورشیدی فتوولتائیک نصب شده در پشت بام، شهرها را گرم و سرد می‌کنند» که در Nature Cities منتشر شد، ارائه شد. این تحقیق توسط محققان دانشگاه کلکته هند، موسسه فناوری هند خاراگپور، دانشگاه جادوپور، موسسه فناوری ماساچوست آمریکا (MIT)، دانشگاه تگزاس در آستین، آکادمی علوم چین و دانشگاه نیو ولز جنوبی استرالیا انجام شد.
