湖泊表面漂浮式光伏（FPV）的水动力、热力学及混合效应：对水体分层与生态系统的多维影响

本文系统探讨了漂浮式光伏（FPV）系统对湖泊水动力过程、热分层结构及混合机制的复杂影响。研究通过三维数值模拟与理论分析，揭示了FPV覆盖面积（χ）、空间布局（中心/边界部署）及面板导热特性（导电型/绝缘型）对水体热惯性、表面热通量（如ql、qs、qlw）、混合层深度（SML）和机械能分配（如Ek、Φb）的显著调控作用，为FPV的生态风险评估与可持续设计提供了关键科学依据。

　　

1 引言

随着全球对可再生能源需求的增长，漂浮式光伏（Floating Photovoltaics, FPV）系统在湖泊和水库中的应用迅速扩展。截至2022年，全球FPV装机容量已达13 GWp，但仍不足全球潜力估计值400 GWp的3%。FPV技术不仅能缓解土地资源紧张问题，还可与水力发电形成互补，稳定电力输出。然而，FPV对水体物理过程和生态环境的影响尚未被充分认知。现有研究多聚焦于技术经济性评估，或使用简化的一维模型（1D-z）模拟FPV的遮蔽效应，忽略了水平方向的异质性和机械过程的复杂性。西班牙等国家虽已立法限制FPV覆盖面积（如富营养化水体不超过15%），但该阈值缺乏科学依据，且未考虑水位波动对实际覆盖率的动态影响。因此，亟需从水动力-热力学耦合角度，系统性揭示FPV对湖泊混合机制、分层结构及长期热惯性的影响。

2 研究方法

本研究采用理想化水体模型与三维数值模拟（Si3D模型）相结合的方法，探究FPV在不同覆盖条件（χ = S_c/S）下的影响。模型设定为一个平坦底部的矩形水体（深度H = 20 m），通过变化FPV的空间布局（中心、上风区、下风区）和面板导热特性（导电型与绝缘型），量化其对能量通量、混合速率及热结构的调控作用。

2.1 理论模型框架

基于Fischer等人的表面混合层（SML）模型，推导了部分覆盖条件下的混合能量分配规律。在无覆盖区域，SML加深速率（w_u）受风应力摩擦速度（u_*）和浮力通量共同控制。覆盖后，机械能输入（Φ_S）随未覆盖面积（1-χ）线性减少，但可用势能（ΔE_a）和动能（E_k）的分配呈非线性变化：ΔE_a ∝ χ(1-χ)，峰值出现在χ=0.5时；而背景势能（ΔE_b，代表实际混合能耗）随χ增加呈“凹型”下降。

2.2 数值模拟设计

模拟设置两组实验：

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  Set A：绝热条件下，对分层水体施加恒定风速（5 m s^-1），分析不同χ和布局对能量分配（E_k、E_a、E_b）的短期响应。

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  Set B：基于美国加州Fresno地区10年气象数据，模拟FPV对季节性分层和长期热惯性的影响。

  FPV的热通量处理分为两类：

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  导电型FPV：阻断潜热通量（q_l），保留显热（q_s）和长波辐射（q_lw）交换，面板反照率a_c=0.2。

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  绝缘型FPV：完全抑制所有热通量。

3 结果与讨论

3.1 初始风场响应

在绝热条件下，覆盖面积χ增加导致混合能量ΔE_b呈(1-χ)^3/2下降，而总机械能ΔE按(1-χ)线性减少。可用势能ΔE_a在χ=0.5时最大（占ΔE的15%），印证了理论预测。纵向风场实验中，动能E_k在边界部署FPV时下降更显著（高斯函数拟合，λ≈0.4），而中心部署时下降较缓（λ=3）。下风区布局会抑制覆盖-未覆盖区交换流，进一步降低混合效率。

3.2 季节性热分层与热通量

FPV覆盖导致混合层（SML）变浅、深水区降温，但近表层温度变化因面板类型而异：

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  导电型FPV：近水面升温（最高+3°C），热通量Q_c > Q_u（未覆盖区），未覆盖区成为净冷却区。

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  绝缘型FPV：近水面降温，Q_c = 0 < Q_u。

  蒸发损失随χ增加非线性减少，原因在于未覆盖区表面温度变化改变了潜热通量强度。

3.3 日尺度混合层动态

χ=33%时，导电型FPV下覆盖与未覆盖区SML温度日较差达3°C（昼间最大），夜间梯度消失；而绝缘型FPV温度梯度较小（≈0.3°C），且SML变化相位相反。水平密度梯度持续驱动对流交换流，表明SML并非完全均匀混合。

3.4 系统能量分配

χ从0%增至33%时，大尺度动能E_k增加150%（因水平流增强），但浮力生产项Φ_b（代表混合效率）非线性下降。机械能输入ΣΦ_S在χ=30%附近出现峰值，源于SML变浅和温度跃层（δT）增强的协同效应（ΣΦ_S ∝ L_u³δT^-1h^-2）。这表明FPV覆盖后，更多能量用于水平输运而非垂直混合。

3.5 长期热惯性

FPV增加系统热惯性，导致季节性温度波动衰减、相位延迟（最高达1–2个月）。绝缘型FPV使年均水温上升2°C（χ=90%时），响应时间Δτ_y从1年（χ=0）延长至10年（χ=100%）。导电型FPV对年均温度影响较小，但强化了季节内波动。

3.6 生态影响启示

FPV引发的混合抑制、升温效应和UV遮挡可能加剧藻华（尤其蓝藻）、降低水体溶解氧、促进缺氧现象。水平交换流的增强虽可扩散局部污染物，但也可能扩大生态扰动范围。未来需结合具体湖盆形态、水文气候特征及FPV设计参数（如面板高度、间距），开展生态-水动力耦合建模。

4 总结与结论

FPV对湖泊物理过程的影响主要由覆盖面积（χ）主导，但面板导热属性和空间布局引入显著二阶效应：

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  热惯性增强，季节性波动衰减且相位延迟。

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  混合层深度减少，温度跃层（δT）在导电型FPV下显著增强。

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  机械能分配转向水平输运，混合效率下降。

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  长期热平衡变化可能扰动水体生态功能。

  本研究为FPV的生态风险评估提供了机理框架，强调需针对具体水体特征优化部署方案，以平衡可再生能源收益与生态保护需求。