浮動太陽能電池板給海床帶來壓力

浮動太陽能裝置為可持續能源提供了一個誘人的概念——將風能和太陽能結合在一個近海空間。但根據新的研究，海底可能正承受著這種獨創性帶來的壓力。

在 海洋科學前沿 在該出版物中，該團隊研究了部署在比利時北海並與海上風電場結合的浮式光伏（FPV）結構如何改變流體動力學，進而影響海床上的海流、湍流和壓力。

北海已經成為海上可再生能源的熱點地區，風電場數量不斷增加，其擴張目標也從目前的約 25 吉瓦電力增加到 2050 年的 300 吉瓦電力。

為了優化這種海上房地產的使用，將 FPV 模塊放置在現有風力渦輪機區域上方或周圍的概念越來越受到關注：漂浮在浮橋上或安裝在凸起框架上的太陽能電池板可以在陽光充足、平靜的區域收集陽光，同時與風力渦輪機共享電網連接基礎設施。

預計整體產量的增加和海洋空間的更有效利用將實現雙贏。然而，這項研究警告說，雖然電力可能流動，但生態系統中也可能發生其他物理效應。

比利時皇家自然科學研究所的博士研究員 Pauline Denis 和她的同事使用三維高分辨率流體動力學模型 (COHERENS) 模擬了比利時北海 Rusalka 風電場周圍 25 公里區域的多種場景。

他們比較了沒有任何結構的基準情景與僅使用風力渦輪機的情景，以及具有風力渦輪機和 FPV 的兩種混合情況，以及稀疏或密集的太陽能覆蓋（分別對應於約 126 兆瓦和約 252 兆瓦的太陽能容量）。

他們專注於四個關鍵的水動力指標：有多少陽光被阻擋（以及這如何影響海面溫度）、海流速度的變化、湍流動能的變化（衡量水中湍流程度的指標）以及底部剪切應力的差異（水對海底施加的力）。

遮陽效果適中。在夏季，他們發現安裝密集的 FPV 會使海面平均冷卻 0.006°C，在浮動裝置正下方的位置峰值達到 0.03°C。

換句話說，漂浮在水面上的巨大太陽能電池板並沒有顯著改變水溫。這表明，對於這種高架結構，與直接位於海面的其他結構相比，陰影可能不是最大的問題（儘管作者指出，他們的模型假設面板完全阻擋光線，並且沒有考慮面板本身產生的熱量）。

這也意味著對上層水體光合生物的影響以及隨後對海洋食物鏈的影響可能比之前想像的要小。

相比之下，對海流、湍流和海底剪應力的影響更為顯著。與純風場景相比，FPV 的添加使緻密介質中的平均表面流速降低了 20.7%。

漂浮的太陽能電池板不僅會減緩表面水流，還會增加水中的湍流，攪動沉積物並改變海洋環境中的能量流。

對海底水流的影響要小得多，差異僅為 0.5% 左右，但這不應低估海底發生的情況的重要性。 FPV 結構比典型的風力渦輪機基礎具有更多的水下表面（例如浮體、支撐框架和繫泊裝置），與風力單樁相比，每兆瓦裝機容量的水下表面積可能高出 20 倍。

這一點很重要，因為水下結構可以作為水流的屏障：它們減緩水流並改變水流方向；製造湍流；改變沉積物運輸、沉積或侵蝕的方式；最終影響較低的剪切應力。在這種情況下，模型顯示，在密集 FPV 場景中，與僅風場景相比，近底部剪應力局部變化高達 63%。

更引人注目的是，海底剪應力變化超過 10% 閾值（比利時海底或海底風險監測中使用的建議）的海底面積增加到風電場場地大小的 1.8 倍，超過 FPV 裝置本身覆蓋表面積的 23 倍。

簡而言之：對海底的影響比漂浮在水面上的太陽能電池板的影響要大得多。事實上，光伏發電容量增加一倍，海底面積增加了兩倍多。

為什麼這很重要？海底是底栖栖息地和生物體的家園，水在沉積物上移動的力在沉積物輸送、侵蝕、沉積和再懸浮中起著核心作用。當剪切應力增加時，沉積物會被侵蝕，因此顆粒被釋放回水體中並改變濁度；當剪切應力減小時，沉積物會沉降更多，從而改變棲息地。

因此，漂浮太陽能引起的水動力變化可以通過改變生物地球化學循環、營養物和碳沉積、幼蟲擴散和沈積模式來改變海洋生態系統的功能。

研究人員強調，雖然海上風電場的影響已被記錄，但浮動太陽能的研究仍然很少，因此這項工作強調浮動太陽能和風電場的共置值得更多關注。

研究小組指出了他們的發現的一些警告：建模分辨率（50 x 50 m 網格）無法解決非常小規模的過程（例如結構後面的漩渦），並且該模型沒有考慮波浪、錨固系統或生物污垢（生長在可以增加阻力的結構上的生物，例如貽貝或藤壺）的影響。

他們還缺乏對海洋環境中這些過程的現場觀察，這意味著模型結果應被視為早期估計而不是最終測量。然而，這項工作對海上風電場中高架 FPV 的水動力影響進行了創新評估。

對於政策制定者、規劃者和可再生能源開發商來說，這項研究發出了一個明確的信息：將浮動太陽能電池板集成到海上風電場似乎是最大化海洋空間的有效方法，但它不會沒有環境成本。水動力對海底條件和海底生態系統的影響規模可能很大，遠遠超出太陽能電池板的可見影響。

隨著海上可再生能源的擴展，在海洋空間規劃、環境影響評估和監測計劃中需要考慮多種裝置（風能、太陽能和波浪）的綜合影響。

在關於海洋可再生能源的公眾辯論中，人們非常關注成本效益、電網整合、空間利用和碳減排，這項研究提醒人們，對海洋環境的環境和物理影響必須仍然是核心。能源轉型肯定會涉及海洋工程，但工程和生態必須齊頭並進。

雖然浮動太陽能電池板仍然可以為海洋可再生能源做出寶貴的貢獻，但設計師應該明智地考慮水動力波浪效應：設計最大限度地減少水流擾動的佈局和密度，限制海底擾動的錨地和繫泊系統，以及嚴格監測沉積物和海底反應。

最終，下一代浮動太陽能風能混合動力不僅要問我們能發電多少電力，還要問它們將如何改變海底環境。

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