Effects of floating photovoltaic systems on reservoir hydrodynamics and water quality

Abstract

Resumo: As investigações sobre os impactos dos painéis fotovoltaicos flutuantes (FPV) mostraram que estas são dependentes da área de cobertura, bem como das características do corpo hídrico em que se encontram. Foram monitorados dois estudos de caso, um lago de pedreira localizado no sul da Alemanha, com 8% de área coberta, e um reservatório subtropical no sul do Brasil, com 0.01% de área coberta. O primeiro foi monitorado de setembro de 2023 a julho de 2024, enquanto o segundo foi monitorado de outubro de 2022 a abril de 2023, ambos com sensores fixo de temperatura e oxigênio, e medições pontuais com sensores multiparâmetro. Para ambos os locais, constatou-se que a variação de temperatura não apresentou diferenças estatisticamente significativas entre os pontos coberto e não coberto. Já os resultados de oxigênio dissolvido apresentaram reduções de concentração devido à presença de painéis. Ainda, foram simulados cenários de expansão de cobertura a fim de avaliar seus possíveis impactos no transporte advectivo e no processo de reaeração. Os modelos foram calibrados para temperatura e oxigênio dissolvido, apresentando resultados satisfatórios. Foram simulados 5 cenários para o lago (base, atual, 3 de expansão) e 2 para o reservatório (atual e expansão). Ambos apresentaram redução da temperatura superficial, da profundidade da termoclina e da estabilidade de schmidt. Com relação ao oxigênio dissolvido, que foi modelado considerando apenas o processo de reaeração, houve um aumento de concentrações. Em ambos os modelos houve redução da evaporação, que apresentou maiores proporções no reservatório que no lago, considerando porcentagens de cobertura semelhantes. Em termos de velocidades, os modelos divergiram entre os ambientes, obtendo-se um aumento de velocidade no lago em relação ao cenário base, e uma redução no reservatório. De maneira geral, observa-se que os impactos do FPV não são lineares e dependem das configurações do sistema, bem como do ambiente em que estão inseridos, e podem aumentar a heterogeneidade espacial do ambiente. Considera-se a abordagem da modelagem computacional utilizada promissora, podendo ser complementada para considerar mais processos de qualidade da água no futuro

Abstract: Investigations into the impacts of floating photovoltaic panels (FPV) have shown that these are dependent on the area of coverage, as well as the characteristics of the water body in which they are located. Two case studies were monitored, a gravel pit lake located in the south of Germany, with 8% covered area, and a subtropical reservoir in the south of Brazil, with 0.01% covered area. The former was monitored from September 2023 to July 2024, while the latter was monitored from October 2022 to April 2023, both with fixed temperature and oxygen sensors, and punctual measurements with multi-parameter sensors. For both sites, it was found that the temperature variation showed no statistically significant differences between the covered and uncovered points. On the other hand, the dissolved oxygen results showed reductions in concentration due to the presence of panels. Cover expansion scenarios were also simulated in order to assess their impact on advective transport and on the reaeration process. The models were calibrated for temperature and dissolved oxygen, showing satisfactory results. Five scenarios were simulated for the lake (base, current, and three expansions) and two for the reservoir (current and expansion). Both showed a reduction in surface temperature, thermocline depth and Schmidt stability. Regarding dissolved oxygen, which was modeled considering only the reaeration process, there was an increase in concentrations. Both models showed a reduction in evaporation, which was higher in the reservoir than in the lake, considering similar coverage percentages. In terms of velocities, the models differed between the environments, with an increase in velocity in the lake compared to the base scenario, and a reduction in the reservoir. In general, the impacts of FPV are not linear and depend on the system's configurations, as well as the environment in which they are inserted, and can increase the spatial heterogeneity of environments. The computer modeling approach used is considered promising and could be complemented to consider more water quality processes in the future