光伏電站建設(shè)運(yùn)行對氣候環(huán)境的能量影響

李芬 楊勇 趙晉斌 陳正洪 高曉清 申彥波

（1 上海電力學(xué)院電氣工程學(xué)院，上海 200090；2 湖北省氣象服務(wù)中心，武漢 430205；3 中國科學(xué)院寒區(qū)旱區(qū)環(huán)境與工程研究所寒旱區(qū)陸面過程與氣候變化重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，蘭州 730000；4 中國氣象局風(fēng)能太陽能資源中心，北京 100081）

0 引言

能源是經(jīng)濟(jì)與社會(huì)可持續(xù)發(fā)展的基礎(chǔ)，是人類生產(chǎn)與生活不可缺少的動(dòng)力保障[1]。隨著能源安全、生態(tài)環(huán)境、氣候變化等問題日益突出，加快發(fā)展新能源已經(jīng)成為國際社會(huì)推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型發(fā)展、應(yīng)對全球氣候變化的普遍共識和一致行動(dòng)[2-4]。根據(jù)國家能源局公布的數(shù)據(jù)，2017年我國光伏新增裝機(jī)5306萬 kW，其中，光伏電站3362萬 kW，同比增加11%；分布式光伏1944萬 kW，同比增長3.7倍。全國累計(jì)光伏裝機(jī)達(dá)到1.3億 kW，提前完成“十三五”目標(biāo)，其中，光伏電站10059萬 kW，分布式光伏2966萬 kW。近年來，我國每年新增光伏裝機(jī)容量均超過風(fēng)電，累計(jì)裝機(jī)容量未來幾年會(huì)超過風(fēng)電裝機(jī)容量。在當(dāng)前發(fā)展形勢下，大規(guī)模光伏電站開發(fā)利用可能造成的生態(tài)與氣候環(huán)境影響，應(yīng)當(dāng)引起更加廣泛的關(guān)注。

國外關(guān)于大規(guī)模電站的相關(guān)研究已經(jīng)從光伏電站建設(shè)、運(yùn)行中的能量控制與循環(huán)拓展到光伏電站對所在地水土、植被、生物群落、氣候等的影響。其中，大部分研究集中在光伏電站建設(shè)運(yùn)行中的能量循環(huán)與回收以及碳排放領(lǐng)域，部分研究考慮了光伏電站建成運(yùn)行中的有害物質(zhì)排放、土地使用、水資源需求、生物群落的影響、太陽輻射作用、地表能量改變及地-氣系統(tǒng)的輻射收支影響等。

國內(nèi)對于大規(guī)模光伏電站的研究主要集中在電力工業(yè)相關(guān)方向，關(guān)注高效光伏電池技術(shù)、高效逆變器技術(shù)、并網(wǎng)與高效運(yùn)行控制技術(shù)、光伏出力不確定性對電力系統(tǒng)穩(wěn)定性的影響、電能質(zhì)量及電能消納等相關(guān)問題，目前還沒有大規(guī)模光伏電站氣候生態(tài)環(huán)境影響的系統(tǒng)性研究。近幾年，清華大學(xué)、蘭州大學(xué)、中科院等高校院所開始對大規(guī)模光伏電站的局地環(huán)境效益進(jìn)行研究，采用結(jié)合現(xiàn)場觀測和理論建模等手段，分析了我國部分地區(qū)光伏電站對局部環(huán)境的作用[5-8]。

雖然大規(guī)模光伏電站相關(guān)的氣候環(huán)境問題尚未凸顯，但對大規(guī)模光伏電站發(fā)展與環(huán)境之間的影響機(jī)理進(jìn)行透徹研究，有助于科學(xué)合理地應(yīng)對全球氣候變化，推動(dòng)能源轉(zhuǎn)型的平穩(wěn)開展，實(shí)現(xiàn)我國能源的可持續(xù)發(fā)展。本文從能量流動(dòng)及其對相關(guān)環(huán)境因素影響角度出發(fā)，對大規(guī)模光伏電站的氣候環(huán)境影響及研究現(xiàn)狀進(jìn)行整理總結(jié)，從其碳排放、能量回收、近地面輻射及熱效應(yīng)、局部及整體的氣候作用展開討論，希望能夠?qū)ο乱徊窖芯刻剿饔兴鶐椭?/p>

1 光伏電站對氣候環(huán)境的影響因素

1.1 光伏電站對氣候環(huán)境影響方式分類

光伏電站對氣候影響方式是多樣的。光伏電站生命周期的不同階段對氣候環(huán)境的影響方式不同。從光伏電站的基礎(chǔ)建設(shè)到前期準(zhǔn)備與建設(shè)過程中，光伏組件的制備是整個(gè)制造環(huán)節(jié)的基礎(chǔ)，也是高耗能與高污染部分。光伏組件的制備過程中，需要使用大量的化學(xué)工藝，光伏電站建設(shè)過程中其他配套設(shè)備的制造、基礎(chǔ)設(shè)置建設(shè)、施工設(shè)備的使用等，這類影響與其他工業(yè)過程對能耗需求與對環(huán)境影響類似。

大規(guī)模光伏電站的運(yùn)行過程中，通過光伏效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電。到達(dá)光伏組件表面的太陽輻射，一部分參與到光伏效應(yīng)中，一部分被光伏組件本身吸收為內(nèi)能，剩下一部分被反射至大氣中。同時(shí)，光伏組件的存在阻礙了大地向上的長波輻射及大氣向下長波輻射的路徑。這一階段的光伏電站基本不會(huì)對環(huán)境造成污染影響，但是改變了地表原有的能量平衡方式，大規(guī)模、大面積的光伏電站對局部氣候及全球氣候可能會(huì)造成一定的影響。

光伏電站對氣候環(huán)境的影響方式主要分為建設(shè)前與建設(shè)后。光伏電站建設(shè)前，其對環(huán)境的影響與其他工業(yè)制造過程類似；光伏電站建成投產(chǎn)后通過吸收輻射能量進(jìn)行發(fā)電，這一過程改變了地表原有的輻射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，改變地表能量流動(dòng)方式，借此影響地表其他環(huán)境要素。

1.2 光伏電站建設(shè)工業(yè)制造過程中對環(huán)境的影響

光伏電站建設(shè)前期的工業(yè)制造過程中，最主要的高耗能部分為光伏組件的制備。其過程耗能較高、污染相對較重，光伏電站生命周期內(nèi)對環(huán)境的負(fù)面影響程度最高。光伏電站生命周期中的負(fù)面影響，大都通過光伏組件的制備過程體現(xiàn)。

光伏電站建設(shè)及投產(chǎn)后的工業(yè)過程中，可通過多種方式對地表環(huán)境產(chǎn)生影響。光伏電站建成后，大面積的光伏組件陣列對地面形成遮蔽，改變了原有的地貌結(jié)構(gòu)可能會(huì)對當(dāng)?shù)刂脖患吧锶郝鋷碛绊慬8]。大規(guī)模光伏電站建設(shè)運(yùn)行過程中對植被及生物群落的影響問題很難量化分析。并且復(fù)雜的相互影響也為量化分析理論的建立造成困難。國外對大規(guī)模光伏電站植被影響及生物群落影響環(huán)境問題的關(guān)注與研究很早就開展[12]。我國目前此方向研究較少。另外，受政策法規(guī)的影響，我國相關(guān)問題的現(xiàn)狀與國外可能有所差別。我國國家林業(yè)局發(fā)布第50號令，宣布《在國家級自然保護(hù)區(qū)修筑設(shè)置審批管理暫行辦法》(以下簡稱《辦法》)。《辦法》第三條明確表示：禁止在國家級自然保護(hù)區(qū)修筑光伏發(fā)電、風(fēng)力發(fā)電、火力發(fā)電等項(xiàng)目的設(shè)施。

1.3 光伏系統(tǒng)近地能量影響機(jī)理

光伏電站通過光伏效應(yīng)進(jìn)行發(fā)電。到達(dá)光伏組件表面的太陽輻射，一部分參與到光伏效應(yīng)中，一部分被光伏組件本身吸收為內(nèi)能，剩下一部分被反射至大氣中。同時(shí)，光伏組件的存在阻礙了大地向上的長波輻射及大氣向下長波輻射的路徑。這一階段的光伏電站基本不會(huì)對環(huán)境造成污染影響，但是改變了地表原有的能量平衡方式，大規(guī)模、大面積的光伏電站對局部氣候及全球氣候可能會(huì)造成一定的影響。

大規(guī)模光伏電站對氣候的影響，最開始都應(yīng)該是從光伏電站本身性質(zhì)考慮。光伏電站的特點(diǎn)可以概括如下：

1） 光伏組件在其下墊面上形成遮蔽，阻礙了部分下墊面的熱量吸收；

2） 光伏組件本身厚度較低，比熱容較小，但是光伏組件在發(fā)電時(shí)會(huì)有電流熱效應(yīng)及能量吸收、發(fā)散行為，在向上、向下兩個(gè)方向均會(huì)輻射熱量（長波）；

3） 建設(shè)過程中光伏電站內(nèi)植被被移除或遭到改變，改變了地面能量吸收及反射情況；

4） 光伏電站通過光伏組件的光伏效應(yīng)發(fā)電，吸收了部分太陽輻射（短波），反射很小；

5） 光伏組件吸收或反射地表的長波輻射，在夜晚削弱了地表的冷卻過程。

圖1為相關(guān)對象的影響關(guān)系。

圖1 光伏陣列對地表輻射環(huán)境的影響Fig.1 The influence of photovoltaic array on the surface radiation

大規(guī)模光伏電站對氣候環(huán)境的影響機(jī)理，應(yīng)當(dāng)在上述五種作用下通過規(guī)模效應(yīng)體現(xiàn)。

光伏電站本身觀測數(shù)據(jù)很少對外公布，并且由于數(shù)據(jù)采集持續(xù)時(shí)間、數(shù)據(jù)分辨率等限制，對大規(guī)模光伏電站整體氣候影響的研究主要集中在模型模擬計(jì)算。通過建立光伏電站的溫場、輻射場等模型，研究大規(guī)模光伏電站對近地表輻射、溫度影響與大氣層穩(wěn)定影響。這類模型結(jié)論大多缺乏實(shí)際數(shù)據(jù)支撐，往往誤差較大。利用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)對氣候變化進(jìn)行大空間尺度分析研究不失為一種好方法，風(fēng)電場相關(guān)環(huán)境研究中已有部分學(xué)者采用這種方式[13]，但是在光伏電站氣候環(huán)境分析中，目前在我國鮮有相關(guān)報(bào)道。

相對于全球氣候的影響，大規(guī)模光伏電站的局部氣候影響研究較為常見[5-8]，常見的局部氣候研究手段主要是現(xiàn)場觀測，通過對光伏電站所在地實(shí)際溫度、輻射、植被狀況進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，對比周邊環(huán)境差異，分析大規(guī)模光伏電站對局部地區(qū)的能量作用。也有對光伏電站周圍植被、生物群落變化進(jìn)行分析，側(cè)面反映光伏電站的存在對環(huán)境作用[14-16]

2 碳排放與能量回收

2.1 光伏電站的碳排放相關(guān)研究方法

自從低碳經(jīng)濟(jì)概念提出以后，國內(nèi)外學(xué)術(shù)界紛紛展開相關(guān)研究，在碳排放的測算方法研究中獲得了不少研究成果。肖宏偉[18]在總結(jié)國內(nèi)相關(guān)研究后，認(rèn)為碳排放的測算方法可以劃分為模型估算法和物料衡量法。模型估算法需要構(gòu)建估算模型，物料衡算法以質(zhì)量守恒定律為基本原則，對生產(chǎn)過程中使用的物料進(jìn)行定量分析。表1為相關(guān)方法分類及研究方式。

表1 碳排放測算方法分類及其研究方式Table 1 Classification of carbon emission measurement methods and their research methods

光伏電站作為一個(gè)系統(tǒng)性工程，其建設(shè)與運(yùn)行過程中均會(huì)對環(huán)境產(chǎn)生相關(guān)影響。大部分針對光伏電站碳排放采用的研究方式為生命周期評估（Life Cycle Assessment (LCA) framework）， Fthenakis[25]在2011年對光伏發(fā)電中的LCA研究方法做了相對詳細(xì)的總結(jié)。目前一些評價(jià)指標(biāo)可用于光伏系統(tǒng)生命周期評估[25]，見表2。

表2 光伏系統(tǒng)生命周期內(nèi)部分評價(jià)指標(biāo)Table 2 Part of the metrics used in LCA of PV system

在上述各種評價(jià)指標(biāo)中，常用的有GHG與EPBT。

式中，GHGr-rate表示光伏發(fā)電系統(tǒng)每產(chǎn)生一單位電量時(shí)等價(jià)排放的碳量，其單位為gCO2-eq/(kW·h)；GHGe-total表示光伏發(fā)電系統(tǒng)整個(gè)生命周期中碳排放總量，其單位為gCO2-eq；ELCA-output是光伏發(fā)電系統(tǒng)生命周期中總發(fā)電量，單位為kW·h。

式中，Einput表示光伏組件生命周期中所需的所有能量，包括光伏組件的制造、安裝運(yùn)行、維護(hù)、回收處理等所需要外部輸入的全部能量，單位為MJ。EBOS.E表示光伏發(fā)電系統(tǒng)中能量平衡設(shè)備（Balance of system，BOS）（指基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)、電纜、逆變器、變壓器、蓄電池等光伏組件外的其他設(shè)備）需要的所有能量，其單位為MJ。Eoutput表示光伏發(fā)電系統(tǒng)生命周期中年平均發(fā)電量，單位為MJ。

2.2 光伏發(fā)電系統(tǒng)能量循環(huán)分析

當(dāng)前較為常見的光伏組件原材料包括：單晶硅（mono-Si）、多晶硅（multi-Si）、非晶硅（a-Si）、碲化鎘薄膜（CdTe）、銅銦硒薄膜（CIS）等。目前已經(jīng)有不少關(guān)于不同材料組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)之間碳排放對比研究[26-27]。

部分學(xué)者通過數(shù)據(jù)搜集與分析整理，計(jì)算了基于mono-Si、multi-Si、a-Si、CdTe、CIS這5種不同組件的光伏發(fā)電系統(tǒng)的能量回收時(shí)間及碳排放指標(biāo)[27]。并推算出5種不同光伏組件組成的光伏發(fā)電系統(tǒng)生命周期中耗能需求，發(fā)現(xiàn)CdTe的EPBT與GHG兩個(gè)指標(biāo)表現(xiàn)最優(yōu)，這是因?yàn)槠溆邢鄬^低的能源需求與相對較高的光電轉(zhuǎn)化效率。另外，由于單晶硅生產(chǎn)過程中高能耗的特點(diǎn)，使用單晶硅的光伏發(fā)電系統(tǒng)EPBT與GHG兩個(gè)指標(biāo)相對最差。Pacca等[27]進(jìn)行了多晶硅與非晶硅發(fā)電系統(tǒng)的比較研究，利用密歇根大學(xué)33 kWp的屋頂光伏開展相關(guān)工作。研究發(fā)現(xiàn)，多晶硅碳排放量為72.4 gCO2-eq/(kW·h)，非晶硅碳排放量為34.3 gCO2-eq/(kW·h)。但是其他學(xué)者采用了不同的測算標(biāo)準(zhǔn)，獲得的碳排放情況與Pacca等結(jié)論有較大出入[28]。也有學(xué)者在研究光伏電站生命周期碳排放時(shí)考慮了經(jīng)濟(jì)問題，比如國際貿(mào)易對光伏組件進(jìn)口國與出口國帶來的碳足跡的改變[30]。

光伏電站整個(gè)生命周期中的能量回收時(shí)間，是光伏電站大規(guī)模推廣后應(yīng)當(dāng)著重考慮的問題，整個(gè)生命周期中的經(jīng)濟(jì)效益決定了大規(guī)模光伏電站推廣的可行性。考慮到光伏電站經(jīng)濟(jì)效益與國情有關(guān)，各國研究具有較大差別[31]。國內(nèi)相關(guān)研究沒有普及，部分研究者進(jìn)行了初步探討，主要集中的研究方向?yàn)椴煌惭b方式下能量輸出和生產(chǎn)流程各個(gè)階段能量消耗的對比。不同研究結(jié)果見表3。

表3 國內(nèi)部分學(xué)者關(guān)于光伏電站生命周期內(nèi)能量回收研究結(jié)果Table 3 Domestic research results of energy recovery in the life cycle of photovoltaic plants

2.3 光伏發(fā)電系統(tǒng)碳排放研究特點(diǎn)

不同研究機(jī)構(gòu)關(guān)于碳排放及能量回收的研究得出的結(jié)論差異顯著，產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因有多種。首先，針對光伏電站采用的LCA研究方法，少有考慮環(huán)境代價(jià)。例如，部分LCA研究結(jié)果顯示[35-38]，光伏電站生命周期中，碳排放量為16～40 g CO2/(kW·h)，但是這些數(shù)據(jù)沒有考慮到光伏電站建設(shè)地環(huán)境變化帶來的隱形碳排放量改變。特別是大規(guī)模光伏電站的建設(shè)，對地表環(huán)境的改變作用非常顯著，因此，在評價(jià)大規(guī)模光伏電站對環(huán)境的影響，需要考慮地形特征以及地貌改變造成的隱形影響。在確定地形特點(diǎn)后，再考慮土地利用情況、人體影響及人類生活環(huán)境影響、野生物種及其棲息地影響、水資源影響、氣候及碳排放影響[39]。文獻(xiàn)[40]在5種影響分類基礎(chǔ)上，將大規(guī)模光伏電站的環(huán)境影響細(xì)分為32種，通過對比傳統(tǒng)能源形式，分析這32種影響的正面性與負(fù)面性。最終得出結(jié)論，所考慮的32種影響中，22種影響相比于傳統(tǒng)化石能源，是大規(guī)模光伏電站的優(yōu)勢，剩余的10項(xiàng)影響中，4項(xiàng)為中性，6項(xiàng)需要經(jīng)過進(jìn)一步研究評估才能得出結(jié)果。另外，早期的研究方法最初都不是針對光伏發(fā)電系統(tǒng)提出的[41]，光伏發(fā)電系統(tǒng)與其他耗能型系統(tǒng)具有本質(zhì)的區(qū)別，其生命周期中的能量消耗主要集中在制造和建設(shè)環(huán)節(jié)，而其他能耗型系統(tǒng)，則需通過某種方式獲得持續(xù)的能量供給。因此，針對光伏發(fā)電系統(tǒng)的LCA研究應(yīng)當(dāng)更加精確地界定系統(tǒng)型別及邊界。為此，Zhou等[41]引入了物理系統(tǒng)邊界的時(shí)間擴(kuò)展概念（Temporal expansion of the physical system boundaries），來區(qū)分系統(tǒng)主要成分和次要成分。這能夠用于準(zhǔn)確、透明和一致地描述系統(tǒng)和邊界條件，且與以往研究方法的基本原則相一致。

光伏發(fā)電系統(tǒng)的建造及應(yīng)用場地的差異，也會(huì)引起碳排放及能量回收相關(guān)研究結(jié)論的差異。根據(jù)EPBF和GHG定義可以看出，碳排放及能量回收不僅與光伏系統(tǒng)建造過程中消耗的能量及排放的溫室氣體有關(guān)，還與實(shí)際投放場合有關(guān)。生產(chǎn)過程可以標(biāo)準(zhǔn)化控制，但是建站地區(qū)太陽輻射資源總量及分布形式的差異，也會(huì)不可避免地帶來碳排放及能量回收相關(guān)結(jié)論的巨大差異。區(qū)分光伏電站生命周期中碳排放影響因子權(quán)重特點(diǎn)，合理區(qū)分生命周期邊界條件，及時(shí)更新最新制造技術(shù)信息以及市場需求特點(diǎn)，對光伏電站碳排放研究具有重要推進(jìn)作用。

3 近地表輻射效應(yīng)及熱效應(yīng)

3.1 荒漠地區(qū)內(nèi)光伏電站的輻射效應(yīng)及其附帶影響

國內(nèi)關(guān)于大規(guī)模光伏電站氣候影響相關(guān)研究才剛剛起步，少數(shù)學(xué)者依托大型光伏電站，采集氣象參數(shù)，對光伏電站內(nèi)外環(huán)境參數(shù)變化進(jìn)行比對，分析大規(guī)模光伏電站對環(huán)境產(chǎn)生的影響。我國大規(guī)模光伏電站集中于中西部地區(qū)，相關(guān)的氣候、環(huán)境研究也集中于中西部地區(qū)。主要的研究內(nèi)容為大規(guī)模光伏電站對當(dāng)?shù)剌椛洹⒖諝鉁貪穸取⒌乇頊囟取⑼寥罍囟取⒌乇砟芰渴罩ё兓扔绊憽?/p>

高曉清等針對光伏電站在荒漠地區(qū)的氣候影響進(jìn)行了持續(xù)的研究，其主要研究地點(diǎn)是位于柴達(dá)木盆地南側(cè)邊緣地帶的110 MWp光伏電站[5]。高曉清等從輻射場、土壤溫度、空氣溫濕度3個(gè)方面分析光伏電站對當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境的影響[5-7]。常蕊等[8]也對光伏電站內(nèi)輻射、氣溫等變化情況進(jìn)行了研究，相關(guān)研究地點(diǎn)為龍羊峽水光互補(bǔ)電站Ⅰ期，裝機(jī)容量為320 MWp；常蕊等對實(shí)驗(yàn)地的太陽短波輻射、長波輻射、凈輻射、2 m氣溫、光伏組件表面溫度等進(jìn)行了測量。中國科學(xué)院吳治永等[15]對我國寧夏中衛(wèi)市某聚光熱發(fā)電電站（CSP）對土壤侵蝕和土壤溫度等影響進(jìn)行了定量研究。上述學(xué)者的研究均集中于我國中西部地區(qū)干旱或沙漠地區(qū)，研究結(jié)論有相似之處，但是也存在一些差別，分析如下。

光伏電站吸收了一部分短波輻射，自身向外輻射長波輻射的同時(shí)也對地表輻射特征產(chǎn)生影響。關(guān)于光伏電站對輻射場的影響，楊麗薇等[5]研究認(rèn)為光伏電站夜間有保溫效應(yīng)，白天有降溫效應(yīng)；光伏電站內(nèi)外反照率差異明顯；站內(nèi)與站外輻射各分量年內(nèi)變化特征明顯，站內(nèi)年均向上短波輻射明顯低于站外；光伏電站是一個(gè)能量匯聚點(diǎn)，因光伏組件將部分輻射能轉(zhuǎn)換為電能輸出，導(dǎo)致站內(nèi)地表溫度低于站外。Chang等[8]同樣認(rèn)為光伏組件表面短波輻射分量的變化使得光伏組件在一年中都起到了能量源的作用，并且光伏組件陣列表面溫度的升高，使得其周圍空氣溫度上升，可能產(chǎn)生光伏熱島效應(yīng)。

光伏電站的運(yùn)行使地表原有能量狀態(tài)發(fā)生變化，同時(shí)，光伏組件的大面積鋪設(shè)，對地表產(chǎn)生了遮蔽作用，也對地表的氣流產(chǎn)生影響。綜合作用造成了地表土壤溫度的變化。關(guān)于光伏電站對荒漠地區(qū)土壤溫度的影響，高曉晴等研究結(jié)果表明[6]，在土壤淺層（5～10 cm），光伏電站內(nèi)外土壤溫度日變化差異明顯，5 cm層土壤溫度日最大值相差9.7 ℃。土壤淺層，土壤溫度日較差站內(nèi)明顯低于站外，表明光伏裝置具有絕熱保溫作用。夏季站內(nèi)外各層土壤溫差不明顯；冬季，站外各層土壤溫度均明顯高于站內(nèi)，光伏電站是冷源。常蕊等認(rèn)為光伏電站地面的冷卻作用與光伏組件陣列形成的陰影有關(guān)[8]。但是吳治永等研究結(jié)論與高曉清等結(jié)果略有差異，吳治永等的研究結(jié)果表明，電站內(nèi)土壤溫度相較于站外有0.5～4 ℃的變化，冬季站內(nèi)溫度明顯高于站外，夏季相反[15]。吳治永等與高曉清等研究結(jié)論的差異可能是光伏電站類型差異造成的，因此，不同類型光伏電站的氣候環(huán)境影響，可能需要在后續(xù)工作中展開研究。

關(guān)于空氣溫濕度影響，高曉清等結(jié)果顯示：對2 m氣溫而言，冬季白天站內(nèi)外基本相同；春、夏、秋季白天站內(nèi)明顯高于站外，夏季差異達(dá)最大，這與光伏組件發(fā)熱、加熱空氣的效應(yīng)大于光伏組件的遮陽冷卻效應(yīng)有關(guān)；而在夜間，站內(nèi)2 m氣溫值均高于站外，這可能與光伏組件對近地面層的保溫作用有關(guān)。而10 m氣溫，四季白天站內(nèi)均低于站外，這主要是由于白天站內(nèi)下墊面將部分接收的太陽輻射轉(zhuǎn)換成電能輸出，使得站內(nèi)下墊面吸收及反射獲得的能量低于站外所致；其秋、冬季相差較大，夏季相差最小，這可能因?yàn)橄募練鉁剌^高，光伏組件光電轉(zhuǎn)化效率降低[45]，進(jìn)而造成吸收太陽輻射較小的緣故。在年內(nèi)變化中，站內(nèi)2 m氣溫月均值均高于站外，而站內(nèi)10 m氣溫月均值均低于站外。在10 m高度處，夜間站內(nèi)相對濕度大于站外。

光伏電站的輻射與溫濕度效應(yīng)會(huì)帶來氣流影響。部分研究表明，當(dāng)大氣層處于中性層結(jié)結(jié)構(gòu)下，近地面層風(fēng)速與高度呈現(xiàn)對數(shù)變化規(guī)律，近地層風(fēng)速廓線與熱力層有關(guān)[42]。趙鵬宇等[43]依托烏蘭布和沙漠東北邊緣的光伏電站，研究了沙漠地區(qū)光伏電站的氣流影響。結(jié)果表明，由于光伏電站的存在以及其對地區(qū)溫度影響，相關(guān)地域內(nèi)風(fēng)速較曠野處有明顯變化。光伏陣列行道間、光伏組件前檐與后檐風(fēng)速明顯降低，光伏板前檐10～100 cm與200～250 cm高度處風(fēng)速加強(qiáng)，光伏電站內(nèi)10～20 cm與200～250 cm處風(fēng)速變化緩慢，20～200 cm處風(fēng)速變化劇烈。這一性質(zhì)可以為荒漠地區(qū)防風(fēng)固沙工作帶來新思路[14]。

綜上分析，荒漠地區(qū)大規(guī)模光伏電站的存在，對當(dāng)?shù)氐牡乇須夂颦h(huán)境帶來影響，改變地表的反照率與局部溫度情況，并改變地表粗糙度狀態(tài)，影響風(fēng)速的變化。上述關(guān)于荒漠地區(qū)研究均基于實(shí)地測量與現(xiàn)場分析，能夠反映特定地區(qū)光伏電站的環(huán)境影響情況，但是不具備推廣到一般性結(jié)論的條件。光伏電站的電池組件直接減少了地表反照率，帶來局部地表風(fēng)速下降效果，造成最低溫度與最高溫度水平的顯著變化，并且最低溫度變化高于最高溫度變化。這種不對稱的溫度沖擊，可能會(huì)造成區(qū)域夜晚時(shí)段內(nèi)垂直的空氣對流，增加當(dāng)?shù)貪穸龋黾咏邓怕省＝邓畮砹酥脖桓采w率的提高，進(jìn)一步降低地表反照率，從而形成反照率—降水—植被這種正向循環(huán)結(jié)果。上述猜想需建立基于動(dòng)態(tài)植被變化的氣候模型進(jìn)行驗(yàn)證。

3.2 光伏電站區(qū)域熱效應(yīng)及總體氣候影響

國內(nèi)大規(guī)模光伏電站氣候環(huán)境影響相關(guān)研究主要集中在我國西北地區(qū)，但當(dāng)前分布式光伏電站已經(jīng)大規(guī)模在我國中東部地區(qū)發(fā)展。光伏電站在人口密集地域的網(wǎng)滲透率不斷提升，應(yīng)當(dāng)引起思考：大規(guī)模光伏電站是否會(huì)引起熱島效應(yīng)？城市內(nèi)光伏電站的建立是否會(huì)加劇城市熱島效應(yīng)？目前我國還少有類似研究，但國外已有學(xué)者展開了相關(guān)工作，并獲得了一些初步結(jié)論[13]。

環(huán)境地形特點(diǎn)對光伏電站熱島效應(yīng)的形成可能具有顯著影響，城市、沙漠、草地等地域地形特點(diǎn)各異，相關(guān)影響可能差別較大。城市內(nèi)土地資源寶貴，光伏電站存在形式主要為建筑光伏。Genchi 等[49]研究東京地區(qū)屋頂光伏組件大面積鋪設(shè)對城市熱島效應(yīng)的影響，其對大面積屋頂光伏的城市熱島效應(yīng)問題進(jìn)行了數(shù)值模擬，計(jì)算結(jié)果表明大規(guī)模安裝光伏組件陣列對城市冠層溫度沒有明顯影響，且由于光伏組件陣列的遮陰效果，城市中樓房的制冷能耗可能會(huì)降低2%～10%左右。草地表面存在較為茂密的低矮植被，對光伏電站的熱效應(yīng)有一定抑制作用[47]，地面安裝的光伏陣列表面反射率與安裝處地表草地的反射率相似。部分學(xué)者通過簡單的模型計(jì)算進(jìn)行了相關(guān)驗(yàn)證，同時(shí)也證明安裝在草地上的光伏組件基本不會(huì)產(chǎn)生熱島效應(yīng)[47]。荒漠地區(qū)具有輻射強(qiáng)烈、降水少、濕度低等特點(diǎn)。針對荒漠地區(qū)環(huán)境，一些學(xué)者建立了大型光伏電站內(nèi)氣流擾動(dòng)、能量循環(huán)的3D模型，評估大規(guī)模光伏電站潛在的熱島效應(yīng)，并與北美洲某1 MWp光伏電站實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行對比[13]。結(jié)果表明在2.5 m高度，白天光伏電站氣溫比周圍氣溫高出1.9 ℃，溫差在到達(dá)5～18 m的高度后消失。Fthenakis 等[13]分析了光伏電站內(nèi)18個(gè)月的數(shù)據(jù)，表明光伏電站在夜晚基本完全冷卻，與熱島效應(yīng)的特性有較大差別。

由目前的研究來看，大規(guī)模光伏電站的存在與熱島效應(yīng)的形成并沒有強(qiáng)正相關(guān)性。但大多的工作基于理論模型的分析研究，模型的可靠性、適應(yīng)性等有待驗(yàn)證。不同條件、不同考慮方式下的研究可能會(huì)得到不同的結(jié)論。如果從能量平衡變換的角度進(jìn)行光伏電站熱場分析，建立了熱量吸收發(fā)散模型，考慮了下墊面水汽、植被在熱傳導(dǎo)過程中的作用，可能會(huì)得出了與上述研究相反的結(jié)論。不同學(xué)者在不同情況下得出了相悖的結(jié)論，原因可能存在于評價(jià)環(huán)境與標(biāo)準(zhǔn)沒有得到統(tǒng)一。大規(guī)模光伏電站能否產(chǎn)生熱島效應(yīng)，與其能量流失與吸收的水平有直接關(guān)系。不同地域氣候、地形、環(huán)境各有差異，需要細(xì)致區(qū)分不同地域影響因素特點(diǎn)，結(jié)合實(shí)際特征分析討論。

3.3 光伏電站輻射效應(yīng)及其影響研究特點(diǎn)

光伏電站的整體氣候影響，需要結(jié)合全球氣候耦合模式進(jìn)行討論，但目前國內(nèi)外相關(guān)研究并不多見。大規(guī)模光伏電站對全球氣候的影響是一個(gè)多因素耦合作用。一些研究從不同角度進(jìn)行了初步分析[46]。計(jì)算發(fā)現(xiàn)，光伏電站大面積的建設(shè)所產(chǎn)生的地表反射輻射變化對地球溫度的影響程度，遠(yuǎn)不及相應(yīng)碳變化帶來的影響。為了模擬大規(guī)模鋪設(shè)降溫型屋頂及安裝光伏發(fā)電系統(tǒng)給區(qū)域氣候帶來的影響，一種完全耦合的數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式（Weather research and forecasting）[50]被用于研究地表反射率、地表溫度、降水和云層覆蓋之間的相互作用。美國國家大氣研究中心胡愛學(xué)等[51]采用氣候系統(tǒng)模式CCSM4，通過修正地表反照率來模擬大規(guī)模光伏裝機(jī)對可能的局地和全球氣候影響，發(fā)現(xiàn)與對全球氣候的平均作用相比，對局地降水的影響可能更大。

當(dāng)前關(guān)于光伏電站在地表附近產(chǎn)生的輻射效應(yīng)及熱效應(yīng)相關(guān)問題，并沒有形成系統(tǒng)的理論。局部地區(qū)相關(guān)研究可采用對比測量、模型分析等手段，全球效應(yīng)分析一般采用模型分析法。相關(guān)模型具有多變量高耦合的性質(zhì)，提取關(guān)鍵影響因子、厘清影響機(jī)理及重點(diǎn)影響方式，應(yīng)當(dāng)是下一步工作的重心。

4 結(jié)論

目前，針對大規(guī)模電站建設(shè)帶來的碳排放及能量回收問題已經(jīng)有了較多的研究。通過對光伏產(chǎn)業(yè)鏈生命周期內(nèi)不同方面的研究評價(jià)，絕大多數(shù)學(xué)者研究結(jié)論認(rèn)為，大規(guī)模光伏電站具有經(jīng)濟(jì)效益，能夠在一定時(shí)間內(nèi)進(jìn)行能量回收，并獲得環(huán)境效益。目前相關(guān)研究仍存在需要完善之處，制造工藝及相關(guān)技術(shù)的進(jìn)步，使得光伏產(chǎn)業(yè)鏈中上下游多處碳排放情況發(fā)生變化，需要重新確定產(chǎn)業(yè)鏈中不同環(huán)節(jié)的碳排放情況。另外，需要更加科學(xué)地劃分光伏電站生命周期內(nèi)的不同階段，將可控階段與不可控階段區(qū)分，減小不同條件給研究帶來的偏差。

國內(nèi)關(guān)于大規(guī)模電站建成后的氣候影響研究并沒有得到足夠的重視，當(dāng)前的研究也僅僅局限于小范圍。相比于國外，我國目前相關(guān)研究還較為落后，大部分研究集中于我國中西部地區(qū)光伏電站對局部地區(qū)的溫濕度、輻射、植被等影響，研究手段局限于現(xiàn)場觀測。對于大規(guī)模光伏電站的熱島效應(yīng)作用以及可能存在的全球氣候的影響，缺乏明確、精準(zhǔn)的論證與解釋。

大規(guī)模光伏電站對碳排放與地表能量收支平衡有一定的影響，對相關(guān)地區(qū)地表輻射水平、溫度狀況具有調(diào)節(jié)作用，對荒漠地區(qū)的生態(tài)環(huán)境具有潛在的正面促進(jìn)作用。當(dāng)前國內(nèi)相關(guān)研究不具備系統(tǒng)性，相關(guān)工作仍然需要進(jìn)一步深入探索。后續(xù)的研究中，需要尋找主要的影響因子、構(gòu)建合理精確的理論模型；同時(shí)需要進(jìn)一步展開實(shí)測研究，修正并驗(yàn)證模型。大規(guī)模光伏電站對氣候環(huán)境的影響是個(gè)緩慢變化的過程，需要長期持續(xù)的觀察研究。