彭小虎
康达新能源设备股份有限公司
摘要：清洁能源的快速发展有效降低了人类对传统化石能源的依赖，并为缓解全球气候变暖做出显著贡献。随着各地光伏装机规模的不断扩大，光伏电站这一人工设施对气候环境的影响日益引起人们的关注。对国内外大规模光伏电站气候环境影响相关工作进行总结，并主要讨论了光伏电站相关能量回收与碳排放的现状与发展趋势、光伏电站近地辐射效应及热效应、局部气候效应及整体气候效应研究的相关问题。
关键词：光伏电站；气候影响；生态环境
引言
太阳能是清洁的、可再生的能源。利用光伏电池将光能直接转化为电能的光伏发电，具有不需要燃料、环境友好、无转动部件、维护简单、由模块组成、功率可大可小等突出优点。因此太阳能光伏发电作为重要的可再生能源形式，在发电产业快速发展。我国《可再生能源中长期发展规划》中提出到2020年光伏发电将达到180万千瓦的装机目标，并在产业结构调整指导目录（2011年本）中将太阳能光伏发电系统集成技术开发应用划分为鼓励类。随着国家产业政策的支持，中国光伏产业在国家大型工程、推广计划和国际合作项目的推动下，以前所未有的速度迅猛发展。光伏发电装机容量在可再生能源领域内仅次于水电和风力发电，对优化能源结构起到了非常重要的作用。
1光伏电站对气候环境影响方式分类
光伏电站对气候影响方式是多样的。光伏电站生命周期的不同阶段对气候环境的影响方式不同。从光伏电站的基础建设到前期准备与建设过程中，光伏组件的制备是整个制造环节的基础，也是高耗能与高污染部分。光伏组件的制备过程中，需要使用大量的化学工艺，光伏电站建设过程中其他配套设备的制造、基础设置建设、施工设备的使用等，这类影响与其他工业过程对能耗需求与对环境影响类似。大规模光伏电站的运行过程中，通过光伏效应进行发电。到达光伏组件表面的太阳辐射，一部分参与到光伏效应中，一部分被光伏组件本身吸收为内能，剩下一部分被反射至大气中。同时，光伏组件的存在阻碍了大地向上的长波辐射及大气向下长波辐射的路径。这一阶段的光伏电站基本不会对环境造成污染影响，但是改变了地表原有的能量平衡方式，大规模、大面积的光伏电站对局部气候及全球气候可能会造成一定的影响。光伏电站对气候环境的影响方式主要分为建设前与建设后。光伏电站建设前，其对环境的影响与其他工业制造过程类似；光伏电站建成投产后通过吸收辐射能量进行发电，这一过程改变了地表原有的辐射系统结构，改变地表能量流动方式，借此影响地表其他环境要素。
2光伏电站建设工业制造过程中对环境的影响
光伏电站建设前期的工业制造过程中，最主要的高耗能部分为光伏组件的制备。其过程耗能较高、污染相对较重，光伏电站生命周期内对环境的负面影响程度最高。光伏电站生命周期中的负面影响，大都通过光伏组件的制备过程体现。光伏电站建设及投产后的工业过程中，可通过多种方式对地表环境产生影响。光伏电站建成后，大面积的光伏组件阵列对地面形成遮蔽，改变了原有的地貌结构可能会对当地植被及生物群落带来影响。大规模光伏电站建设运行过程中对植被及生物群落的影响问题很难量化分析。并且复杂的相互影响也为量化分析理论的建立造成困难。国外对大规模光伏电站植被影响及生物群落影响环境问题的关注与研究很早就开展。我国目前此方向研究较少。另外，受政策法规的影响，我国相关问题的现状与国外可能有所差别。我国国家林业局发布第50号令，宣布《在国家级自然保护区修筑设置审批管理暂行办法》(以下简称《办法》)。《办法》第三条明确表示：禁止在国家级自然保护区修筑光伏发电、风力发电、火力发电等项目的设施。
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3大规模光伏电站运行产生的"光伏热岛效应"
"光伏热岛效应"是目前大规模光伏电站运行最饱受争议的负面影响之一。关于光伏电站运行产生热岛效应的原因可能有以下几个方面：(1)光伏组件的安装遮挡了部分地面，从而减少土壤表层对热量的吸收；(2)光伏电池较薄且单位面积的热容量较小，由于光伏组件通过上下两面释放热辐射，导致在白天光伏组件温度可能比环境温度高20℃以上；(3)建设光伏电站的过程中，通常会破坏地表植被，从而减少因蒸发而带来的降温作用；(4)光伏组件反射和吸收向上长波辐射，阻碍了土壤在夜间的降温能力。此外，光伏发电技术将部分直接和散射辐射转换为电量，在这一过程中，过高的环境温度会降低转换效率。研究了大规模光伏电站是否会通过改变地表反照率而对全球气候造成负面影响，结果表明，对比光伏发电而减少的温室气体排放，这种影响可忽略不计。大规模部署光伏电站对全球气候变化的影响可能超过其减少的温室气体排放，一些次生影响还尚未被发现，比如辐射效应的影响以及因光伏电站的建设造成的大气边界层表面粗糙度和反照率的变化等。
1.4大规模光伏电站运行对节能减排的影响
大规模光伏电站运行带来的最大好处，莫过于有效减少CO2及其他温室气体排放。温室气体的减少有利于缓解全球气候变暖。Hernandez等[37]统计出不同传统化石能源和新能源在生命周期中排放的CO2当量。太阳能光伏发电技术的排放为14～45gCO2-eq/(kW?h)，聚焦式太阳能发电(槽型和塔型)的排放为26～38gCO2-eq/(kW?h)。其排放的CO2当量均远小于煤炭、石油等化石能源，表2列出了太阳能和传统化石能源利用在全生命周期中排放的理论CO2当量。从土地利用、人类健康、野生动物及栖息地、地理环境资源、气候和温室气体排放等方面考虑，评估光伏电站自建设到运营过程中产生的32种影响。除本地气候的影响以外，光伏阵列会将部分太阳辐射转换为热能，并改变光伏阵列周围的空气流动和气温，这种变化可能会影响该热环境范围内人类和其他物种的活动，因此还需要更进一步的研究。
结语
目前，国内的相关研究多集中于西部地区，采用现场观测的方式对部分气象要素的变化进行对比，尚未有针对全球气候和热岛效应的深入研究。国外的研究对象和研究方法相对多样化，针对光伏电站对局地气候影响机理方面的研究较多。综合以研究，可以总结出，光伏电站的建立会对局地气温、相对湿度、土壤温度、风尝蒸发量等产生一定影响。关于"光伏热岛效应"对气候变暖造成的影响，现有研究的结论各有不同，尚未有精准、统一的解释和论证，但其对全球的增暖效应远低于人类排放温室气体所造成的增暖效应。未来，光伏发电的装机规模还会呈指数级增长，光伏电站对气候的影响还需要更加深入的研究。在后续的研究中，还需扩大研究范围，选取基于不同下垫面的光伏电站为研究对象；加强影响机理的研究，找准主要影响因子，建立精确的研究模型；有必要积累大量数据，对不同季节、白天和夜间分别进行分析论证，综合分析光伏电站对气候的影响程度及影响范围，并探索全球范围内光伏发电开发利用的最大限度。最后，大规模光伏电站的运行对气候环境造成的影响是一个缓慢变化的过程，仍需要长期的观测和研究。
参考文献
[1]舒印彪,张智刚,郭剑波,等.新能源消纳关键因素分析及解决措施研究.中国电机工程学报,2018,37(1):1-8.
[2]国家自然科学基金委员会工程与材料科学部.电气科学与工程学科发展战略研究报告.科学出版社,2018.（25）.
[3]李泽椿,朱蓉,何晓凤,等.风能资源评估技术方法研究.气象学报,2018,65(5):708-717.
论文作者:彭小虎
论文发表刊物:《中国西部科技》2019年第23期
论文发表时间:2019/11/27
标签：光伏论文; 电站论文; 气候论文; 效应论文; 环境论文; 组件论文; 热岛论文; 《中国西部科技》2019年第23期论文;