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光伏电站对局地气候的影响研究进展

花匠小妙招
2024-11-07 21:18

引言

为应对全球气候变暖,减少温室气体排放,世界各国已开始积极开展清洁能源的开发利用。目前光伏发电和风力发电发展速度最快,也是各国竞相发展的重点,相较于风电,光伏发电总体受地域条件限制更少。截至2017年底,全球累计光伏并网装机容量已达405 GW,较十年前增加了25倍[1]。其中,中国、欧洲、美国、日本、印度是全球光伏的主要市场,占比约90%。而中国是全球第一市场,市场占比约为46%[2]。已有研究表明,如果光伏发电在电网中占比达到10%,将使全球CO2的排放量减少12.3%[3]。根据政府间气候变化专门委员会(IPCC)的报告,2030年光伏发电在全球发电量中的占比将达到12%,2050年将达到33%[4]。要实现这一目标,需要大规模建设光伏电站,在这种发展形势下,太阳能光伏的开发利用对生态和气候的影响问题日益受到人们的关注。

自20世纪70年代起就有学者提出,对能源利用的评价应该综合考虑其优势和劣势,考虑能源利用的整个生命周期中所造成的能量损耗及对环境的影响[5]。进入21世纪以后,相关研究的数量开始增长,如开展大规模光伏电站建设对自然环境、生物多样性、水资源利用[6]、城市热岛效应[7]、气候变暖[8]等造成的影响,这些研究主要集中在美国、欧洲(波兰和法国)及日本,且研究基本是对局地地区的实验分析,部分结论还存在争议。自2010年起我国气象部门、环保部门、一些高校以及科研院所等也开展了该领域的研究探索。光伏电站建设对气候的影响是一个新兴研究领域,需要更加深入的研究。目前,光伏发电技术按运行方式分为并网式、离网式、分布式(自发自用、余电上网)、微网等多种形式。由于不同方式光伏电站所处的下垫面、环境条件、装机规模、能量使用等有着较大差异,所造成的气候影响也会不尽相同,本文针对国内外已有研究成果,重点对大规模并网光伏电站和城市光伏电站分别进行探讨,从研究方法、影响机理、光伏电站对气候的影响等方面对文献进行总结,意在探索该领域下一步的研究方向,激发更多的相关研究,对未来光伏发电可持续发展给予一定的科学指导。

1 研究方法分类

目前,该领域的研究方法主要有现场观测[9,10,11,12,13,14]、遥感数据[15]分析、模式模拟及验证[16,17,18]。国内的研究多是基于观测数据的,通过对比光伏电站内外的气象要素值,来判断差异。高晓清等[11,12]和杨丽薇等[13]在青海格尔木荒漠地区光伏电站内外分别架设观测站点,来研究白天和夜晚空气温湿度、土壤温度及太阳辐射的影响。Chang等[14]在青海共和地区光伏电站内外分别布设观测仪器,对电站内外的地表辐射和温度变化进行观测研究。

现场观测数据真实可靠,而且还可用于模式验证,但是具有时间短、观测结果空间代表性较小的缺点。利用遥感卫星数据分析光伏电站的气候影响则可以代表较大范围的区域,数据的获取也较为经济。Li等[15]采用卫星遥感测量的方式,选用青海格尔木戈壁区域、美国内华达洲和西班牙某光伏电站来评价大规模光伏装机对地球-大气边界层间的气候影响。

国外在这方面的工作多为基于数值模式的敏感性试验研究,Taha[16]采用城市化的第五代数值模式(uMM5)模拟了洛杉矶地区大规模光伏装置的运行对城市气温的影响;Salamanca等[17]采用中尺度数值模式(WRF)模拟夏季屋顶光伏对地面气温的影响;Fthenakis等[18]采用流体动力学(CFD)的方法模拟北美地区一大型光伏电站的温度场,并与实测温度场数据做对比来研究其局地气候效应。

2 影响机理研究

光伏发电因季节条件和地域不同造成的气候影响也有较大的差异。总体而言,光伏发电对周边气象要素及相关因子的影响主要来自于以下几个方面,具体如图1所示。

图1

图1 光伏电站运行可能对气候环境影响示意图

Fig. 1 The influence of photovoltaic (PV) power station on climate

(1)光伏组件的遮挡作用。高晓清等[12]指出,由于光伏组件的遮挡使站内地表接收到的太阳辐射减少,下传的热量降低,从而导致光伏电站内的土壤温度较站外低,这在冬季尤其明显。

(2)对地表辐射平衡的改变。主要由以下几方面造成：(a)改变地表反照率。光伏装置的安装会在地表形成暗区,且光伏组件吸收光线,会降低相应区域的地表反照率。由于光伏组件的反照率与周围地表反照率不同,因此大规模光伏电站的部署会通过改变反照率来影响地表对能量的吸收、存储以及长短波辐射的释放,从而改变地表辐射平衡[19]。Millstein等[20]研究表明,在莫哈维沙漠地区1 TW的光伏电站会减少沙漠地表反照率,从而使气温上升0.4℃。(b)改变地表粗糙度。光伏电站的建设改变了原先的地表粗糙度,这会影响地面接收和反射的长波辐射、风场类型、湍流强度、大气边界层高度等,进而改变了光伏电站的通风散热条件,使得局地气温发生变化,并改变了辐射平衡[20,21]。Millstein等[20]研究表明,光伏电站区域内的大气边界层高度在下午会升高150~250 m。(c)光伏组件自身的发电效应。光伏组件在发电时会产生电流热效应及其他能量的发散和吸收行为,这在光伏组件上表面和下表面两个方向改变辐射平衡。

对于城市屋顶光伏而言,以上影响机理同样适用。光伏组件通过吸收太阳能产生可供建筑使用的电量,通过改变屋顶接收到的辐射来改变建筑表面的能量平衡以及热通量,并影响城市微气候。Masson等[7]对巴黎市区屋顶光伏电站进行研究,结果表明光伏组件对城市微气候的影响在夏季最为明显,在白天由于架设在屋顶光伏组件的遮挡效应,可降低建筑周边的环境温度,在夜间光伏组件的降温效应更明显。由于光伏组件隔绝了城市表面能量平衡系统,使得建筑接收热量的能力下降;此外,城市边界层在夜间比白天更薄(一般夏季白天有1500 m高度,晚上只有200 m),因此地表能量平衡改变对于气温的影响程度会数倍于白天。

3 光伏电站运行对气候的影响

光伏电站在运行阶段基本不会产生碳排放,且目前尚未有大规模光伏电站运行对气候造成显著影响的报道,但其仍会通过改变局部气象要素或环境变量来对整体气候条件造成潜在的影响。以下对地面光伏电站和城市屋顶光伏电站的研究都表明,光伏电站运行对不同气候条件及下垫面造成的影响有较大区别,甚至呈现相反的结果。

3.1 大规模光伏电站运行对荒漠地区气候的影响

大规模的光伏电站建设作为一种新的人类活动,会改变地表反照率。通常,浅色的地表具有较高的反照率,而深色地表会吸收大部分光线,从而导致较低的反照率。大规模荒漠地区光伏电站可使地表反照率降低5%~20%不等[22,23],从而导致物体表面吸收的辐射能增加,对流强度增加[24]。Li等[15]研究结果表明,基于不同的下垫面,反照率的变化也不同。如大规模光伏电站的安装会在戈壁表面形成暗区,这会减少地表反照率,但在农耕区域,由于周围的耕地本身就是深色地表,光伏组件反而会增加反照率。

可见,光伏电站所处的下垫面不同,会导致不同的反照率变化[25],因此在实际应用中,应结合实际情况进行分析论证。

以往的研究大多集中于温、湿度场,而对辐射特征的观测分析较少。太阳辐射是气候系统中各种物理过程和生命活动的基础能源,地表辐射平衡的改变也会导致气候变化。近年来,大型光伏装置对辐射带来的影响也受到越来越多的关注。Chang等[14]研究表明,对于荒漠地区光伏电站,夏季站内的向上短波辐射较站外低,但在冬季较站外高,且站内全年的向上长波辐射也有所降低。杨丽薇等[13]对比格尔木大型光伏电站近一年的地表辐射观测资料得出,站内向上短波辐射和净辐射日总量分别为3.54 MJ/m2、8.30 MJ/m2;站外分别为5.02 MJ/m2、6.34 MJ/m2。年内最大值均出现在6月份,最小值均出现在12月份。两个观测点向上短波辐射春季相差最大,冬季相差最小。净辐射在8月份相差最大,12月份相差最小。因站内外下垫面不同,站内日平均反照率为0.19,站外为0.26。由于站内光伏阵列对向下短波辐射的吸收能力比地面强,导致站内向上短波辐射明显低于站外。

气温与相对湿度影响着生态系统中动植物的生长、人类生活环境的舒适程度以及各行业的生产活动,因此研究光伏电站对空气温、湿度的影响具有重要的学术和现实意义。研究光伏组件对气温的影响,有必要考虑感热通量的变化。光伏组件与地表的能量平衡如图2所示。对于地表来说,感热通量主要来自于地表本身以及光伏组件的上下表面,地表温度及光伏组件温度的变化也会影响感热通量。

图2

图2 光伏组件与地表的能量平衡

Fig. 2 Energy balance of PV module and land surface

已有学者提出,光伏电站的环境温度在白天较周边区域高会形成“光伏热岛效应”[26],在夜间较周边区域低,具有“自冷却机制”[27]。如表1所示,Chang等[14]以青海共和地区大型光伏电站为研究对象,结果表明：(1)光伏电站在全年中形成能量汇,在温暖的季节更为明显;(2)光伏组件表面在白天具有明显的升温作用,在夜间具有冷却作用;(3)光伏组件表面温度的提高会提升周围区域的环境温度,从而形成光伏热岛效应。赵鹏宇等[10]对乌兰布和沙漠东北缘光伏电站进行研究,结果表明在夏季晴天情况下,光伏电站具有增温、降湿的效应。光伏电站内1.0 m、2.5 m高度处气温分别比旷野提高了0.30~1.53℃、0.44~1.34℃。并得出,沙漠地区光伏电站存在“热岛效应”。殷代英等[9]在8—9月对共和盆地荒漠区光伏电站进行观测研究表明,在白天光伏电站内的气温高于站外,而夜间站内气温低于站外。Sato等[27]对大型沙漠光伏电站进行研究并指出,光伏组件具有自冷却机制,在夜间尤为明显,阳光没有照射到组件上时,光伏组件的温度比大气温度低2~4℃。这有利于减少热岛效应。Fthenakis等[18]模拟了北美地区一大型光伏电站的温度场,结果表明,白天光伏电站中心位置的平均气温比光伏电站外的环境温度高1.9℃,这种热能量会在5~18 m高度内消散,由于光伏阵列在夜间会完全冷却,因此并不会形成热岛效应。

Table 1 The influence of large-scaled PV plant on surface air temperature

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关于光伏电站在夜间对气温的影响,Barron-Gafford等[26]和高晓清等[11]得出了与上述学者不同结论：前者通过观测发现,在夜间荒漠大型光伏电站的气温通常比周边地区高3~4℃,在温暖的季节(春夏季),光伏热岛效应造成的增温也要比城市热岛效应高;后者对格尔木大型光伏电站进行观测研究,得出对2 m气温而言,除冬季白天站内外基本相同外,四季夜晚及春、夏、秋季白天站内均高于站外。

可以看出,关于大规模光伏电站对白天气温的影响,学者们得出的结论基本相同,但对于夜间尚存争议。原因可能是,由于光伏组件本身无法存储过多的入射辐射,有很大一部分本该被存储和吸收的长波辐射以感热通量的形式被再次辐射,从而加快了电站内的热传递。然而基于不同的气候条件、季节和下垫面,可能导致电站内外的环境温度在夜间降温程度不同,所以在做站内外对比时,产生不同的结论。关于对湿度的影响,同样基于以上部分研究对象,赵鹏宇等[10]得出光伏电站内1.0 m、2.5 m高度处空气相对湿度较旷野分别降低了1.05%~3.67%、1.15%~2.54%;殷代英等[9]认为2 m高度相对湿度白天站内外变化趋势一致,但夜间站内明显高于站外;高晓清等[11]得出结论,电站内外2 m高度空气湿度基本没有差别,而10 m处的空气相对湿度则站内高于站外。相对湿度在不同区域光伏电站内外变化所表现出的不一致性可能是大气层结构差异造成的。

陆面是地气之间能量和水分等物质交换和传输的重要过渡地带,陆面研究是气候变化研究的一个主要方向,而土壤温度是其中的一个重要参量,直接反映了土壤层的热状况,土壤温度的变化则反映了土壤的热储放,这一过程对气候变化有着重要的影响[28,29]。殷代英等[9]研究表明,大型光伏电站使得共和盆地荒漠区10 cm、20 cm和40 cm平均土壤温度分别降低17.20%、16.75%和16.09%,对浅层的影响大于深层。高晓清等[12]对比分析了格尔木地区光伏电站内外的土壤温度变化特征,发现光伏电站内外土壤温度日变化差异明显,土壤温度日较差站内明显低于站外,在土壤浅层,光伏装置具有绝热保温的作用。

光伏电站对降水影响的研究目前还比较少。已公开的研究表明,局部地区反照率的增加会间接导致蒸发量的减少,从而使得降水量减少[30]。Li等[15]研究发现在农耕区域架设光伏电站会在夏季增加局部地区的反照率,从而引发蒸发量和降水量的增加。Millstein等[20]研究表明,在安装有光伏设备的空旷地区,夏季下午的气温会升高0.27℃,同时伴随该区域少云和少降水的特征。

可见,光伏电站主要是通过改变地表反照率、辐射平衡,直接影响土壤温度、环境温度等因素,间接影响蒸发量和降水量。

光伏电站运行期间对辐射与温、湿度的改变同样会带来气流影响。已有研究表明,当大气层处于中性层结结构下,近地面层风速与高度呈现对数变化规律,近地层风廓线与热力层结有关[31]。

殷代英等[9]研究表明,在布设光伏电站后,风向由原来的东北风转为以东风为主,光伏电站的布设使得局地风向更加单一。对于风速而言,在布设光伏电站后大风速出现的比例显著降低。大型光伏电站使得共和盆地荒漠区风速减小了53.92%。Millstein等[20]对某荒漠地区光伏电站进行模拟发现,在下午光伏电站正上方的西南风有所增加,而下风向的西南风减小。赵鹏宇[32]以乌兰布和沙漠东北边缘的光伏电站为研究对象,发现距地表10~250 cm高度区间内,光伏阵列行道间、光伏组件前檐、后檐处风速较旷野处降幅明显,分别下降了19.10%~32.80%、23.82%~55.44%、41.35%~60.67%。光伏组件前檐10~100 cm与200~250 cm高度为风速加强区,100~200 cm高度为风速减弱区;光伏电站内,10~20 cm与200~250 cm高度处风速变化缓慢,20~200 cm高度处风速变化剧烈。

可见,合理利用光伏电站对风场的影响,对于荒漠地区防风固沙具有新的指导意义。

3.2 光伏电站运行对城市气候的影响

目前,随着城市热岛效应越发受到关注,国外的研究主要集中在城市光伏电站对环境温度、感热通量等的影响。大量研究表明,城市屋顶光伏不但能够减少购电能源消耗,还能降低近地面的空气温度。Salamanca等[17]指出在夏季,屋顶光伏组件可以降低近地面气温,并减少降温能源需求。除去光伏组件产生的电量外,具有屋顶光伏电站的建筑最多可以节约降温能源需求的8%~11%。Dominguez等[33]研究表明,表面覆盖光伏组件的建筑,全年节约降温能源需求约5.9 kW∙h/m2。Masson等[7]通过对巴黎市区屋顶光伏组件模型进行研究指出,在夏季屋顶光伏组件能够减少12%的空调使用需求,还能够降低城市热岛效应,白天减少0.2 K,夜间减少0.3 K。总之,在城市地区采用光伏发电,可以降低其他发电类型产生的能源消耗(如火电、热电等),这样既有利于减少温室气体的排放,还能降低城市热岛效应(尤其是夏季)。

安装在城市屋顶的光伏组件之所以会产生降温的效果,原因一方面是光伏组件的遮蔽效应;另一方面,虽然安装光伏组件后,屋顶的反照率降低,但光伏组件将入射短波辐射转换为电能,因此用于加热城市地表的短波辐射降低,且光伏组件的转换效率越高,短波辐射降低得越多。

Scherba等[34,35]使用基于天气数据的复杂建筑能源模型,证明屋顶光伏组件可以将城市环境中的日感热通量平均减少11%。研究还表明,加装了光伏组件的黑色屋顶对于日感热通量峰值没有太大的影响,但会将日总通量平均减少11%,如分别在黑色、白色及有植被的屋顶上安装光伏组件,较未安装光伏组件,屋顶日最高气温可分别减少16.2℃、4.8℃及8.5℃[35]。Genchi等[36]对东京大规模屋顶光伏装置的研究发现由于遮蔽效应,安装有光伏面板的建筑能源消耗比未安装的降低2.7%~10.0%。

综合以上文献看出,目前大部分的研究表明城市屋顶光伏具有一定的降温效果,而前文所述大规模荒漠地区光伏电站会造成光伏热岛效应,可见不同的下垫面和气候环境,会导致能量的吸收和流失水平不同,具体还需结合实际情况进行分析论证。

3.3 整体气候效应

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14~45 g CO2-eq/(kW∙h)[38],聚焦式太阳能发电(槽型和塔型)的排放为26~38 g CO2-eq/(kW∙h)[39]。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。

Table 2 Comparison of life cycle emissions for solar and carbon-intensive energy generation[37]

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Turney等[40]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,其中对气候的影响如表3所示。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。

Table 3 The impacts of PV power generation on climate change (based on traditional power generation of America)[40]

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3.3.2 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[41];(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[26];(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[21];(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[42]。Nemet[43]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。而Hernandez等[44]认为,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。

综上,大规模光伏电站运行对全球气候的影响是多因素耦合作用,国内外目前的研究尚未形成统一且系统的结论,采用数值模拟的部分研究得出的结论尚需验证,基于实测的部分研究实验数据过少,加之光伏电站在白天和夜间造成的气候影响亦不尽相同,并不能仅根据某时段的实验结果而得出总体结论,并推演至全球范围。要想更准确地研究光伏电站运行对气候的影响程度及范围,需要通过更多的实地观测,利用更全面的全球气候耦合模式,建立更复杂精确的模型。

4 总结与讨论

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。综合以上研究,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、风场、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。

The authors have declared that no competing interests exist.

作者已声明无竞争性利益关系。