1. 中国科学院西北生态环境资源研究院/中国科学院寒旱区陆面过程与气候变化重点实验室，甘肃 兰州 730000

　　太阳能对于缓解化石燃料短缺、 燃烧造成的环境问题以及全球气候变暖有着十分重要的作用。全球光伏产业发展迅速， 然而大规模布设光伏组件对生态环境及气候也造成了不同程度的影响。基于对全球、 国家区域、 城市地区和局部地区大规模发展光伏电站对生态环境及气候造成的影响进行总结归纳， 分析讨论建设光伏电站对于不同尺度区域环境的反馈作用。结果表明： 建设光伏电站对于不同尺度区域环境的反馈作用并没有统一结论， 主要机理是光伏组件的遮蔽作用和对于太阳辐射的吸收转换导致地表的太阳辐射减弱， 进而作用于周围环境， 引起生态环境气候的变化， 物理机制较为复杂。目前我国光伏电站对生态环境气候的影响研究还处于起步阶段， 其作用机理还需要进一步深入研究。关键词：光伏电站 ; 生态环境 ; 气候影响 ; 热岛效应

　　石油、 天然气和煤炭等资源日趋枯竭， 并且传统能源消耗会引发环境问题（Wang et al， 2019； Mostafaeipour et al， 2019； Obama， 2017）。可再生能源已成为国际社会应对气候变化、 实现2 ℃温升控制目标的必然道路和广泛共识（Zappa et al， 2019； McGlade and Ekins， 2015； Shindell et al， 2016； Seneviratne et al， 2016）。太阳能作为一种清洁的可再生能源， 正在逐步成为重要的替代能源（Wilberforce et al， 2019）。为了实现国际能源署的可持续发展目标， 从2017 -2030年， 光伏发电年平均增长率必须达到17%（Zuo et al， 2019）。根据欧盟委员会联合研究中心预测， 到2040年， 世界能源消耗的20%以上将是太阳能光伏发电； 到2050年或更早的时间， 中国可再生能源的发展将占据很大比例， 届时可再生能源的发电量将占总用电量的85%（Chang et al， 2020）。国际社会也在探索到2050年可再生能源100%发电的可能性（Jacobson et al， 2018）。

　　从全球太阳能光伏发电统计情况来看， 太阳能装机量和发电量都呈指数型增长（图1）。2002年全球太阳能光伏的装机量和发电量分别为454 MW、 2069 MW， 2018年全球太阳能光伏的装机量和发电量分别为104 GW、 505 GW。近20年间， 全球太阳能光伏的装机量增长了230倍， 发电量增长了240多倍。2018年， 全球光伏新增装机市场首次突破100 GW， 年装机量超过1 GW的国家新增11个。截止2018年底， 年装机量超过1 GW的国家达30多个， 其中主要装机国家如中国、 印度、 美国和日本的装机量分别达到45 GW、 10.8 GW、 10.6 GW和6.5 GW。

　　在光伏电场发展的初期， 关注的更多是光伏电场的节能减排和光伏组件本身的自有属性。对于生态环境气候的影响评价研究较为薄弱， 而光伏电场对其环境的作用是一个长期的累积过程， 在节能减排中发挥了正面效应， 但对于生态环境气候的影响也不容忽视。光伏电场取代传统能源快速发展是必然趋势， 在其发展过程中对于生态环境气候的利弊也存在争议。由于光伏电场的发展时期较晚， 对于光伏组件完整的生命周期过程评价尚存在困难。本文重点总结光伏电场对生态环境气候影响的研究进展。

　　全球气候的影响主要是由于安装太阳能光伏组件降低了地表反照率， 导致地表吸收更多太阳辐射， 形成辐射强迫效应， 进而影响全球气候。对于这一效应， 美国Nemet （2009）将安装太阳能光伏组件形成的辐射强迫与太阳能替代化石燃料形成的辐射强迫进行了对比， 结果表明化石燃料造成的辐射强迫更强， 而太阳能光伏组件对环境具有正向效益。Hu et al（2016）通过四种敏感性实验的模拟， 对比分析了不同光伏电池部署情景下太阳辐射的变化对全球气候的影响， 但并未直接考虑光伏组件引起的反照率下降问题， 而是将入射的太阳辐射分为若干部分， 其中部分被吸收的辐射被转化为电能。因此， 光伏组件造成地表吸收的直接辐射下降， 导致局部地区温度降低， 此观点与安装光伏组件导致反照率降低使得局部升温不同。该研究只考虑了光伏组件吸收太阳辐射对气候的影响， 未考虑反射的作用结果。基于RCP2.6情景下， 对全球所有沙漠和城市地区安装光伏组件后气候如何变化进行了模拟， 研究结果表明北半球安装光伏组件沙漠以东的区域， 降温高达1 ℃； 在南半球， 由于安装光伏组件的面积较小， 冷却效果显著降低， 而气温的变化导致了全球降水格局的变化。

　　在光伏电站对全球气候影响方面， 目前主要基于模式模拟， 随着全球光伏电站的快速发展和规模的不断扩大， 借助卫星遥感观测是有效手段之一。光伏组件对地表反照率的改变程度受海陆分布、 地形、 地表粗糙度、 植被等因素的影响， 若要得到更为准确的评估结果， 根据影响因素对于全球进行划分是十分有必要的。

　　在这部分研究中， 大部分是通过模拟大规模安装光伏组件对国家区域气候的影响， 其作用机理主要是光伏组件对地表反照率的改变而作用于国家尺度的区域气候环境。

　　反照率的变化和光伏组件的布设区域密切相关， Millstein and Menon（2011）研究了美国各地大规模部署光伏阵列对气候产生的影响， 在城市部署光伏组件会提高反照率， 降低了区域温度； 但在沙漠部署光伏阵列， 则降低了反照率导致温度上升。其中， 光伏组件布设区域的变化实质核心是背景反照率的变化， 也就是说反照率的变化取决于布设区域背景反照率。这一方面， Nguyen et al（2017）使用了共形立方大气模型（Conformal Cubic Atmospheric Model， CCAM）模拟分析了超大规模光伏电池阵列对澳大利亚气候的潜在影响， 研究对假设的20个大型光伏电池阵列进行了控制模拟， 并设计了80个敏感性实验， 每个阵列的规模约为25万平方公里， 阵列的方向和所处澳大利亚的位置是任意的。20个光伏电池阵列的表面反照率被设定为0.05、 0.25、 0.50和0.75四个固定值， 0.05的反照率低于澳大利亚任一地点的背景反照率， 0.5和0.75高于背景反照率， 0.25的反照率取决于阵列所处的地理位置。研究结果表明， 太阳能光伏电场对其周边地区的影响取决于反照率变化（阵列反照率与原背景反照率之差）以及阵列的大小和方向。阵列规模越大， 阵列反照率相比原背景反照率增加越多， 对周围环境温度和降雨量的影响越大。

　　对于城市地区的气候影响， 研究较多的是发展城市光伏对于城市热岛效应的影响。目前， 安装光伏组件是否会对城市热岛效应产生不利影响尚未有统一的结论。

　　在反照率方面， 对于城市热岛效应的影响取决于布设光伏组件前后的反照率是否有所降低， 大量研究表明， 在建筑物表面安装光伏组件可以降低建筑物表面温度， 还能降冷能耗， 有助于缓解热岛效应。Genchi et al（2003）研究了东京大规模屋顶光伏装置对城市热岛效应的影响， 研究结果表明， 大规模安装光伏组件可使白天的显热通量增加约40 W·m-2， 但对热岛效应的影响可以忽略不计， 与未安装光伏面板的屋顶相比， 光伏面板的遮蔽效应可使建筑物的制冷能耗降低2.7%~10%。Wang et al（2006）通过对光伏建筑一体化是否影响城市热岛效应进行模拟研究表明， 由于光伏面板的遮蔽效应使得屋顶的制冷能耗显著降低， 而对于城市热岛效应的缓解情况取决于原建筑屋顶的太阳光吸收率阈值0.65。当原屋顶的吸收率低于该阈值时， 光伏建筑一体化会增强城市热岛效应， 反之则能够降低城市热岛效应。Tian et al（2007）模拟了天津地区光伏建筑一体化对城市冠层微气候的影响， 模拟结果表明， 有通风空隙的光伏屋顶和光伏立面显著改变了建筑物表面温度和显热通量密度， 但与无光伏的城市峡谷相比， 安装光伏电池对气温的影响并不大。对于安装了光伏的城市峡谷， 光伏组件会改变存储热通量昼夜变化的幅度和模式， 其净辐射量会有轻微增加。此外， 光伏转换效率的提高， 不仅能够提高发电量， 而且可以降低城市峡谷的气温。

　　安装太阳能光伏组件对于城市热岛效应的影响与光伏组件的遮蔽性和太阳光吸收率等因素相关， 光伏组件的遮蔽效应减弱了太阳辐射对屋顶的直射作用； 太阳光吸收率是对太阳光吸收程度的描述， 也可归结为对太阳辐射的削弱程度， 通过这种方式减弱了到达建筑物表面的太阳辐射从而降低城市热岛效应。

　　在屋面技术方面， Scherba （2011）借助EnergyPlus模拟软件， 探索了不同的环保屋面技术在影响屋顶能量平衡方面所起的作用， 以及由此产生的向城市大气中传递的显热通量， 并将重点放在夏季的城市热岛效应上。该研究探索的屋面技术包括黑膜屋顶、 高反射屋顶、 绿色植被屋顶， 以及在各种屋顶上加装光伏面板。结果表明， 黑膜屋顶和带光伏面板的黑色屋顶对环境的日平均显热通量最高， 为331~405 W·m-2； 在黑色屋顶上加装光伏板对峰值热通量的影响可以忽略不计， 但总通量平均下降了11%； 如果用加装了光伏面板的白色或绿色屋顶代替黑色薄膜屋顶， 总显热通量会下降50%。

　　在光伏组件转换效率方面， Taha （2013）认为在当前或不久将来的太阳能转化率条件下， 部署光伏系统可以冷却城市环境。他对洛杉矶地区的气象进行了模拟， 评估了城市地区部署光伏的潜在大气效应。目前美国大多数城市平均反照率介于0.15~0.22间， 平均值为0.18， 假设光伏组件的反照率为0.08， 即使低转换效率为10%的光伏组件也不会产生负面影响； 对于转化效率高于10%的光伏组件， 将会降低城市地区温度。假设未来冷面屋顶和路面得到广泛部署， 导致城市反照率提升到0.25~0.28， 那么光伏系统的转换效率则需要达到17%~20%才能达到平衡（发挥降温作用）。不过， 在未来广泛部署了高反射率屋顶和路面， 以及超高密度部署光伏阵列的情况下， 如果电池转换效率为10%， 洛杉矶地区也可能会发生0.1 ℃或更小程度的变暖。20%的转换效率是一个平衡值， 效率达到25%时， 降温效果最多可达0.15 ℃， 效率达到30%时， 降温效果达到0.2 ℃。

　　在地表辐射方面， Burg et al（2015）将各种外部因素造成的辐射强迫变化纳入研究过程， 研究了光伏系统的总体等效全球变暖潜能值。光伏系统对地表吸收太阳辐射的影响要考虑三方面因素： 光伏系统安装产生的反照率变化对全球气候有直接影响； 区域大气条件受到影响， 可能会产生热岛效应， 并伴随建筑物对制冷能耗的需求； 在日照下曝露的建筑表面显著升温， 使得支撑结构和建筑物变暖， 从而导致在单个建筑物尺度上存在额外的局部制冷能耗需求。该研究分别在华盛顿州西雅图、 洛杉矶和亚利桑那州三种不同城市气候中， 分析了多晶硅、 单晶硅、 薄膜碲化镉、 聚光光伏四种不同光伏技术的全球变暖潜能值。通过考虑上述三种因素造成的辐射强迫变化， 研究表明反照率变化导致的全球变暖潜能值影响要大大超过材料、 制造和安装光伏系统造成的全球变暖潜能值影响。因此， 聚光光伏等高效光伏技术造成的环境负担相比低效率光伏系统要小得多。为了将系统能量回收时间最小化， 应该在城市以外地区， 或者在具有较高太阳辐射的城市地区安装高效率太阳能系统。

　　在建筑物表面温度、 能量通量方面， Cortes et al（2015）使用流体动力学、 天气研究预测模型和一维热传导模型对建筑物表面温度、 城市峡谷空气温度和能量通量进行了建模计算， 研究结果表明在晴朗天气条件下， 太阳能光伏组件的安装会导致建筑物表面冷却， 但也可能会发生一定程度的变暖。在白天， 屋顶表面的降温效果比墙壁更高， 前者降低2.1 ℃， 后者降低0.8 ℃， 这是由于更为有效的热对流， 以及更大的天空视角因素加速了空气流通。在夜间， 由于外遮蔽作用， 墙壁的降温比屋顶高， 遮蔽作用使白天的热量吸收最小化， 导致夜间的热量释放最小化。建筑物表面温度的降低使得城市气温下降， 夜间下降幅度达到0.4 ℃。安装光伏组件不会影响人为热量产生， 但是由于建筑物表面温度降低， 可以减少显热通量， 提高净辐射。

　　总之， 发展光伏产业对城市热岛效应的影响大部分研究是基于模拟方法， 主要机理是光伏组件的遮蔽效应和对太阳能的转换削弱到达建筑表面的太阳辐射， 从而作用于城市环境温度， 但究竟对城市热岛效应是正向反馈还是负向反馈与布设光伏组件前后的反照率、 屋面技术和光伏组件转换效率等因素有关， 不同反照率的建筑物表面布设不同材料的光伏组件对城市热岛效应的影响程度都是不相同的， 具体的反馈作用还是要针对实际的布设情况进行分析研究。

　　光伏电站由于光伏电板的架设改变了下垫面， 对局地小气候会形成一定的影响， 其影响机理如图2所示。在太阳辐射经过大气层到达光伏面板过程中， 气溶胶通过吸收和散射直接或间接的影响辐射过程（张芝娟等， 2019）， 其辐射强迫及气候效应不容忽视（刘慧等， 2020）。光伏电站引起的局部地区小气候影响更多地采取实地观测对比的方法进行研究， 研究内容主要有光伏电站内外的基本气象要素对比分析， 包括气温、 相对湿度、 降水、 太阳辐射、 土壤温度、 风速和风向等； 还有光伏电站的建设对土壤理化性质和植物群落的影响等。

　　生态系统的可持续发展、 人类生活环境的舒适度及各行业的生产活动都与空气温度和相对湿度息息相关（高晓清等， 2016； 崔杨和陈正洪， 2018）。光伏电站建成后， 改变原有的下垫面条件， 打破原有的地表辐射平衡过程， 形成微小局域气候并作用于周边的环境。已有研究（Barron-Gafford et al， 2016； Broadbent et al， 2019）表明， 白天光伏电站的环境温度高于周边区域， 会形成“热岛效应”， 而夜间则相反， 具体研究结果如表1。

　　在光伏阵列的自冷却机制下白天站内的高温环境在5~18 m高空内消散并不会形成热岛效应。

　　106°54′46″E -106°54′51″E, 40°23′ 20″N -40°23′30″N

　　沙漠地区的光伏电站存在“热岛效应”, 夏季晴天环境下电站内1.0 m、 2.5 m高度处的气温比站外分别高0.30~1.53 ℃、 0.44~1.34 ℃, 空气相对湿度站内较站外有所降低。

　　白天站内气温较站外高, 夜间相反; 2 m处的空气相对湿度夜间的变化明显高于站外（东北方向2 km处）。

　　使用具有动态植被的气候模型模拟了撒哈拉沙漠覆盖风电场和太阳能发电场会使得局部温度升高, 并且降水量增加2倍以上, 这种局部增强取决于电场规模, 并且是撒哈拉沙漠所特有的, 在其它沙漠中影响很小。

　　白天站内1.5 m处的日平均最高气温高于站外（西北方向约300 m处）1.3 ℃, 夜间的气温无明显差异。

　　光伏电站所处地理位置不同， 所处的环境条件和下垫面状况就不一样， 对于湿度的影响也不同， 不同植被类型所引起的感热、 潜热也不同， 其陆表能量过程也就有所差异（马英赛等， 2019）。Armstrong et al（2016）研究了英国一个安装有太阳能阵列的草原上光伏阵列下方区域、 间隙区域以及对照区域在空气小气候方面的差异， 研究结果表明夏季光伏阵列的下方区域比间隙区和对照区的温度低5.2 ℃， 并且更为干燥， 温度和湿度的日变化都有所减小； 在冬季， 光伏阵列的间隙区域比下方区域和对照区的温度低1.7 ℃。高晓清等（2016a）研究了格尔木荒漠地区光伏电站内外的空气温湿度变化， 对于2 m气温， 冬季白天站内外基本相同， 春、 夏、 秋季的白天站内明显高于站外， 夏季差异最大， 这与光伏组件对空气的加热效应大于遮蔽冷却效应有关； 在全年的夜晚站内2 m气温值均高于站外， 与光伏板对近地面的保温作用有很大关系。对于10 m气温， 全年白天站内均低于站外， 秋、 冬季相差较大， 夜晚站内低于站外。在年变化特征中， 站内2 m气温月均值均高于站外， 站内10 m的气温月均值均低于站外； 在10 m高度处，华体会体育 夜晚站内空气相对湿度大于站外。卢霞（2013）以酒泉肃州区东洞滩百万千瓦光伏示范基地为研究对象， 大面积光伏组件在地面的布设导致地表接收到的太阳能辐射减少， 地表温度降低， 通过热力学公式计算出地面日平均温度降低0.049 ℃， 随之蒸发速率减小， 空气相对湿度有所增加， 局地小气候变得湿润； 还分析了酒泉气象站40年历史资料的相对湿度与降水量间的关系， 两者之间存在一定的相关性， 由此判断由于光伏组件导致的空气相对湿度增加会使得局地降水量有所增多。殷代英等（2017）对共和盆地荒漠区光伏电站内外的气象要素进行了分析， 研究表明布设光伏电站会使得该地区的相对湿度增加3.93%， 这种影响在较干日和夜间表现的更为明显。

　　在降水方面， 有研究表明光伏组件引起局部反照率的增加使得蒸发量减少导致降水量减少。Li et al（2017）研究表明， 夏季在农耕区架设光伏电站会增加局部地区的反照率， 会使蒸发量和降水量增加。Millstein and Menon（2011）对安装有光伏设备的空旷地区进行了研究， 结果表明夏季该区域有少云和少降水特征。

　　杨丽薇等（2015）对格尔木荒漠地区大型光伏电站内外的太阳辐射进行了分析， 研究表明站内向上的短波辐射明显低于站外， 主要是由于下垫面条件发生了变化， 站内光伏阵列对向下短波辐射的吸收能力比地面强， 站内外向上短波辐射春季相差最大， 冬季相差最小， 反照率站内明显低于站外， 主要是站内的光伏装置对太阳辐射的吸收能力更强使得反照率下降， 年平均净辐射站内明显高于站外， 光伏电站内下垫面温度明显低于站外， 光伏电站是一个在白天具有降温作用而在夜晚具有保温作用的能量汇。

　　卢霞（2013）以酒泉肃州区东洞滩百万千瓦光伏示范基地为研究对象， 考虑了光伏组件将太阳能转化为电能， 通过热力学公式计算出地面日平均温度降低0.049 ℃。高晓清等（2016b）对格尔木荒漠地区光伏电站内外的土壤温度进行了对比分析， 浅层土壤（5 cm和10 cm）， 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， 表明光伏装置具有绝热保温作用； 在冬季， 站外各层土壤温度均明显高于站内， 说明光伏电站在冬季是冷源。土壤温度的垂直变化特征站内与站外较为相似， 冬夏季土壤温度垂直梯度较大， 而冬夏季转换时期土壤温度垂直梯度变化较小。殷代英等（2017）对共和盆地荒漠区光伏电站内外的土壤温度进行了分析， 10 cm、 20 cm、 40 cm的平均土壤温度分别降低17.2%、 16.75%和16.09%， 光伏电站对土壤平均温度的浅层影响大于深层， 10 cm处的平均土壤湿度也增加了71.61%。

　　在风场方面， 殷代英等（2017）的研究表明光伏电站的布设使得风向较为单一， 而布设后的风速有了明显下降。Millstein and Menon（2011）的研究表明， 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有所减小。赵鹏宇等（2016）的研究发现光伏组件前檐、 后檐处的风速较站外下降明显， 光伏电站内， 20~200 cm高度处风速变化较10~20 cm与200~250 cm高度处风速变化剧烈。

　　Armstrong et al（2016）对比分析了英国一个安装在草原上太阳能阵列下方区域、 间隙区域和对照区域的地面植物生物量及物种多样性， 结果表明光伏阵列下方区域地面的植物生物量以及物种多样性相对较低， 其原因可能是该区域的小气候和植被管理发生了变化。王涛（2015）以靖边县50 MWp光伏电站并网项目为对象， 选取了未建设光伏电站土地、 建设光伏电站但未被光伏面板遮盖的土地、 建设光伏电站且被光伏面板遮盖的土地三种类型， 研究了光伏电站建设对土壤理化性质、 植物群落和小气候等方面的影响。研究结果表明， 在土壤理化性质方面， 光伏电站建设后相比未建设光伏电站的土地， 电站内表层土壤（0~20 cm）含水量、 有机质、 速效磷和速效钾都有所增加， pH和电导率降低， 土壤容重基本不变。在植物群落方面， 光伏电站建设后相比未建设光伏电站的土地， 电站内植物种类、 Shannon-Wiener指数、 Pielou指数、 Simpson指数和生物量均呈现增加趋势； 建设光伏电站未被遮盖的土地相比遮盖的土地植物种类和生物量均有所增加。王祯仪等（2019）研究了沙区光伏电站对生态环境的影响， 结果表明光伏电站在施工期会对环境和植被造成影响， 在运行期间由于光伏阵列的遮蔽作用有利于站内植被恢复和局地小气候的改善。

　　（1） 光伏电站对全球及国家区域气候尺度上的影响研究较为薄弱， 主要是通过模拟大规模安装光伏组件对全球及国家区域气候的影响作用， 其机理是光伏组件安装前后改变了地表反照率使得原有的辐射过程发生变化， 进而作用于气候环境。

　　（2） 在城市地区气候影响研究方面， 光伏组件在建筑物表面布设是否能缓解城市热岛效应存在较大争议， 究其原因对于城市热岛效应的影响因素是具有多样性， 并不是单一因素作用的结果。光伏组件布设前后反照率的变化、 光伏组件的遮蔽效应、 屋面技术、 光伏组件的转换效率等都是影响城市热岛效应的因素， 不同建筑物布设的光伏组件规模、 屋面技术等因素都会使得对城市热岛效应的反馈作用不同， 具体反馈作用还是要结合实际情况进行分析研究。

　　（3） 在局地生态环境气候的影响方面， 相比全国及国家区域大尺度研究， 光伏电站建设对局地生态环境气候的影响研究更多一些。在这些研究中， 大部分都是基于光伏电站内外观测资料的分析， 比较气温、 相对湿度、 降水、 太阳辐射、 土壤温度、 风场、 土壤理化性质及植物群落等指标的差异， 从而揭示光伏电站建设对局地地区生态环境与气候影响的机理。

　　目前， 对于光伏电站建设前期、 运行中对生态环境与气候的影响研究较多， 由于我国正处于光伏产业发展的壮年时期， 光伏组件废弃后对生态环境与气候的影响研究较为薄弱。与此之外， 光伏电站建设对于生态环境与气候的影响是一个复杂的物理过程， 是多种影响因子的共同作用结果， 主要作用机制是光伏组件的遮蔽效应和光伏组件将太阳辐射转化为太阳能， 减少到达地表的太阳辐射， 从而对生态环境与气候造成影响。总之， 光伏电站对于生态环境与气候的影响还处于研究初级阶段， 研究方法和手段都比较单一， 对于其机理的揭示还需要进一步深入研究。