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2022 , Vol. 44 >Issue 8: 1735 - 1744

DOI: https://doi.org/10.18402/resci.2022.08.15

碳排放

光伏发电系统碳中和及其影响因素

  • 王鑫淼 , 1, 2 ,
  • 马志勇 3 ,
  • 周旺潇 3 ,
  • 黄勇 4 ,
  • 陈利顶 1, 2 ,
  • 杨磊 , 1, 2
展开
  • 1.中国科学院生态环境研究中心城市与区域生态国家重点实验室,北京 100085
  • 2.中国科学院大学,北京 100049
  • 3.三峡集团云南能源投资有限公司,昆明 650051
  • 4.云南大学国际河流与生态安全研究院,昆明 650500
杨磊,男,河南信阳人,副研究员,主要研究方向为景观格局与生态安全。E-mail:

王鑫淼,女,山东济宁人,硕士研究生,主要研究方向为景观格局与生态过程。E-mail:

收稿日期: 2022-01-11

  修回日期: 2022-06-17

  网络出版日期: 2022-10-25

基金资助

中国科学院青年创新促进会(2018057)

中国科学院生态环境研究中心碳达峰碳中和生态环境技术专项(RCEES-TDZ-2021-13)

中国生态学学会项目(清洁能源生产对生态环境的潜在影响)

收起

Carbon neutralization in photovoltaic power generation system and influencing factors

  • WANG Xinmiao , 1, 2 ,
  • MA Zhiyong 3 ,
  • ZHOU Wangxiao 3 ,
  • HUANG Yong 4 ,
  • CHEN Liding 1, 2 ,
  • YANG Lei , 1, 2
Expand
  • 1. State Key Laboratory of Urban and Regional Ecology, Research Center for Eco-Environmental Sciences, CAS, Beijing 100085, China
  • 2. University of Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China
  • 3. Three Gorges Group Yunnan Energy Investment Company, Kunming 650051, China
  • 4. Institute of International Rivers and Eco-security, Yunnan University, Kunming 650500, China

Received date: 2022-01-11

  Revised date: 2022-06-17

  Online published: 2022-10-25

Fold

摘要

发展光伏能源是构建清洁能源体系、实现社会经济发展绿色低碳转型的重要举措,明确光伏发电系统的碳中和路径,辨识其影响因素对于能源转型从而促进碳中和目标实现具有重要意义。本文基于生命周期评价,解析了光伏发电系统的碳排放特征,探讨了光伏发电系统全生命周期碳收支和光伏阵列下草地生态系统固碳增汇的影响因素。研究发现：①功率为500 kW的光伏电站从生产到废弃处理全过程碳排放量约为1.00×106 kg;②相比标准煤发电,其全生命周期中减碳量约为3.05×105 kg/a,节省标准煤约1.24×105 kg/a;③若光伏阵列下草地生态系统固碳速率以0.33 Mg C/(hm2·a)为参考,全生命周期内草地生态系统的固碳量约为8.25 Mg,考虑其相比标准煤发电的减碳量后,500 kW光伏发电系统约需3.27年可以中和其生产建造过程的碳排放。光伏组件和设备生产过程中各阶段的能耗、光伏场地气候特征等均会影响光伏发电系统碳中和目标的实现,采用节能环保材料、改进生产工艺、优化光伏场地选址、构建“光伏+生态修复”协同发展技术可以有效提升光伏发电系统的碳中和效率及固碳增汇能力。

关键词： 清洁能源; 光伏发电; 生命周期分析; 碳中和; 生态系统固碳

本文引用格式

王鑫淼 , 马志勇 , 周旺潇 , 黄勇 , 陈利顶 , 杨磊 . 光伏发电系统碳中和及其影响因素[J]. 资源科学, 2022 , 44(8) : 1735 -1744 . DOI: 10.18402/resci.2022.08.15

Abstract

Identifying the carbon neutralization pathways of photovoltaic power generation system and its influencing factors are important for energy transformation and promoting the realization of the carbon neutralization goal. In this study, carbon emissions of photovoltaic power plants and their composition characteristics were analyzed based on life cycle assessment. Influencing factors of carbon emissions of photovoltaic power generation system and related influencing factors of carbon sequestration rates in grassland ecosystem under photovoltaic panels were discussed. The results show that through the entire life cycle, carbon emissions of a typical photovoltaic power plant with a power of 500 kW was 1.00×106 kg. When compared with standard coal power generation, the carbon reduction by photovoltaic power generation system during its entire life cycle was 3.05×105 kg/a. If the carbon sequestration rate of grassland ecosystem under photovoltaic panels were selected as 0.33 Mg C/(hm2·a) year, the carbon reduction amount of the grassland ecosystem was about 8.25 Mg through the entire life cycle. Considering its carbon reduction relative to standard coal power generation, it will take 3.27 years for a typical photovoltaic power plant with a power of 500 kW to achieve carbon neutrality. Analysis on the influencing factors of carbon neutrality in photovoltaic system showed that both energy consumption at each stage of photovoltaic module production and climatic factors of photovoltaic power plants will affect the achievement of carbon neutrality goals. To improve the efficiency of carbon neutralization and increase the carbon sequestration capacity of the grassland ecosystem under photovoltaic panels, usage of energy-saving and environment-friendly materials, improvement of photovoltaic module production technologies, optimization of photovoltaic power plant site selection, and development of collaborative technology of photovoltaic system and ecological restoration should be considered.

Key words： clean energy; photovoltaic power generation; life cycle assessment; carbon neutralization; ecosystem carbon sequestration

1 引言

碳中和行动是有效应对气候变化,实现社会、经济、自然可持续发展的重要举措。中国对2030年实现碳达峰、2060年实现碳中和的承诺对碳中和科学机制和技术路径的研究带来了极为紧迫的需求和挑战。光伏发电技术利用光伏效应将太阳能转化为电能,与传统火力发电相比,光伏发电能优化能源结构、保障能源安全,还可以有效降低碳排放和污染物排放,改善区域生态环境[1]。据统计,截至2020年底中国累计光伏并网容量达253 GW,同比增长23.5%;全年光伏发电量达2605亿kWh,同比增长16.2%[2]。碳中和愿景下,能源结构转型的迫切需求使光伏发电也面临新的机遇和挑战：一方面,光伏发电系统需要选择大量适宜的土地扩大装机规模,并提高光能利用效率,这对土地资源的合理利用和光伏场地的选址提出了更高的要求;另一方面,光伏产业在生产、运输、施工、处置全生命周期都会有不同程度的碳排放问题,需要明确其碳排放过程和特征,构建科学的碳中和技术路径和策略。
基于生命周期分析明确光伏发电系统的碳排放特征,综合考虑其能源消耗、清洁能源生产以及相比传统火力发电减少的碳排放,是解析光伏发电系统碳中和机制及其技术路径的有效途径。目前,国际上对光伏产业生命周期评价的研究主要聚焦在能源回收期[3]、碳排放[4,5]和环境影响[6]等几个方面。中国学者对光伏组件的环境影响[7⇓-9]、碳排放[10]、光伏发电技术[11]等也开展了相关研究,例如,谢明辉等[8,9]通过建立生命周期环境影响评价模型,对光伏组件生产的环境影响和废弃处置进行了分析,发现太阳能级多晶硅生产对环境的影响主要体现在危害人体呼吸系统、致癌等,其次是对资源（矿产资源、化石燃料）和环境质量（生态毒性、酸化、富营养化）的影响;韩梦瑶等[10]分析了中国光伏发电的时空分布、减排效应,发现中国现有光伏装机规模的潜在减排效益到2030年可以达到19.2亿t;苗青青等[11]对光伏发电技术中晶硅太阳能电池、薄膜太阳能电池、钙钛矿太阳能电池等生产工艺及其光电转换效率进行了较为详细的论述。然而,目前光伏发电系统碳中和的路径及其影响因素却缺乏系统的探讨。与光伏发电相比,传统火力发电的碳排放主要集中于煤炭生产、运输和燃煤发电环节,其中燃煤发电环节是碳排放最高的阶段。而光伏发电在光电转换过程中基本可以视为不产生碳排放,因而相比传统火力发电,光伏发电系统主要通过运行阶段的零碳排放来实现清洁能源生产,但光伏电站组件和设备的生产、组装及处理环节同样具有较高的碳排放。
光伏发电系统除了在运行阶段的碳减排以外,光伏阵列下陆地生态系统也具有一定的固碳功能。作为光伏发电系统固碳增汇的一个组成部分,陆地生态系统固碳是通过植物光合作用吸收CO2转化为有机物,再通过凋落物等形式进入土壤[12]。陆地生态系统通过对CO2的资源利用,在全球碳平衡中发挥着重要作用,陆地生态系统固碳也成为应对气候变化、实现碳中和的重要举措[13]。光伏阵列下陆地生态系统固碳主要包括植被碳库（地上和地下生物量碳库）和土壤碳库两部分[14,15]。植被固碳是植物通过光合作用吸收CO2并产生地上、地下生物量的过程;土壤固碳则是土壤中的有机物经生物地球化学作用,最终以较稳定的有机碳形式储存在土壤中的过程[16]。植物枯枝落叶及根系残体是土壤有机质的主要来源,土壤有机质的增加能够改善土壤条件,促进植物生产而提高植被初级生产率,形成土壤碳库和植被碳库的正反馈。目前多数传统光伏发电场地中,草地是光伏阵列下的主要植被类型,其同样具有较强的碳汇能力[17]。有研究表明,中国草地生态系统碳库大小为29.1 Pg C[18],并且草地生态系统总碳储量的90%储存在表层0~20 cm土壤中[19,20]。徐丽[21]和Piao等[22]的研究也证实,草地生态系统在1980—2010年间发挥的碳汇功能仅次于森林生态系统。
为了更明确地解析光伏发电系统的碳中和特征及其影响因素,本文从光伏发电系统全生命周期的角度出发,解析光伏组件和电场设备的生产、安装、运输以及废弃处理过程的碳排放特征,计算典型光伏电站光伏发电阶段相比传统火电减少的碳排放量以及光伏阵列下陆地生态系统的固碳量,讨论光伏发电系统碳减排和固碳增汇的路径及其影响因素。

2 研究方法

图1为光伏发电系统碳中和的实现过程,列举了光伏发电系统碳收支的主要组成部分及其影响因素,以及碳中和能力提升的路径。据此,本文将分析光伏发电系统全生命周期的耗电量,探讨其全生命周期的碳排放特征;将同等发电量条件下光伏发电相比传统火电减少的碳排放量,作为光伏发电系统的碳减排量,并解析清洁能源生产碳减排和光伏场地陆地生态系统固碳共同作用下的碳中和过程及特征;结合文献资料分析光伏发电系统碳排放和固碳增汇的影响因素,明确光伏发电系统碳中和的提升路径。
图1 光伏发电系统碳中和实现过程

Figure 1 Implementation process of carbon neutralization in photovoltaic power generation system

2.1 光伏发电系统全生命周期的耗电量与碳排放量

图2展示了光伏发电系统全生命周期的主要组成,包括光伏组件生产加工、设备运输、电场建造、发电运行和废弃处置5个阶段。虽然太阳能作为清洁能源有着巨大发电潜力,但光伏组件和电场设备从生产到报废的每个环节都会直接或间接地消耗化石能源而产生碳排放[23,24]。其全生命周期的碳排放主要集中在光伏组件与电场设备生产、安装运输与废弃处置阶段[25],但不同光伏发电系统这些环节的能源消耗量也存在较大的差异[26]。在光伏发电系统的耗电量分析方面,龚道仁等[24]研究了典型1 kW光伏发电系统的耗电量及其碳排放特征,得出1 kW光伏发电系统全生命周期（25年）的耗电量约为2707 kWh,产生碳排放2409 kg。
图2 光伏发电系统生命周期的碳排放特征

注：图中碳排放占比数据来自参考文献[25]。

Figure 2 Carbon emission characteristics of photovoltaic power generation system during its life cycle

2.2 光伏发电系统运行阶段的碳减排量

在年均有效辐照时数为H,年均太阳辐照量为T（辐照量和有效辐照时数的关系为：T=3.6H）,平均温度影响因子为d的地区发展光伏,设该光伏系统的发电效率为e,使用年限为m,光伏组件开始的最大功率为P,每年的衰减功率为X,该光伏系统整个生命周期里的总发电量Qtotal可通过下式计算：
Q t o t a l = d × e × H × P ∑ 1 m 1 - X
龚道仁等[24]分析表明,1 kW光伏发电系统在3000、5000和9000 MJ/m2的太阳辐照量下,考虑温度影响因子和总有效发电效率 d × e=0.75,光伏组件每年按2%的功率衰减,其全生命周期的累计发电量分别为12372、20640和37175 kWh。
参考中国传统火力发电厂的平均耗能,1 kg标准煤完全燃烧产生CO2排放为2.46 kg[24]。根据中国电力统计年鉴,发电1 kWh要消耗约0.30 kg标准煤[27]。按此计算,采用传统火力发电1 kW需要排放0.74 kg CO2。相比传统火力发电,采用光伏发电1 kWh相当于减少CO2排放0.74 kg。光伏发电系统在运行阶段减少的碳排放量计算如下：
R = Q t o t a l × c × f
式中：R为光伏系统运行阶段减少的碳排放（kg）; c=0.30 kg/kWh,表示每发电1 kWh节省0.30 kg标准煤;f=2.46 kg/kg,表示每节省1 kg标准煤,相当于减少2.46 kg碳排放。

2.3 光伏阵列下陆地生态系统的固碳速率

传统光伏阵列下植被覆盖多为草地,草地生态系统的固碳速率已经有了丰富的研究,但因草地的不同管理和利用方式等对其固碳速率有较大的影响,这使不同研究中草地生态系统的固碳速率存在一定的差异。例如,白永飞等[28]通过数据集成分析,并结合遥感和模型手段,估算出的固碳速率为0.25 Mg C/(hm2·a);Lu等[29]在实地调研的基础上,结合文献资料,分析了2001—2010年中国6项国家重点修复工程的碳储量变化,得出草地生态系统年均固碳率为0.26 Mg C/(hm2·a)的结果;Fang等[30]汇总他人研究,得到2001—2010年草地系统固碳速率为0.48 Mg C/(hm2·a)。在本文中,光伏阵列下草地生态系统的固碳速率参考文献[28⇓-30],取其平均值0.33 Mg C/(hm2·a)。

2.4 光伏发电系统碳中和时间

光伏发电系统运行阶段的累计碳减排量和陆地生态系统的累计固碳量等于光伏组件生产、电场设备制造、组件与设备运输、电场建造、废弃处置等环节的碳排放量即实现碳中和（图1）。本文以年辐照量为5000 MJ/m2的地区为例,这一辐照量地区光热资源充足,年平均日照时数较长,占适宜光伏发展地区的面积比例较大[31]。假设构建功率为500 kW、占地面积1 hm2的光伏电站,考虑草地生态系统固碳速率为0.33 Mg C/(hm2·a),基于1 kW光伏系统的碳排放相关数据,探讨光伏发电系统碳中和的特征及其影响因素。考虑光伏发电系统运行阶段减少的碳排放,其实现碳中和的时间计算如下：
T = M r + k
式中：T为光伏发电系统实现碳中和时间（a）;M为光伏发电系统全生命周期的碳排放量（kg）;r为光伏发电系统年均减少碳排放量（kg）;k为单位面积草地每年的固碳量。

3 结果与分析

3.1 光伏发电系统的碳排放特征

表1为功率为500 kW、占地面积1 hm2的光伏电站在年辐照量为5000 MJ/m2地区的全生命周期碳排放。根据公式（2）,这一规模的光伏发电系统从原材料获取、生产、运输、施工到报废处置的全生命周期累计耗电量约为1.35×106 kWh。若这些耗电量来源于传统的火力发电,相当于消耗标准煤4.06×105 kg,产生的碳排放为1.00×106 kg。需要注意的是,受装机规模、使用年限等条件影响,不同学者对光伏发电系统全生命周期碳排放的估算存在一定的差异,例如,翁琳等[25]的计算表明12 MW、占地14 hm2的典型光伏发电系统全生命周期的碳排放约为2.18×107 kg;郭敏晓[32]对使用年限为25年、占地8 hm2、功率为5 MW的某大型光伏并网电站各阶段碳排放进行核算,发现其全生命周期碳排放为4.35×107 kg。
表1 光伏发电系统全生命周期的能源消耗与碳排放特征

Table 1 Energy consumption and carbon emission of typical photovoltaic power system

功率/kW 面积/hm2 耗电量/kWh 耗标准煤/kg 碳排放/kg
500 1 1.35×106 4.06×105 1.00×106
光伏组件的材料、生产工艺、安装质量、废弃处置工艺等会直接影响其能源消耗量。翁琳等[25]研究发现,光伏组件原材料获取和生产环节占全部碳排放的96.6%,这使光伏组件的材料、生产工艺等影响更加举足轻重。作为光伏发电系统的关键组件,单晶硅太阳能电池具有较高的光电转换效率,但其生产过程伴随着较高的能耗和碳排放,相比之下,多晶硅太阳能电池虽然转换效率略低,但因其廉价的成本,在光伏组件生产中应用更普遍[33],这使光伏发电效率与光伏组件成本之间存在权衡关系,也使光伏发电效益与碳排放之间存在权衡。李兴盛等[34]针对1 kW多晶硅电池发电系统的研究发现,采用金刚线切割工艺的多晶硅电池发电系统碳排放仅为砂浆切割工艺总碳排放的17.6%,能耗和碳排放均明显降低。就组件与设备运输环节而言,光伏组件和电场设备从生产地到安装场地的运输距离越长,运输过程中燃料的消耗量就越大,其碳排放就越高。就电场建造环节而言,于志强等[35]分析表明光伏发电系统部件的产品质量、系统安装质量等因素会直接影响光伏发电系统随时间的衰减程度和最大输出功率,从而影响光伏系统的碳减排效果。就废弃处置环节而言,光伏组件不同的废弃处置工艺,其碳排放差异也很大。赵若楠[3]研究155 kW光伏系统在不同处置方式下的碳排放情况发现,采用填埋方式处理光伏组件的碳排放量约为0.12 kgCO2-eq;采用人工拆解回收组件的碳排放约为-9.88 kgCO2-eq,即实现9.88 kgCO2-eq的碳减排;而采用人工拆解+热解回收的方法可以回收利用多种物质,其减少的碳排放可达到约55.60 kgCO2-eq,占生产和使用阶段碳排放的33.54%。此外,有研究表明,光伏阵列平衡系统铝支架、光伏组件铝边框、太阳能级多晶硅锭生产过程和硅片回收过程中所消耗的电力和工业硅也是影响光伏系统总能量需求的关键因素[35]。

3.2 不同年辐照量条件下光伏发电系统碳减排特征

如图2所示,光伏发电系统在运行阶段可以有效减少碳排放,但运行阶段的发电量受场地太阳能资源的直接影响。受纬度、海拔、气候、地形等地理环境的影响,不同地区的太阳能资源存在较大的差异。例如,在中国青海、西藏中西部、新疆东部等太阳能资源极为丰富的地区,年辐照量可达9000 MJ/m2,而在四川、重庆、湖南中西部等地区年辐照量则小于3000 MJ/m2。在不同年辐照量下根据公式（1）计算,发现500 kW的光伏发电系统的累计发电量、年均发电量、年均节省标准煤、年均碳减排量随着年有效辐照时数和年辐照量的增加而增加（表2）。在有效辐照时数长、辐照量丰富的地区,光伏发电系统能更好地发挥碳中和的作用。在年辐照量为3000 MJ/m2的地区,其年均发电量为2.47×105 kWh/a,碳减排量为1.83×105 kg/a;而在年辐照量为9000 MJ/m2的地区,年均发电量可达到7.44×105 kWh/a,碳减排量为5.49×105 kg/a。
表2 不同年辐照量条件下光伏发电系统碳减排效果

Table 2 Carbon reduction effect of typical photovoltaic power system under different annual irradiation conditions

年辐照量/(MJ/m2) 年有效辐照时数/h 累计发电量/kWh 年均发电量/(kWh/a) 年均节省标准煤/(kg/a) 年均碳减排量/(kg/a)
3000 833 0.62×107 2.47×105 0.74×105 1.83×105
5000 1388 1.00×107 4.13×105 1.24×105 3.05×105
9000 2500 1.90×107 7.44×105 2.23×105 5.49×105
光伏发电系统安装场地的气候条件会影响光伏组件的发电效率及其碳减排量。其中,太阳能资源的差异会直接影响光伏发电系统的发电量,进而影响碳减排效果[24]。例如,何津津等[36]对光伏系统安装地点进行敏感性分析发现,功率1 kW年均发电量约960 kWh的光伏发电系统在太阳能资源丰富的拉萨地区碳排放回收期是1.51年,而在太阳能资源相对较少的南京地区碳排放回收期为2.60年。此外,光伏组件的输出效率具有显著的温度效应,研究发现,标准测试条件下功率为280 W的晶体硅光伏组件温度每升高1 ℃,其功率大约会下降1.5 W[37],因此,同等装机条件下温度较低地区光伏系统的发电量会显著增加。由以上分析可以看出,光伏发电系统的碳减排应全方位考虑场站气候条件等因素,优化场地选址,提高光能利用效率,以提高其碳减排能力。

3.3 光伏发电系统的碳中和分析

若不考虑气候条件对草地生态系统固碳量的影响,面积为1 hm2光伏电站在25年的时间内光伏阵列下覆草地生态系统的总固碳量约为8.25 Mg。表3为代表性光伏发电系统碳中和的时间分析。根据公式（3）,若考虑光伏发电系统运行阶段减少的碳排放,在光伏发电碳减排和草地生态系统固碳的共同作用下,年辐照量为9000 MJ/m2的地区光伏发电系统实现碳中和仅需1.82年,而在年辐照量为3000 MJ/m2地区实现碳中和所需年数约为9000 MJ/m2地区的3倍。若不考虑光伏发电的碳减排量,而仅通过草地生态系统固碳来中和光伏系统全生命周期的碳排放,实现此过程则需要3030年。
表3 不同年辐照量条件下光伏发电系统碳中和分析

Table 3 Carbon neutrality analysis of typical photovoltaic power system under different annual irradiation conditions

年辐照量/(MJ/m2) 全生命周期碳排放量/kg 年均碳减排量/(kg/a) 草地生态系统固碳量/(kg/a) 时间/年
3000 1.00×106 1.83×105 0.33×103 5.45
5000 1.00×106 3.05×105 0.33×103 3.27
9000 1.00×106 5.49×105 0.33×103 1.82
— 1.00×106 — 0.33×103 3030.30
本文以位于年辐照量为5000 MJ/m2地区的光伏发电系统为例,对其碳中和特征进行了理论探讨。需要明确的是,不同的光伏组件材料、生产工艺、光伏组件的运输距离、安装方式、废弃处置方式以及安装场地的太阳能资源、气候特征等都是影响光伏发电系统碳中和的重要因素。这些关键过程的碳收支特征在不同的环境条件下存在较大的差异,并且不同环境因素及因素间的作用也较为复杂,在光伏发电系统碳中和过程分析中需要因地制宜选择合适的参数,以更为精准地评估光伏发电系统的碳中和贡献。

3.4 光伏发电系统的生态效益探讨与展望

由表3也可以明显看出,光伏阵列下草地生态系统的固碳对碳中和的贡献相对较弱,仅靠生态系统固碳来中和光伏组件生产、电站建造和废弃处置等环节的碳排放极为困难,光伏发电系统促进碳中和目标的实现需要从生产工艺改进、减排措施和节能材料使用来降低生产过程各阶段的能耗。值得注意的是,由于光伏电站需要大量廉价的可利用土地及较强的太阳辐射,因此,大部分光伏电站建设于干旱、半干旱气候条件下的戈壁、荒漠及石漠化地区[38]。光伏阵列在这种环境中也具有一定的生态修复功能。例如,在生态脆弱的沙漠戈壁区发展光伏不仅可以提高光伏系统的生产效率[39],还有助于防沙治沙、提升生态功能。这主要由于：①光伏阵列可以削减太阳辐射,减少土壤物理蒸发,减少土壤水分损失而有利于植物生长;②光伏阵列有一定的集雨功能,可以促进光伏阵列下植物群落的生长和演替;③光伏阵列可以削弱沙尘暴和风流沙的发生[40]。光伏阵列不仅可以增加电站地表的粗糙度,减弱地表风,促进植被生长,且建成后的电站地表少有人为干扰,有利于受损生态系统的恢复[41,42]。将光伏发电系统和生态修复相结合,可以充分发挥“光伏阵列-植被生态系统”蓄水保土、阻风固沙和调节气候等作用,让光伏发电与生态修复优势互补,既可以将丰富的太阳能资源转化为清洁能源,又可以固碳增汇,促进碳中和目标的实现。
光伏清洁能源的发展受到多种因素的限制,并且光伏板下土地资源的闲置以及经济收益的不足,使光伏发电的同时进行生态恢复或发展农林产业成为光伏基地资源综合高效利用的迫切需求。然而,当前光伏与生态修复协同发展缺乏较为系统的基础研究,未来研究应着重以下几个方面：
（1）光伏与生态修复结合的空间适应性科学基础研究,包括如何协同区域土地资源与环境特征,因地适宜设计生态修复模式和光伏系统。
（2）光伏阵列对关键环境要素和生态过程的影响机制研究,包括光伏阵列对光照、温度、水分、养分等环境要素以及土壤、植被、水文过程影响的机理研究。
（3）如何构建光-热-水-土-肥资源高效利用模式和技术以提升土壤保持、水源涵养、养分供给、固碳增汇等生态系统服务的科学机理研究。发展光伏清洁能源促进碳中和的同时,亟待集成土地适宜性评价和光热资源潜力评价,构建光伏与生态修复协同发展的技术与模式,进行合理的规划与设计,以更为高效地利用光热资源提升社会经济效益与生态效益,促进碳中和目标的实现。

4 结论与政策建议

4.1 结论

本文基于理论模型,以5000 MJ/m2太阳辐照量地区为例,计算了建设面积为1 hm2、功率为500 kW的光伏发电系统全生命周期的碳收支特征,讨论了光伏发电系统碳中和的影响因素及其技术路径。研究发现：
（1）功率为500 kW的光伏电站,从原材料获取、生产、运输、施工到报废处置的全生命周期生产过程碳排量约为1.00×106 kg。
（2）与传统火力发电相比,在平均年辐照量为5000 MJ/m2的条件下,年均节省标准煤1.24×105 kg,减少碳排量3.05×105 kg,实现碳中和需3.27年。在平均年辐照量为3000 MJ/m2的地区,实现碳中和需5.45年;而在平均年辐照量为9000 MJ/m2的地区,实现碳中和仅需1.82年。
（3）制约光伏发电系统碳中和的内因主要是光伏组件和电场设备自身生产、运输、组装、维护等环节产生的碳排放,且以光伏组件生产阶段的碳排放最多;安装场地气候因素等会影响光伏系统发电效率和固碳速率,是影响光伏发电系统碳中和的环境因素。

4.2 政策建议

基于以上结论,本文提出如下政策建议：
（1）光伏发电系统促进碳中和目标的实现需要从光伏组件生产工艺改进、减排措施提升和节能材料使用等方面来减少生产、建造和处置阶段的碳排放,并通过技术进步提高光电转换效率、优化光伏场地选址、优化土地资源利用等来提升光伏发电系统运行阶段的碳中和能力。
（2）光伏发电系统需要与区域生态修复有机结合,因地制宜构建“光伏+生态修复”协同发展的技术与模式,采取科学的生态系统管理措施提高其固碳增汇能力,维持和提升光伏阵列下土壤、植被的生态系统服务功能,以“光伏+生态修复”协同发展促进社会、经济、生态效益的综合提升。

参考文献

原文顺序 | 文献年度倒序 | 文中引用次数倒序
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