太阳能利用技术研究论文

太阳能利用技术研究论文太阳能辅助跨临界CO2热泵系统优化研究摘

要：在双碳战略的大背景下，高效节能的热泵技术有着广阔的发展前景。在定热负荷下，模拟研究了空气源和水源跨临界CO2热泵系统的运行边界。构建了太阳能辅助空气源跨临界CO2热泵系统（SAAHP）㶲经济性评价模型，结合新疆库尔勒地区某油田的热水需求，综合分析了系统全年运行的经济效益，获得了最佳的集热面积和蓄热水箱容积。对比分析不同的运行策略，SAAHP系统采用太阳能蓄热定时利用的运行策略时的热力性能、经济性能和环保性能均最优。关键词：跨临界CO2热泵；㶲经济性分析；SAAHP；运行策略0引言应对气候变化《巴黎协定》代表了全球绿色低碳转型的大方向，是保护地球家园需要采取的最低限度行动，各国必须迈出决定性步伐。为有力支撑这一目标的实现，中国必须长期走低碳的发展路径，朝向提供更有效、有用和广泛使用清洁和可再生能源的新技术的趋势最近有所增加，其中作为可再生能源的太阳能的利用将会逐年增加[1]。太阳能可以作为热泵系统的热源，以提高热泵性能并减少基于化石燃料的电力消耗。在过去的几十年里，将太阳能与热泵系统相结合已经成为一种非常普遍的方法来提高传统热泵的效率[2-5]。热泵系统中常用的CFC、HCFC和HFC制冷剂因具有较高的全球气候变暖潜能（GWP），造成强烈的温室效应，将逐渐被天然工质所取代。CO2工质具有较好的环保特性和良好的热力学性质，是未来可长期使用的天然制冷剂，其在商超制冷、汽车空调、人工制冰和热泵等领域均得到广泛的应用[6-8]。Hong和Yang[9]等人建立了太阳能辅助空气源热泵系统在特定天气条件下运行性能的数学模型，研究了循环流量、太阳能集热器面积、太阳能集热器阵列倾斜角度和预热水箱的初始水温等参数对系统性能的影响，结果表明，循环流量对系统性能的影响较大。Chen和Dai[10]等人提出一种由太阳能集热器和CO2热泵组成的系统，并在TRNSYS中建立并验证了系统模型，分析了主要部件参数对系统性能的影响。随后利用GENOPT进行多参数优化，优化后的系统可节约14.2%的电能，太阳能利用率提高8%。优化后系统的太阳能利用率可达71.1%。Willian[11]等人分析了进水口温度、太阳辐射通量和相对湿度的变化对系统性能的影响，在相同的水换热条件下，循环压力比随太阳辐照量的增大而减小。Islam[12]等人报告了一项太阳能热泵水加热过程中二氧化碳的数值分析，通过改变压缩机转速模拟了系统的整体性能。结果表明，压缩机转速和太阳辐照对其性能有显著影响。Rabelo[13]等人研究了水质量流量变化对系统性能的影响，其结果表明:随着水质量流量的增加，气体冷却器出口温度、水出口温度和气体冷却器出口压力均有所降低。Cai和Li[14]等人通过利用太阳能和空气源来提高热泵在恶劣工况下的性能，提出了一种翅片管式蒸发器和集热器串联的新型空气源混合太阳能辅助热泵系统，并建立了一个数学模型来表征所提系统受环境温度、太阳辐照和蒸发面积等关键因素的影响。由于翅片管蒸发器和集热器蒸发器的传热特性存在显著差异，AS-SAAHP系统中的混合热源在各种工况下可以起到互补作用。将AS-SAAHP系统与常规DX-SAAHP系统进行了性能比较，证明了AS-SAAHP系统具有最优性能。目前，对SAAHP系统的优化配置与运行策略的研究较多，然而，在对系统进行全年运行的理论分析中，所建立的数值模型中，未考虑传热过程与系统结构，对SAAHP系统中热泵系统的运行边界仅通过进水温度变化进行简单处理，众所周知，热泵系统受外界工况的影响较大，不同工况或不同环境温度下，热泵的运行边界不同，因此，简化的处理方法无法真实反映出不同运行策略对系统热力性能和经济性能的影响规律。同时，也缺少从热经济学角度对SAAHP系统进行优化配置及太阳能蓄热量高效利用的研究。因此，需要开展考虑传热过程与系统结构的SAAHP系统的研究工作，并从热经学的角度评价系统性能。1SAAHP系统描述图1展示的SAAHP系统主要由三部分组成：太阳能集热系统、PLC控制系统和空气源/水源跨临界CO2热泵系统。其运行策略根据蓄热水箱的温度，通过PLC控制程序以实现太阳能直供热模式（SH）、空气源跨临界CO2热泵供热模式(AHP)和水源跨临界CO2热泵供热模式(WHP)三种模式之间的切换。由于太阳能具有能量密度低、受气候影响大的特点，在SAAHP系统中，根据蓄热量的利用情况，可将SAAHP系统的运行策略分为：太阳能蓄热时间最短的运行策略和太阳能蓄热定时利用的运行策略。当SAAHP系统采用太阳能蓄热时间最短的运行策略，即S-SAAHP模式，运行流程如下：当蓄热水箱温度升高至10℃~40℃之间时，系统的运行由AHP模式转换为WHP模式；当蓄热水箱温度升高至40℃~70℃之间时，由于蒸发器进水温度超过WHP稳定运行的极值，因此系统转换为AHP模式，随着蓄热水箱温度进一步升高至70℃~95℃之间时，蓄热水箱温度逐渐满足直接供热的需求，因此，热泵系统停止运行，系统切换为SH模式。当SAAHP系统采用太阳能蓄热定时利用的运行策略，即T-SAAHP模式，其运行流程如下：首先，需要对太阳能蓄热量的启动利用时间做一设定，系统在实际运行过程中，当运行时间达到之前，太阳能集热系统仅蓄热而不利用，忽略蓄热水箱温度对运行模式的影响；当运行时间达到时，SAAHP系统按照上述S-SAAHP模式运行。但在该运行策略下，当蓄热水箱的温度达到70℃~95℃之间时，无论是否满足要求，均优先运行SH模式。2SAAHP系统的㶲经济性分析基于热力学分析的SAAHP系统的优化配置，一直是研究的热点。但在实际运行过程中，经济性能也是技术方案是否可行或最优的重要指标。基于热经济性的分析，是建立在考虑系统热力性能的同时，还考虑系统初始投资、能源燃料费用和运行维护费用等经济因素的影响。本小节基于“㶲成本理论”，即在系统热力学㶲评估的基础上对各个设备搭建经济学模型，对系统运行过程中的㶲进行成本量化。㶲经济性分析的目标是通过求解系统的㶲成本平衡方程来评估系统产出的单位成本。物理㶲指热力学系统经过可逆的物理过程能够达到环境热与力的平衡时最大限度转换为有用功的能量。可以通过下式计算所得：对于系统中某一设备k来说，离开该设备的㶲流成本等于进入该设备㶲流的成本与投资、运行及维护的成本之和。基于此，各部件㶲成本的平衡方程可写成如下表达式：式中：——每小时流入或离开设备k的㶲流的成本，元/h；——每小时k设备的初始投资、运行及维护的总成本，元/h；——每小时k设备对外输出功的成本，元/h；——每小时k设备从外界吸热的成本，元/h。正如采用COP作为系统能量分析指标、㶲效率作为系统㶲分析指标一样，系统产出单位㶲成本是系统㶲经济性分析的重要指标。通过该参数的分析可以更好的理解影响热力系统经济性的关键因素，并为系统投入实践应用提供指导意义。其主要由下式计算：式中，为系统部件的总数量；为系统燃料部件的总数量；为系统产品部件的总数量，为部件f的燃料消耗量。表1展示了热泵系统中各主要部件的成本函数，后续研究中用到的太阳能集热器的成本为300元/㎡，蓄热水箱的成本为1000元/m³，其余管道、阀件、自动控制系统和保温材料等看作系统主要部件总投资的15%。

运维费用（OMC）主要包括设备运行过程中所牵涉到的维修和维护的各项成本，对于每一年的运维费用按照设备初投资的1%考虑。系统每小时运行中所消耗的电量，可由下式计算：式中，为系统的总耗电功率，kW；为跨临界CO2热泵系统的耗电功率，kW；为集热器循环泵的耗电功率，kW；为冷却水循环泵的耗电功率，kW；为系统每小时耗电量，kW·h；为电效率，本文取0.9；为电价，本文取0.47元/kW·h；为系统耗电费用，元。为评价不同系统之间的优劣，将单位产品㶲成本、投资回收期等作为系统经济性评价指标。3

模型验证3.1

空气源跨临界CO2热泵实验系统为验证模型的准确性，由于太阳辐照强度主要影响热泵系统的热负荷，针对热泵模型的准确性基本无影响，关于太阳能模型已被很多研究者建立且精度较高，因此，我们仅建立了空气源跨临界CO2实验系统。实验系统主要组成：半封闭往复式压缩机(DORINCD1000H)、换热量为35kW的气体冷却器、电子膨胀阀（鹭宫JKV-2.4D）和换热量为25kW的风冷蒸发器及附件，其实验系统如图2所示。3.2

跨临界CO2热泵系统模型验证在环境温湿度、进出水温度为定值的情况下，电子膨胀阀的开度从180步变化到300步，获得不同的压缩机耗功和COP值。图3与4显示了计算的COP和压缩机耗功与测量值的比较。预测结果与实验结果吻合较好。预测值与实测值相差最大4%，表明所建立的模型具有较好的适用性。因此，该模型可用于与太阳能模型耦合，研究参数变化对太阳能辅助空气源跨临界CO2热泵系统的影响规律。4

结果与讨论4.1

跨临界CO2热泵系统运行边界图5展示了在恒定热负荷（26.46kW）下，空气源跨临界CO2热泵系统最优排气压力下的运行特性随环境温度的变化规律。为确保热负荷不变，随着环境温度的降低，压缩机频率逐渐升高，当压缩机频率达到最大值（70Hz）时，压缩机运行数量由1台增加至2台，两台压缩机频率同步降低至最低频率（35Hz），进一步降低环境温度，两台压缩机频率再次同步逐渐升高。随环境温度降低的过程中，压缩机排气温度持续升高，压缩机压比持续增大。当环境温度从40℃降低至-17℃时，两台压缩机的频率达到58.5Hz，压缩机压比从2.04增大至5.65。此时压缩机的排气温度从90℃升高至146.5℃，达到了较高的温度，长期在此工况下运行，压缩机会存在润滑油“积碳”现象，进而影响压缩机的寿命，同时还会带来系统运行不稳定的现象。因此对于空气源跨临界CO2热泵系统，各主要部件的几何结构和热负荷确定的情况下，热泵系统是存在运行边界的。系统的运行边界主要受限于压缩机频率和排气温度的允许范围。图6展示了在恒定热负荷（26.46kW）下，水源跨临界CO2热泵系统最优排气压力下的运行特性随冷却介质进口温度的变化规律。为确保热负荷不变，随着冷却介质温度的逐渐升高，压缩机频率逐渐降低，蒸发器中冷却介质质量流量逐渐降低，当压缩机频率达到最小值（35Hz）时，进一步提高冷却介质温度，冷却介质质量流量进一步降低。随冷却介质温度升高的过程中，压缩机排气温度持续降低，压缩机压比持续减小。当冷却介质温度从5℃提高至40℃时，压缩机频率从48Hz降低至最小频率35Hz，此时压缩机的排气温度从105℃降低至92.2℃，冷却介质质量流量从0.2kg/s降低至0.05kg/s。进一步提高冷却介质温度，冷却介质质量流量进一步降低，会使特定结构的蒸发器的换热不稳定。因此对于水源跨临界CO2热泵系统，各主要部件的几何结构和热负荷确定的情况下，热泵系统也是存在运行边界的。系统的运行边界主要受限于压缩机频率下限和冷却介质质量流量的允许范围。4.2

蓄热量利用优化分析本文根据“中国建筑热环境分析专用气象数据集”获得新疆库尔勒地区典型年气象数据为全年运行的气候参数，对其简化处理，选择1月、4月、7月和10月作为一年四季的代表月。对SAAHP系统进行全年㶲经济性分析，在定热负荷（26.46kW）下，进出水温度为30℃/65℃的工况下，获得最佳的太阳能集热面积为60m2和蓄热水箱容积为5m3。4.2.1

冬季典型代表日分析图7展示了SAAHP系统在冬季典型代表日运行过程中的日平均COP、日平均㶲效率和单位产品㶲成本随太阳能蓄热量的启动利用时间的变化规律。典型日的气候参数为：日平均环境温度为-5.9℃，最低环境温度为-13.3℃，最高环境温度为3.3℃，太阳能辐照强度最大为517.3W/m2。随着的变化，T-SAAHP系统的日平均COP和日平均㶲效率变化趋势相同，均呈现先增大后减小的趋势。由图可知，在晚上22：00开始启用太阳能蓄热量的时候，系统的日平均COP和日平均㶲效率均达到极大值，分别为3.11和28.69%。与为6：00的系统性能相比，日平均COP提升了10.28%，日平均㶲效率提升了11.24%，因此SAAHP系统在冬季运行时，22：00为最佳的太阳能蓄热量的启动利用时间。另外，单位产品㶲成本的变化趋势与日平均COP和日平均㶲效率的相反，但在22：00时，单位产品㶲成本也达到了极小值，即为3.48元/kW。4.2.2

春季典型代表日分析图8展示了SAAHP系统在春季典型代表日运行过程中的日平均COP、日平均㶲效率和单位产品㶲成本随太阳能蓄热量的启动利用时间的变化规律。典型日的气候参数为：日平均环境温度为16.7℃，最低环境温度为9.6℃，最高环境温度为25.7℃，太阳能辐照强度最大为747.2W/m2。随着的变化，T-SAAHP系统的日平均COP和日平均㶲效率变化趋势相同，均呈现先增大后减小的趋势。从早上6：00开始启用太阳能蓄热量时，系统的日平均COP和日平均㶲效率分别为3.70和26.83%。由图知，在为16：00时，系统的日平均COP和日平均㶲效率均达到极大值，分别为3.76和29.52%。与为6：00的系统性能相比，日平均COP提升了1.62%，日平均㶲效率提升了10.02%，因此SAAHP系统在春季运行时，为16：00为最佳的太阳能蓄热量的启动利用时间。此时对应的单位产品㶲成本也达到了极小值，即为3.05元/kW。4.2.3

夏季典型代表日分析图9展示了SAAHP系统在夏季典型代表日运行过程中的日平均COP、日平均㶲效率和单位产品㶲成本随太阳能蓄热量的启动利用时间的变化规律。典型日的气候参数为：日平均环境温度为30.7℃，最低环境温度为27.2℃，最高环境温度为35.8℃，太阳能辐照强度最大为933.3W/m2。随着的变化，T-SAAHP系统的日平均COP和日平均㶲效率变化趋势相同，均呈现减小的趋势。从早上6：00开始启用太阳能蓄热量时，系统的日平均COP和日平均㶲效率分别为4.04和27.36%，且此时即为系统日平均COP和日平均㶲效率的极大值点，对应的单位产品㶲成本也达到了极小值，即为2.40元/kW。因此，SAAHP系统在夏季运行时，不需要设置太阳能蓄热量的启动利用时间。在恒定热负荷下运行时，随着太阳能蓄热量的启动利用时间的延后，系统性能衰减明显，其主要是因为夏季太阳辐照强度大，造成蓄热水箱温度升温速率快，水箱温度处于WHP模式无法利用的情况增多，AHP模式的占比较大，导致系统整体的运行性能衰减明显。4.2.4

秋季典型代表日分析图10展示了SAAHP系统在秋季典型代表日运行过程中的日平均COP、日平均㶲效率和单位产品㶲成本随太阳能蓄热量的启动利用时间的变化规律。典型日的气候参数为：日平均环境温度为9.8℃，最低环境温度为2.3℃，最高环境温度为20.0℃，太阳能辐照强度最大为641.7W/m2。随着的变化，T-SAAHP系统的日平均COP和日平均㶲效率变化趋势相同，均呈现先增大后减小的趋势。从早上6：00开始启用太阳能蓄热量时，系统的日平均COP和日平均㶲效率分别为3.39和27.14%。从图上可知，在为16：00时，系统的日平均COP和日平均㶲效率均达到极大值，分别为3.63和29.89%。与为6：00的系统性能相比，系统日平均COP提升了7.08%，日平均㶲效率提升了10.13%，因此SAAHP系统在秋季运行时，16：00为最佳的太阳能蓄热量的启动利用时间。此时对应的单位产品㶲成本也达到了极小值，即为3.11元/kW。4.3

系统运行策略分析图11展示了S-SAAHP系统、T-SAAHP系统、AHP系统和GFB系统的COP、全年耗电量和单位产品㶲成本的变化规律。由图可知，三种系统相比，系统性能系数COPT-SAAHP>COPS-SAAHP>COPAHP，单位产品㶲成本CT-SAAHP<CS-SAAHP<CAHP，全年耗电量WT-SAAHP<WS-SAAHP<WAHP。与AHP系统相比，T-SAAHP系统的性能系数COP提升了33.82%；单位产品㶲成本降低了21.55%；全年耗电量降低了27%，节约用电达到23581.25kW·h，因此，T-SAAHP系统具有较好的热力性能。技术方案的优劣，不仅与热力学特性有关，还与经济因素有关，因为任何的实际生产过程都与经济效益紧密相连的。一味的追求热力性能，而忽略经济因素，就会造成初投资高、运维费用大，造成“得不偿失”的局面。因此，在热力性能的基础上，图12展示了不同供热方案的初投资与费用年值对比情况。四种加热方案的初投资相比：T-SAAHP=S-SAAHP>AHP>GFB；与采用GFB进行供热相比，T-SAAHP系统的费用年值最低，为5.89万元。由于SAAHP比AHP增添了太阳能集热系统，初投资高出5.5万元，由图可知，费用年值S-SAAHP>AHP>T-SAAHP。与GFB的方案相比，投资回收期如图13所示，与费用年值呈现了相同的趋势，S-SAAHP>AHP>T-SAAHP。因此，对于配置相同的SAAHP系统采用合适的运行策略，才具有较好的经济性。图14展示了各系统在全生命周期内，在定热负荷下，AHP系统和SAAHP系统逐年的生命周期费用与运维费用的结果。由图知，第0年的生命周期费用即为AHP系统和SAAHP系统的初投资费用，由于初投资的影响，在第7年之前，S-SAAHP系统的生命周期费用高于AHP系统，但T-SAAHP系统的生命周期费用在第3年开始，就低于AHP系统。与AHP系统相比，T-SAAHP系统的投资回收期更短。在15年的运行过程中，AHP的生命周期费用最大，为102.03万元，S-SAAHP系统的生命周期费用较低，为96.35万元，T-SAAHP系统的生命周期费用最低，为82.03万元。对比三种供热方案，逐年的运维费用为T-SAAHP<S-SAAHP<AHP。可见，采用T-SAAHP系统供热可有效的降低全生命周期费用。5

结论针对SAAHP系统在全年运行过程中的热经济性进行分析与讨论。其主要结论为：（1）建立了跨临界CO2热泵系统理论模型，预测值与实测值相差最大4%，所建立的模型具有较好的适用性，在此基础上，建立了系统的㶲经济性模型；并获得了空气源和水源跨临界CO2热泵系统的运行边界。（2）通过全年经济性分析，在定热负荷（26.46kW）下，进出水温度为30℃/65℃的工况下，获得最佳的集热面积为60m2和蓄热水箱容积为5m3。（3）恒定热负荷下，通过典型代表日蓄热热量的不同时间段的利用，揭示了太阳能辅助热泵系统的高效运行的调控方法。（4）针对SAAHP系统进行了全年经济性和环保特性的分析，结果表明，T-SAAHP系统的热力性能和经济性能均最优，且全生命周期的生命周期费用最低。参考文献[1]Buker,MahmutSami,Riffat,SaffaB..Solarassistedheatpumpsystemsforlowtemperaturewaterheatingapplications:Asystematicreview[J].RenewableandSustainableEnergyReviews,2015,55:399-413.[2]SezenKutbay,TuncerAzimDogus,AkyuzAliOzhan,etal.Effectsofambientconditionsonsolarassistedheatpumpsystems:Areview[J].ScienceofTheTotalEnvironment,2021:146362.[3]WangXinru,XiaLiang,Bales,Chris,etal.Asystematicreviewofrecentairsourceheatpump(ASHP)systemsassistedbysolarthermal,photovoltaicandphotovoltaic/thermalsources[J].RenewableEnergy,2021,146:2472-2487.[4]Bakirci,Kadir,Yuksel,Bedri.Experimentalthermalperformanceofasolarsourceheat-pumpsystemforresidentialheatingincoldclimateregion[J].AppliedThermalEngineering,2011,31:1508-1518.[5]FanYi,ZhaoXudong,HanZhonghe,etal.ScientificandTechnologicalProgressandFuturePerspectivesoftheSolarAssistedHeatPump(SAHP)System[J].Energy,2021.229:120719.[6]祝银海,李聪慧,姜培学.跨临界CO2热泵高温热水器性能实验研究[J].工程热物理学报,2018,39(10):2113-2117.[7]GulloParide,HafnerArmin,Banasiak,Krzysztof.ThermodynamicPerformanceInvestigationofCommercialR744BoosterRefrigerationPlantsBasedonAdvancedExergyAnalysis[J].Energies,2019,12:1-24..[8]SarkarJahar,BhattacharyyaSouvik,RamgopalMudali.PerformanceofaTranscriticalCO2HeatPumpforSimultaneousWaterCoolingandHeating[J].AshraeTransactions,2010,116(1):534-541.[9]LiHong,YangHongxing.StudyonperformanceofsolarassistedairsourceheatpumpsystemsforhotwaterproductioninHongKong[J].AppliedEnergy,2010,87(9):2818-2825.[10]ChenJiafang,DaiYanjun,WangRuZhu.ExperimentalandtheoreticalstudyonasolarassistedCO2heatpumpforspaceheating[J].RenewableEnergy,2016,89:295-304.[11]Duarte,WillianM.,Rabelo,SabrinaN.,Paulino,TiagoF.,etal.ExperimentalperformanceanalysisofaCO2direct-expansionsolarassistedheatpumpwaterheater[J].InternationalJournalofRefrigeration,2021,125:52-63..[12]MartinsRocha,dePaula,CleisonHenrique,TorresMaia,AntonioAugustoetal.ExperimentalassessmentofaCO2direct-expansionsolar-assistedheatpumpoperatingwithcapillarytubesandair-solarheatsource[J].SolarEnergy,2021,218:413-424.[13]SabrinaNogueiraRabelo,TiagodeFreitasPaulino,WillianMoreiraDuarte,etal.ExperimentalAnalysisoftheInfluenceofWaterMassFlowRateonthePerformanceofaCO2Direct-ExpansionSolarAssistedHeatPump[J].2018,12:327-335.[14]CaiJingyong,Li,Zhouhang,JiJie,etal.Performanceanalysisofanovelairsourcehybridsolarassistedheatpump[J].RenewableEnergy,2019,139:1133-1145.[15]LiangCaihua,Zhang,Xiaosong,Li,Xiuwei,etal.Energy,economicandenvironmentalassessmentoftranscriticalcarbondioxideheatpumpwaterheaterinatypicalChinesecityconsideringthedefrosting[J].EnergyConversionandManagement,2021,43(9):2188-2196.

公路太阳能发电的环境影响综述及发展对策0引言太阳能作为一种重要的可再生能源，取之不尽，用之不竭。充分利用公路路域土地开发太阳能资源，对平衡公路行业能源需求、实现“碳中和”目标意义重大。近年来，太阳能光伏发电的装机容量呈指数级增长，公路行业也充分认识到太阳能资源的开发价值，在行业及各地区建设实践中给予高度重视并已取得了一定的发展成效[1]。公路光伏在我国受到关注较早，最早报道见于1993年，《太阳能》杂志上介绍了瑞士利用高速公路与铁路的声屏障架设光伏板，建成100kW的联网光伏发电系统案例[2]。直至2003年，随着我国高速公路建设规模的扩大，公路沿线较为分散的应急救援电话的供电问题提上议程，开启了国内公路光伏供电的应用[3]。随着高速公路建设的快速发展，光伏发电逐渐应用于公路监控系统[4]、照明系统[5]、收费站供电[6]、路侧绿化带灌溉[7]等；安装场地涵盖了公路服务区[8]、收费站建筑屋顶[6]、停车场车棚[9]、路面[10]、声屏障[11]、公路边坡[12]

等。公路光伏发电多属于分布式发电，发电设施直接布置在配电网或分布在负荷附近，具有经济、高效、可靠的特点[13-14]。在国家对分布式光伏发电上网激励机制下[15]，分布式光伏发电近年来得到较大发展，成为交通行业实现“双碳”目标的重要技术手段。随着光伏设施并网建设成为趋势，交通与能源得到深度融合发展，一些公路运营机构将分散的建设项目整合，实现光伏发电项目的专业化、规模化发展。如2019年，湖北省101个高速公路沿线分布式光伏发电站建成并网运营，涵盖了沿线50个收费所、32对服务区屋顶和19座隧道[16]，山东省、甘肃省也有类似举措。2022年，《国务院关于印发“十四五”现代综合交通运输体系发展规划的通知》提出“鼓励在交通枢纽场站以及公路、铁路等沿线合理布局光伏发电及储能设施”，促进了公路光伏发电的发展。山东、甘肃等多地提出交通能源融合发展规划，山东省还率先印发了地方标准《高速公路边坡光伏发电工程技术规范》（DB37/T4516—2022）。当前山东、河北、山西三省在建总装机容量已超400MW。这些地区除了利用公路服务区、收费站等建筑屋顶、停车棚、空闲场地外，还大量利用公路边坡及路侧空地布设光伏，以将多个建设项目协同起来建设的中型（1~30MWp）与小型（<1MWp）分布式光伏系统为主，多为自发自用和余电上网类型。在公路光伏发展早期，以自发自用储能式发电方式为主，随着交通与能源的融合发展，逐渐采用光伏发电、钒液流电池储能、公共电网相结合的光储网一体化规划的建设模式[9]，发展至今则包括风光互补[17]、风光地热互补等多源融合的网-荷-储[18]分布式光伏系统模式；装机容量从小型离网式向大中型并网式高效调能系统转变；发电场地从设施点位、场站，扩展到涵盖公路路面、边坡、中央分隔带、路侧空地等全路域。一些地区的公路光伏发展规划从路内拓展到路外，高效地利用公路沿线一些荒地资源，扩大公路光伏发电供能的服务范围，并从满足单一功能向综合供电功能（如服务区污水处理、照明、餐饮热水、汽车充电等）方向转变。我国公路光伏发电早期研究主要聚焦于应用层面，如针对具体应用形式、应用场景，研究匹配的光伏发电方案，评估发电效果及与设施功能的匹配性，提出单独太阳能光伏或风光互补型供电方案，如计算太阳能光伏电池阵列的发电量、蓄电池容量、风力发电量及监控设备用电量的匹配性，并优化相关配置方案[19]等。关于公路与光伏设施的协同发展仅有少量研究，如李根森等结合山地并网光伏电站地形、方阵布置、逆变器和箱变设置位置、集电线路走向等诸多因素，综合考虑道路选线、纵断面及横断面设计参数的选取等，提出山地并网光伏电站道路设计要点[20]；邢晓光等提出同步布设边坡防护和截排水措施，在光伏板下缘布设碎石以减弱雨水的冲刷，恢复植被及控制乔灌木等策略[21]；还有学者针对光伏工程的施工扰动影响评价、基础桩基形式（螺旋钢桩、混凝土灌注桩、钢筋混凝土桩）与水土流失影响特征、植被措施的水土保持性能等开展研究[22⇓-24]。总的来看，当前国内外对公路行业光伏建设的研究尚处于起步阶段。光伏发电作为具有潜在环境收益的能源生产方式，其应用的光伏组件本身也是一种高污染的产品，开展相关环境影响与效益的研究对交通能源融合发展有着重要意义。国内外围绕大规模光伏电站建设、运营、停用等全过程对自然环境、土地使用、常规和意外污染物的释放、视觉、自然资源消耗、空气污染、光和噪声干扰、废弃物管理、生物多样性、水资源利用与污染、城市“热岛”效应、气候变暖等方面的影响开展了大量基础研究[25⇓-27]。随着交通与能源的深度融合发展，公路行业需要充分认识大规模光伏布设的潜在环境影响，提升对其环境风险与收益的认识广度与深度，增强对光伏发电技术跨行业交叉特征、技术发展挑战、环境影响特征及法律要求等的全面审视，以便在光伏设施建设早期明确发展方向，指导行业交通与能源融合实践。为此，本文重点对公路光伏潜在的环境、生态与气候影响进行综述，并对其在公路行业大规模应用的环境保护路线与对策等进行展望，以期为交通与新能源融合发展提供参考。1公路太阳能发电技术应用的减排效益公路太阳能发电利用路域土地，安装太阳能设施，开发太阳能资源，为公路设施及车辆营运等提供能源。光伏发电利用的太阳能是一种可再生能源，可替代化石能源消耗而产生效益。太阳能设施组件的生产、安装及运营过程会消耗能源。此外，设施与公路系统对周边生态环境、气候也会带来叠加影响。国内外针对太阳能电站建设（含组件产品的生产）的全过程环境影响及对设施场站的生态环境、气候影响方面开展了大量研究。太阳能发电技术通常分为两大类，即光伏（Photovoltaics,PV）系统和聚光太阳能发电（ConcentratingSolarPower,CSP）系统，其中：光伏系统使用电池将阳光转化为电流；聚光太阳能发电系统使用反射表面将阳光集中到接收器上加热，驱动蒸汽涡轮机发电[26]，实践中光伏电池发电应用较多。光伏电池中，晶体硅光伏电池和薄膜光伏电池因光电转换效率、技术成熟度、环保性与经济性能等的差异而存在应用程度的不同，且技术转换快[28]。2013年，晶体硅光伏电池的市场占比约为91%，且以多晶硅光伏电池为主，占比达55%[29]；到2021年，单晶硅光伏电池技术逐渐取代了多晶硅光伏电池技术[28]；薄膜光伏组件质量较轻，在光伏建筑一体化中应用较多。晶体硅电池封装后的典型结构类似三明治，自上而下包括封装玻璃盖板、EVA（乙烯与醋酸乙烯酯的共聚物）、电池片、EVA和TPT（聚氟乙烯复合膜）背板[30]。光伏产品生产过程中会产生多种重金属污染，如镍、汞、砷、镉、铬等，不同产品的污染性有所差异[27]。光伏发电作为燃煤发电的替代方式之一，其产品与原料生产、使用到退役过程的资源消耗、污染物及温室气体碳排放等环境影响问题较受关注，在国内外已得到大量研究，为公路光伏发电的设备选型与环境效益评价提供了基础。国际标准化组织发布的生命周期评估方法（LifeCycleAssessment,LCA）标准（ISO14040~14044）是光伏组件生产、使用和退役方案环境分析的基础方法，其规定了评价步骤及相关数据采集要求[31]。生命周期评价需要评估功能单元的资源消耗、废物及废气排放等指标，其中常需要做一些假设。在比较LCA研究时，为确保公平与可比性，对所有假设均须进行详细分析，否则同一产品或处理过程的评估结果可能完全不同。为此，需制订评价指南以确保同样的方法与产品有相似的比较假设。国际能源署（TheInternationalEnergyAgency,IEA）光伏发电系统项目组（IEAPhotovoltaicPowerSystemsProgramme,IEA-PVPS）2011年制订了专门针对光伏设施的评价指南，结合光伏产品的温室气体排放强度、能量偿还期、受地区影响的太阳辐射能量条件、电池类型（晶体硅或薄膜）、光电效率、能耗回收比、电池和系统平衡模块（BOS）的衰减率、预期寿命、生产用能、系统类型（固定倾斜或跟踪器）、安装地点（如屋顶、地面等）、性能比等展开评估[32]。IEA-PVPS2020年已发布了最新的“光伏发电生命周期评价方法指南”报告第4版[33]。该指南不涵盖临时电力存储与混合光伏的应用，这意味着针对应用于公路行业的非联网的自发自用和储能调配，以及为满足地方系统用电需求的风-光-热等综合供能系统，还需要制订适合本行业光伏建设特点的LCA评价方法与指南。Bhandari[29]等对2000—2013年间的相关研究进行了系统综述与分析，采用协调法计算了晶体硅和薄膜光伏技术的嵌入能量、能量偿还期（EnergyPaybackTime,EPBT）及能耗回收比（EnergyReturnonInvestment,EROI）等指标，其设定的基准参数如下：性能比（0.75）、系统寿命（30年）、日照量（1700kW·h·m-2·yr-1）、模块效率（单晶硅电池13.0%，多晶硅电池12.3%，碲化镉10.9%，非晶硅6.3%，铜铟镓硒化物11.5%），分析结果整理见表1。表1各类光伏电池的主要性能参数研究结果整理表[29]电池产品类型模块

效率（%）内耗能(模块

Module+系统平衡BOS）/（MJ·m2）能源偿还

期EPBT

/年能耗回收比EROI

产能/耗能单晶硅电池mono-Si13.06225±28834.1±2.08.7±3.5多晶硅电池multi-Si12.33914±22123.1±1.311.6±5.2碲化镉dTe10.91575±5921.0±0.434.2±13.5非晶硅a-Si6.31708±8452.3±0.714.5±5.1铜铟镓硒化物(CIGS)11.52276±10881.7±0.719.9±8.2注：1.“±”符号前面数字为平均值，后面数字为标准差；2.针对电池内耗能相同而应用场景不同的研究文献，以整体研究（而非场景）为基准计算能源偿还期；排除了电池内耗能不同的应用场景的研究文献。从表1可知，各种电池内耗能、能源偿还期、能耗回收比差异较大，各指标的最大值是最小值的4倍左右，公路行业发展光伏如何权衡相关性能指标尚需要综合性研究。针对光伏与其他发电技术碳足迹排放的差异，目前已取得一些研究成果。Tawalbeh等研究发现，光伏系统碳足迹排放量为14~73gCO2

eq/（kW·h），仅为化石燃料能源的燃油排放量（742gCO2

eq/（kW·h））的1.9%~9.8%[27]；Li等研究发现光伏发电的温室气体排放强度（16.0~40.0gCO2

eq/（kW·h））与风力（16.4~28.2gCO2

eq/（kW·h））相当，略高于核电（10.9~13.9gCO2

eq/（kW·h））和水电（3.1~3.9gCO2

eq/（kW·h）），但显著低于火力发电（810~820gCO2

/（kW·h））和生物质发电（约200gCO2

eq/（kW·h））[34]；谢泽琼等研究发现10MW光伏并网电排放为98.4gCO2eq/（kW·h），相对燃煤发电仍可减少约90.3%的CO2排放量[35]；Kabakian等研究发现即使采用带锂电池或铅酸电池储能的光伏技术系统，也较现有化石燃料发电环境影响更小[36]。光伏设施会占用土地，在高速公路边坡发展光伏的土地利用效益巨大[12]，Vasilis等提出用土地能效指标（W/m2）衡量单位土地面积的发电效率[37]。Tawalbeh等对各种类型太阳能发电的土地需求进行了整理，结果见表2[27]。表2不同规模（装机容量）太阳能发电技术的土地需求[27]技术类型占地

/（亩/MW）技术类型占地

/（亩/MW）PV<10kW19.4大型PV（>20MW）48.0PV10100kW33.4固定式35.2PV1001,000kW33.41-轴54.6PV110MW37.02-轴平面CPV37.0小型PV

（>1MW，<20MW）35.8小型与大型PV

安装13.4~74.1固定式33.4小型与大型CSP

安装12.1~84.41-轴38.2光伏板平行安装37.02-轴平板57.1光伏园49.22-轴聚光光伏CPV）41.9注：1.PV（Photovoltaic）为光伏；2.CPV（ConcentratorPhotovoltaic）为聚光光伏；3.CSP（ConcentratedSolarPower）为聚光太阳能发电。从表2可以看出，不同技术类型（装机容量）的太阳能发电对土地占用的需求不同，由于公路行业普遍采用的是分布式光伏发电，这种发电模式下对路域土地的开发效率关系到土地能效指标，但迄今仍缺乏相关研究。总的来看，公路太阳能发电的项目地点（纬度与太阳高度角）、场所（屋顶或地面）、受公路走向与坡向共同制约的光伏组件朝向、与公路能源调配成效紧密相关的发电利用效率、与路域天气及污染状况等相关的性能比、联网或并网方式、安装容量等均直接影响该技术应用的能源偿还期、能耗回收比、土地能效指标等关键指标及其产能效益。光伏技术较燃油、燃煤等发电技术可大幅减少温室气体排放，通过进一步优化设计、发展新型材料、减少有害物质、循环利用、精心选址可大幅降低其对环境的负面影响[27]。但当前在公路光伏发电生命周期评价方面仍缺少相关研究与指南。山东省地方标准《高速公路边坡光伏发电工程技术规范》（DB37/T4516—2022）建议在东西走向的南向路基边坡上布设光伏设施，从场地发电效益最大化角度提出的这一布设原则，会使可供布设的公路及场地大幅减少。如何实现路域场地太阳能资源的高效开发，提高单位土地能效指标，仍需进一步研究。此外，光伏组件采用太阳跟踪技术与否对节能减排效益影响甚大，但太阳跟踪技术是否适用于公路行业缺乏公开的文献报道。2公路太阳能发电设施建设对生态环境的影响2.1设施布设对周边生态系统，尤其对野生动物产生影响早在20世纪80年代，国外就已开始关注太阳能设施对野生动物的影响，最早的研究是针对鸟类的影响与保护[38]，但迄今对其如何影响仍缺乏研究，Chock等提出应优先专注于对动物行为的影响研究，即在记录致死率或其他健康后果之前先识别动物种群的反应，通过动物行为研究可以了解太阳能设施导致的负面反馈（例如碰撞、烧焦、回避）机制，为提出缓解措施提供依据[26]。这一观点为更好地了解太阳能设施对野生动物的影响、解决关键问题提供了思路。许多动物依赖光的独特特征——偏振方向获取信息，光伏设施可以反射水平偏振光，产生偏振光污染（PolarizedLightPollution,PLP），可使光伏组件呈现出水体特性而对水中产卵的昆虫产生吸引，进而成为昆虫的生态陷阱，导致其繁衍失败或直接死亡，使种群迅速减少或崩溃；这种特性常会吸引蜉蝣（蜉蝣目）、石蝇（毛翅目）、长足虻及虻（双翅目）等昆虫，致使这些昆虫在繁殖前死亡或在不合适的位置产卵，从而对种群造成极大危害[39]。PLP对偏振光敏感类群诱发的不良适应行为，可改变生态的相互作用关系，PLP导致的死亡率可能威胁到一些濒危水生昆虫种群，并进一步对以这些昆虫为食的食肉动物（如蜘蛛、鸟类、蝙蝠）等产生影响[40]。Grodsky等采用蓝翼诱捕器捕获研究了不同太阳能发电建设方案（包括植被清表与修剪两种场地准备措施、一种场地植被斑块恢复措施）对非蜂虫传粉者的影响，发现太阳能开发对包括甲虫、苍蝇、蛾和黄蜂等在内的非蜂虫类传粉者可产生负面干扰作用，在太阳能发电场内建立小栖息地斑块在很大程度上不支持非蜂虫花传粉者，沙漠中太阳能开发对非蜂虫传粉者的影响可能会对生物多样性产生连锁效应，造成依赖昆虫传粉的全球濒危和高价值仙人掌种群的潜在减少[41]。Conkling等优选了在美国加利福尼亚州风能和太阳能设施中死亡的23种鸟类，评估了其种群脆弱性，结果表明这些物种中有48%在种群数量水平上容易受太阳能设施影响；可再生能源的影响范围远超出能源生产地，甚至影响了大陆迁徙网络中遥远地方的鸟类种群[42]。为了解决太阳能设施建设与野生动物的冲突，美国各级自然资源管理部门建议在光伏建设前开展野生动物影响风险评估，尤其关注其对鸟类、蝙蝠等的影响，要求施工前和施工后进行野生动物调查，并提出避免或减缓影响的措施或指南[43]。美国地质调查局的缺口分析（GapAnalysis）项目开发了全国脊椎动物潜在栖息地的空间模型，制定了设施选址决策指导意见，丰富了相关指南[44]。2.2设施建设会造成土壤扰动，影响生态系统的服务功能光伏电站施工涉及道路修筑、光伏板区场地平整、光伏板支架基础施工、逆变器室建造、电缆沟基础开挖、土方回填、设备安装等，不可避免会占用土地、改变地表植被状况，导致水土流失。公路路域光伏组件布设通常有两种方案：一是光伏设施与公路建设同步；二是在已运营公路沿线边坡安装光伏设施。光伏设施与公路同步建设时，其会对局域生态系统服务功能产生影响，而影响性质与原占用土地的类型有关。Walston等研究发现，占用农业用地建设光伏使土地类型转化为草地，使栖息地传粉者供应增加了3倍，碳汇潜力增加了65%，泥沙和水分滞留率分别增加了95%和19%[45]。Hernandez等研究表明沙漠区太阳能光伏板的遮阴性能显著提升土壤中植物种子库的丰富度[46]。在既有坡面安装光伏设施可能对原地表植被生长、水土流失等产生一定影响。有研究表明，光伏面板作为集流面可收集雨水及面板的清洗污水，增加光伏面板间扰动土地的土壤含水率；光伏板的遮阴可降低地表蒸发，有利于植被恢复[47]。光伏发电站可改善高寒荒漠草原植物生长所需的环境因子，增加土壤水分，起到保育脆弱生态系统和防风固沙的作用，促使荒漠草原朝着正向演替发展，光伏电站的围封和光伏电厂建设区植被群落的植物种数﹑盖度、地上生物量﹑丰富度指数、土壤含水量、有机质和全氮逐渐升高[48]。还有学者开展了有效利用光伏板收集雨水资源进行农业灌溉的研究，分析了区域降雨强度与集雨效率的关系[49]。关于光伏板布设对风力侵蚀方面的研究较少，陈曦等研究表明，光伏阵列中输沙速率低于开阔场地，输沙率随高度的增加而减小，在光伏板底部会形成气流加速区，加重底部风蚀；光伏板向风边缘区是光伏电站防止风蚀的关键部位；当阵列行距为20cm时阵列输沙率最高[50-51]。光伏板大小、阵列形式等对公路坡面降水径流、水土流失及植物生长等有正面或负面影响，其影响程度与区域气象条件、坡面稳定性、土壤可蚀性及植被特征等因素有关，但这方面尚缺少研究。此外，公路边坡稳定性通常没有考虑光伏板的重力荷载及受风力作用的荷载影响，二者在协同优化设计方面尚需适用指南与方法。2.3路域大量布设光伏设施影响地表反照率与光环境，对环境产生光污染与视觉影响光伏电池封装的玻璃盖板等可反射部分阳光，产生亮光与眩光，大型光伏装置的亮光/眩光可能产生严重后果，如可能对车辆驾驶人、空中交通管制员和在附近飞行的飞行员造成危害，导致其不适甚至失能[52]。国外重点关注了光伏布设对飞行员和空中交通管制人员的潜在危害，如美国联盟航空局报道每年有10多起空中事故与眩光影响有关[53]。当前，国外已针对光伏组件反射的亮光/眩光的危害开展研究评估，开发了相关分析模型与软件，可用于评估和缓解机场太阳能发电的眩光对鸟类的潜在危害[54]。此外，还有国外学者选择了不同商家的光伏组件产品，涵盖光滑到粗糙的表面纹理，测定了其反射率、表面粗糙度和反射太阳光束扩展性等，并分析各指标对光伏组件盖板的透射率、眩光及对眼睛的影响，从而指导光伏表面纹理的设计，提高透射率，并将亮光/眩光降至最低[52]。我国相关研究较少，仅有部分学者针对高架车站与光伏发电结合的光污染治理提出思路[55]，也有研究人员结合市场上光伏板的减反射特性、反射率，对建筑光伏一体化应用对城市的光污染进行分析[56]，如宫盛男等通过Ecotect软件进行道路采光对比模拟实验，研究了城市道路上方架设光伏设备对道路光环境的影响，探讨了不同支架高度下覆光伏板的最佳铺设形式[57-58]。但这种在道路上方布设光伏板的形式很少见，应用范围也较少。光伏发电对视觉的影响评价在国外取得了一些研究进展，主要针对光伏一体化建筑（BuildingIntegratedPhotovoltaics,BIPV），研究玻璃颜色对视觉美学与舒适度的影响并开发一些影响评价的方法[59-60]。这些影响对公路服务区建筑设计具有一定参考意义。澳大利亚毗邻高等级公路的太阳能发电站建设案例研究，表明光伏发电站的施工和运营对主干道上的交通流量没有产生重大或可测量的影响，但建设方为了减少光伏发电站对道路交通及周边居民的光污染影响，主动采取了多项措施，包括将视觉影响确定为高风险，并从多个视角点进行视觉影响评价，通过在光伏发电站旁侧种植树木以屏蔽视觉影响[61]。公路光伏设施对光环境影响的研究尚未见报道，由于公路服务区场地大小有限，且主要以慢速交通为主，故光环境的负面影响较为可控；在野外布设时，结合既有研究可知，沿公路路域的光污染主要涉及对驾乘人员视觉舒适度及对所经区域的敏感居民区影响，国外在光伏对民航飞机的影响评价及减缓措施方面有一些研究成果，可为公路路域布设光伏提供参考。此外，对于光伏产品反射率，尚无规范明确要求进行标识，只有少数生产商在产品说明上提供相关指标说明，这不利于公路行业科学选择相关产品类型。3公路路域太阳能发电对场地微气候的影响光伏电站改变了传入能量反射回大气或吸收、存储和再辐射的方式，从而对局地气温、相对湿度、土壤温度、风场、蒸发量等产生一定影响[62]。光伏板遮阴效应在地表形成暗区，同时光伏板吸收辐照，影响地表对能量吸收、存储以及长短波辐射的释放，进而改变地表辐射平衡与区域气候[63]。在荒漠区布设光伏系统的野外，研究显示光伏电站内气温较站外高，如美国的莫哈维沙漠1TW的光伏电站使气温上升0.4℃[64]；对自然沙漠生态系统的研究显示，夜间有光伏电站的地表温度比荒地温度要高3~4 ℃[62]。我国荒漠区光伏电站内外2m气温冬季白天基本相同，春、夏、秋三季白天站内明显高于站外，四季夜晚站内2m气温值均高于站外，10m气温四季白天站内均低于站外，10m高度夜晚站内空气相对湿度大于站外[65]。光伏板遮阴有利于降低下垫面（土壤、空气）温度并增加湿度，如依托格尔木大型光伏电站内外观测资料的研究结果表明，野外布设的光伏电站内下垫面温度明显低于站外[63]；共和盆地荒漠区光伏电站内10cm,20cm,40cm的平均土壤温度分别较站外降低17.2%,16.75%和16.09%，10cm处的平均土壤湿度增加了71.61%[66]。针对太阳能光伏路面的研究表明，光伏路面的温度比土壤及沥青等其他材料路面要低[67]。光伏设施可减少太阳辐射，影响地表温度与土壤水分。针对我国西北地区光伏应用，Wu将能量平衡和水循环过程相结合，定量分析光伏板对其附近不同位置（区域）土壤小气候、水分状况的生态水文效应，对随机生成的100年气候时间序列进行模拟综合建模，研究结果表明，与对照区相比，光伏板中部和前部区域土壤含水量增加了59.8%~113.6%，土壤温度降低了1.47~1.66℃，有效含水量是对照区的5~7倍，有效辐射量减少了约27%[68]。沙漠上的大规模光伏太阳能发电场还可增加区域降雨量和植被覆盖率，但更广度上的生态环境却出现了退化[69]。综合来说，关于光伏电站对于不同尺度区域环境的影响并没有定论，其主要机理是光伏组件的遮挡作用和对于太阳辐射的吸收转换导致地表太阳辐射减弱，进而作用于周围环境，引起生态环境气候变化，物理机制较为复杂[70]；光伏电站对碳排放与地表能量收支平衡有一定的影响，对相关地区地表辐射水平、温度具有调节作用，对荒漠地区的生态环境具有潜在的正面促进作用[71]。光伏板遮蔽下土壤或建筑物温度总体降低，土壤湿度增大，太阳电池板发热会使临近光伏板空气温度升高，光伏地表能量收支差异使气温随着高度增加呈下降趋势[62,65]。在高速公路服务区等建筑物较多的区域，通常充分利用建筑物（服务区房屋、停车棚等）屋顶布设光伏系统。研究发现，光伏板降低了屋顶温度与室内降温能耗，如在装有光伏组件的黑色、白色及有植被的屋顶上较未安装光伏组件的屋顶日最高气温可分别减少16.2℃,4.8℃及8.5℃[72]；夏季具有屋顶光伏组件的建筑物最多可以节约空调能源需求8%~12%，从而减少城市“热岛”效应[73]。依托相关模型的推演结果也显示，当城市屋顶大规模布设光伏时，其降温效应明显；光伏系统对环境降温效果受光伏效率与布置位置的综合影响，在凉爽的城市（大量使用高反射屋顶和人行道的城市地区）和城市太阳能光伏阵列高密度部署的假设情景下，才可能会发生一些增温效应[74]。此外，光伏板布设还会对地表风场产生影响，但这方面的研究极少。杨若婷等研究了青海共和盆地固定支架式光伏阵列对阵内风场的影响，结果表明光伏阵列具有导向作用，光伏阵列整体对风速具有减弱作用，且减速率随高度呈指数递增关系，但20cm高度风速减弱作用具有很大的不确定性，甚至出现增强风速的作用[75]。总的来看，当前光伏对气候影响方面的研究主要聚焦于能源及建筑领域，能源行业主要关注风对光伏面板的除尘效应，及对光伏阵内地表起尘的影响；公路行业更关注光伏组件安装的稳定性，避免对行车安全造成影响。光伏板对能量的吸收与反射，对建筑物或地表产生的降温效应，可为公路服务区等建筑降温、降碳设计提供借鉴，还可对多年冻土等特殊生境保护提供可行手段。同时，在公路边坡布设光伏设施时，光伏板风荷载的加强会传导并影响边坡的稳定性，这方面研究尚待加强。4发展公路太阳能发电的环境保护路线与对策4.1环境保护路线针对光伏发电的影响及其在公路行业利用中存在的问题与机遇，提出技术发展与环境协同优化路线，见图1。公路路域光伏布设主要影响气象条件、路域社会环境及自然环境等方面，公路光伏布设方案、产品组件类型选择与光伏阵列等应以实现降低生命周期成本、能耗强度、碳排放强度为目标。同时，针对光伏组件对光反射的影响，包括光污染对野生动物和居民区等光敏感目标的影响，可通过方案优化减缓；针对光伏设施对降水资源、微气候环境的影响，可从坡面防排水、防护工程、植物群落、“热岛”效应（含冻土保护）等方面缓解，实现公路工程与光伏设施的协同优化。图1路域太阳能发电站建设环境保护路线图\t"/CN/10.16503/_blank"Fullsize|PPTslide4.2环境管理与技术对策4.2.1加强不同太阳能设施产品类型与建设方案生命周期评价比选，并强化其对道路使用者、路侧居民区或其他敏感建筑光污染评估与防眩设计首先，公路太阳能设施布设有行业自身的特殊性，公路系统内太阳能设施布设场地、位置以及地区经纬度、坡向不同，太阳能资源等也有较大差异，设施发电效率、土地利用效率、公路系统内部耗能特征及系统内外电力调配机制和方案等均会影响公路太阳能发电效益；不同太阳能技术与建设方案的生命周期成本与收益也有较大差异，亟需开展相关评估与缓解效应研究。其次，不同于独立建设的公路与光伏电站工程，公路光伏电站建设涉及驾乘舒适性，甚至生命安全。我国能源行业规范《光伏发电站环境影响评价技术规范》（NB/T32001—2012）要求在光伏发电站环境评价中纳入光污染评价，却对如何评估光污染并没有规范的方法。光污染防治标准尚未正式立法，但国内外已有一些研究实践可供借鉴，且公路行业对开展光环境影响评估更迫切，需要强化研究，探索相关方法的适用性，为理顺发展机制奠定基础。再次，太阳能发电产品类型多，不同类型的产品对公路的适用性有差异，需要制订相关适用指南。有学者通过对跟踪式与固定式太阳能发电系统进行研究，建议公路行业以跟踪式为主开展技术的推广应用[76]，但却未见相关应用研究与实施效果的报道或评价。最后，从国外路域太阳能设施发展来看，仅有个别光伏电站案例在路侧实施，且开展了大量的调查评价与视觉遮挡处理，反映出其对毗邻公路区域布设光伏电站极为慎重。交通行业装机容量大，总体环境影响与环境效益不容忽视，需强化其对道路使用者、路侧居民区或其他敏感建筑的光污染评估，同时结合公路所经区域的光环境敏感度，综合考虑光伏板阵列、倾角与行车视线、太阳入射角度变化之间的关系，提高防眩设计能力，以缓解大规模布设光伏设施的光环境污染。4.2.2防止大规模太阳能设施建设对周边保护区敏感鸟类与昆虫的光学诱导吸引致死，强化产品类型准入门槛光伏组件对光环境、偏振光污染影响效应差异大，造成动物致死方面也有差异，公路行业亟需建立产品的准入门槛，并尽量避开相关敏感鸟类分布区。如，聚光型发电站将太阳光反射于空域（“太阳通量”），导致飞入太阳塔周围空域的昆虫与鸟类被烧死[77]；大规模晶体硅光伏板布设在阳光照耀下会产生类似湖面的反射效果，使上空迁徙的水鸟产生误判，进入光伏阵列而致死[26]。在一些鸟类保护区，依赖水面起飞和降落的专水性鸟类占比可达90%以上，在毗邻这些区域的光伏电站可能会因鸟类飞入光伏阵列而大量死亡[45,78]。光伏玻璃与空气之间界面大约4%的太阳光被反射[45,78]；在自然环境中，反射率与太阳光入射角有关，当入射角增加到70°时，光伏玻璃表面的反射率可达27%[79]。光伏电池的减反射性能，尤其是减反射膜的减反增透特性、在复杂气候条件下的稳定性、耐候性、机械强度及多功能特性（如自清洁、防尘抗污和防潮等）等方面一直是材料科学、光学等领域的研究热点[30]。减反射膜是一层折射率介于空气和玻璃板之间的光学薄膜，能减少或消除光学元件表面的反射光，增加透光量[80]。此外，光伏电池表层封装材料的厚度、表面结构、纹理等也会影响其透射率与反射性能[81]。虽然上述研究的目的在于提高太阳能利用效率，但随着减反射性能的提高，也能有效减少光污染。如研究表明，采用能提高太阳能电池板能效的抗反射涂层，可减少其反射的偏振光量及对水生昆虫的吸引力[82]。防眩光涂层玻璃与抗反射涂层玻璃具有相似的透射率特性，但由于漫反射，两者输出功率相似时，防眩光涂层玻璃的反射率高于抗反射涂层玻璃，亮度值却可降低约90%[83]。此外，通过模拟某些具有出色光捕获特性的花卉花瓣表面的分层微/纳米质地，将其应用复制到光伏聚合物覆盖层，较无涂层玻璃覆盖层功率输出可增加5.4%[84]；通过对偏振敏感马蝇（双翅目虻科）和蜉蝣属（蜉蝣目蜉蝣科）的野外实验，进一步证实生物复制的覆盖层对这些物种几乎没有吸引力，可有效减少偏振光污染，从而将对偏振敏感水生昆虫生态和保护的不利影响降至最低[85]。还有研究揭示，具有非极化白框和白栅格的太阳能电池吸引的昆虫数量仅是没有白色边框的光伏板吸引昆虫数量的0.4%~0.9%[39]。总的来说，不同太阳能设施产品反射性能指标差异大、对野生动物的影响方式也不同。一些光伏发电技术并不适于在公路行业推广，一些发电技术则需根据公路的特点及周边生态环境敏感性进行调整，避免成为鸟类等野生动物致死的陷阱。同时，当前不同太阳能技术在公路行业尚存在较大的模糊地带，尤其在生态敏感区域的大规模应用对湿地保护区鸟类、昆虫等存在偏振光或水面误导影响的潜在风险，因此需要开展系统化评价，并建立规范流程，规避或降低生态风险。此外，从笔者开展的市场调查来看，当前只有少数光伏板生产厂家提供了反射率性能指标，大多市售产品的相关性能不详，交通部门可通过规范要求公路行业应用提供相关性能的说明。4.2.3加强太阳能发电与公路行业的深度融合与协同优化，最大程度地发挥太阳能发电供能、降温、减蚀等方面的积极效益太阳能设施组件类型多，电池减反射性能差异大，不同类型产品环境效益、功率温度系数、短路电流、开路电压、单位功率面积、单位功率质量、电池数量、工作温度和寿命、生命周期成本、能源回收期、能耗回收比等均有较大差异[86]。公路行业可充分发挥光伏发电在缓解气候变化、实现交通领域CO2排放控制目标、保护冻土、防护边坡稳定性等方面的积极效应，制订具有区域性、行业性指导意义的建设指南，指导工程实践。光伏组件会改变坡面汇流形态、风力荷载、重力荷载，其影响与公路建设形式（涉路补建或同步建设）、风力或暴雨条件、土质条件等密切相关。不同坡面的稳定性、水土流失特征等差异较大，需要开展相关研究，制订发展对策。太阳能发电本身可以替代化石能源消耗，起到缓解气候变化的作用，加强公路系统能源利用调配对提升发电效益具有重要意义。太阳能发电可为路域沿线设施用电、路域节水灌溉等提供清洁能源，同时可基于光伏板遮阴效应、发电效应，探索其在保护冻土路基稳定方面新的技术路径；光伏板可改变水流流态，对降水资源重新分配，可利用其导排水流的集雨效应，探索有效促进干旱半干旱区植被恢复的新方法。4.2.4化解交叉行业环境影响风险，协同推进环境影响评价管理的科学化、规范化进程太阳能组件对包括野生动植物在内的路域生态系统、水土流失、光环境等均会产生较大影响，这些影响具有行业交叉特性，交通与能源行业的环境影响特征存在一定差异，环境影响评价要求与缓解措施也有所不同。《光伏发电站设计规范》（GB50797－2012）规定电站建设应根据国家和地方环境保护行政主管部门的要求进行环境影响评价，所在地为山区、丘陵等水土易流失区域时，应按国家相关规定编制水土保护方案。协调好交通行业发布的《公路建设项目环境影响评价规范》（JTGB03—2006）、能源行业发布的《光伏发电站环境影响评价技术规范》（NB/T32001—2012）、生态环境部对环境影响评价的要求等，需要进一步理顺相关机制，化解交叉行业的环境影响风险。公路光伏的大规模发展为公路行业实现“双碳”目标带来了机遇。随着各地“自用为主，余电上网”型分布式光伏的分批建成并形成规模，其对区域生态环境、水土流失、电磁辐射与光辐射等的影响，以及对区域环境影响的特征也会随之发生改变。交通部门需加强顶层设计，强化与能源、生态环境部门间的沟通协作，建立公路与光伏协同发展的环境影响评价方法，健全环境影响评价与管理机制，奠定交通与能源深度融合的法制基础；在技术发展对策上，制定具有可持续性的区域性建设发展指南，提高公路光伏能效指标，缓解光伏与环境的潜在冲突；加强对市场上各类产品的技术参数指标等研究，筛选出能切实与交通行业节能减排目标相结合的，满足公路防眩、视觉美学与舒适度、生态环保、发电效率等方面的需求特征，并能充分为未来性能提升预留发展空间的技术指标要求；重点加强交通行业对光伏技术、产品及布设规划方案的引导，发挥光伏发电缓解行业气候变化影响效应，利用光伏发电供能、光伏板遮阴土壤温湿度调节、光伏板导排雨水径流效应等，促进多年冻土路基防护，优化脆弱区边坡水蚀防护，并促进植被恢复等积极效应，保障公路生态环境的服务功能。5结束语公路与能源行业对于环境的影响特征、环境管理方式各有不同，目前研究主要集中在各行业的独立影响层面，公路与太阳能设施的综合环境影响研究还很少。设施的叠加对路域及路外生物多样性带来的影响、适用的产品类型技术及其生命周期成本、技术应用对公路地质/气候/运输安全的影响等方面，均需要开展大量的研究，提出相应的评价方法与技术指南，全方位厘清公路太阳能发电的环境影响，真正实现交通与能源深度融合以及交通可持续发展。参考文献[1]交通运输部公路局.绿色公路建设技术指南[M].北京:人民交通出版社股份有限公司,2020.本文引用[1][2]学庸.高速公路上的光伏系统[J].太阳能,1993(2):21.本文引用[1][3]王强,徐德林.高等级公路应急电话太阳电池光伏电源系统的设计[J].建设科技,2003(5):47-48.本文引用[1][4]刘东洋.太阳能光伏供电在高速公路监控中的应用探析[J].科技创新与应用,2015(25):253.本文引用[1][5]田盟刚.高速公路隧道太阳能供电系统设计与研究[D].西安:长安大学,2012.本文引用[1][6]陈嘉璇,张玉坤,张文,等.高速公路光伏收费站设计——以山西省太原地区高速公路收费站为例[J].建筑节能,2017,45(9):19-24.本文引用[2][7]李建,蓝章礼,王裕先,等.高速公路绿化带光伏智能灌溉系统设计与实现[J].节水灌溉,2014(7):79-82.本文引用[1][8]简丽,杨艳刚,李振洋.分布式太阳能光伏并网发电在高速公路服务区的应用效果研究[J].公路,2017,62(2):210-213.本文引用[1][9]陈春红.高速公路服务区停车场储能式充电站的解决方案[J].公路,2017,62(7):241-243.本文引用[2][10]沈恂达.太阳能(高速)公路综述[J].中国交通信息化,2015(5):125-132.本文引用[1][11]梁森,李烜,常园园,等.可调光伏太阳能声屏障[J].噪声与振动控制,2009,29(3):66-68.本文引用[1][12]杨鹏浩,陈诗璇,肖建伟.高速公路边坡太阳能研究现状及发展展望综述[J].科技与创新,2020(17):19-21.本文引用[2][13]梁有伟,胡志坚,陈允平.分布式发电及其在电力系统中的应用研究综述[J].电网技术,2003(12):71-75.本文引用[1][14]ACKERMANNT,ANDERSSONG,SÖDERL.Distributedgeneration:adefinition[J].ElectricPo-werSystemsResearch,2001,57(3):195-204.本文引用[1][15]苏剑,周莉梅,李蕊.分布式光伏发电并网的成本/效益分析[J].中国电机工程学报,2013,33(34):50-56.本文引用[1][16]湖北省交通投资集团.湖北:百个高速公路沿线光伏发电站并网[EB/OL].(2018-12-04)[2023-04-20]./article/html/energy-2275869.shtml.本文引用[1][17]雷乃金,卢道勇,戴德江,等.风光互补型公路隧道智能照明系统在高速公路隧道上的应用研究[J].湖南交通科技,2018,44(1):157-161.本文引用[1][18]张俊.“源-网-荷-储”智慧能源微电网在高速公路建筑物上的应用研究[J].中国高新科技,