公路太阳能发电的环境影响综述及发展对策.pdf
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1、TRANSPORT RESEARCHVol.9 No.4收稿日期:2023-04-25基金项目:甘肃省交通运输厅科技项目(JT-JJ-2023-008);河南省交通运输厅科技项目(2022-5-2)作者简介:陈学平(1973),男,四川眉山人,博士,研究员,研究方向为公路生态环境保护与修复。E-mail:C公路太阳能发电的环境影响综述及发展对策陈学平,简丽,陶双成,顾晓锋,李滨杉(交通运输部科学研究院,北京 100029)摘要:针对公路太阳能发电带来的环境影响,综述了公路太阳能发电技术应用的减排效益及其对生态、微气候等环境的影响,并重点结合公路行业技术发展问题提出了对策。结果表明,光伏电池的内
2、耗能、能量偿还期、能耗回收比等指标值差异大,光伏较化石燃料发电仍可大幅减少碳排放,公路行业对各种太阳能技术适用性、生命周期评价方法等仍缺乏相关研究,行业应用的混合光伏、电能储用等技术还缺少适用评价指南;太阳能电站建设与运营会造成迁徙鸟类、偏振敏感性昆虫等死亡,针对公路光伏扩展对相关类群影响的研究仍旧缺乏;太阳能电站建设会改变地表风场、降水、温度等气象条件,对地表植被、水土流失、土壤稳定性与“热岛”效应等产生影响,当前在公路光伏设施建设水土保持方面开展了少量研究,但还缺乏关于公路光伏对坡面风蚀、风荷载及稳定性的影响评估与缓解方法的研究;光伏会改变太阳光照与反射,产生光污染,仍缺乏对驾驶员视觉舒适
3、度的影响评价与缓解方法的研究,光伏减反射膜、防眩膜等新技术的推广也不足。基于公路与太阳能设施的叠加环境影响,从完善公路太阳能发电全生命周期评价方法指南,强化设备选型与协同技术优化等方面,提出了公路太阳能发电技术应用的环境保护路线、管理与技术对策。关键词:公路;太阳能设施;光伏;环境影响;生态系统;微气候;生命周期评价中图分类号:U491.1文献标识码:A文章编号:2095-9931(2023)04-0017-15Environmental Impact Review and Development Strategies ofSolar Power in HighwayCHEN Xueping,
4、JIAN Li,TAO Shuangcheng,GU Xiaofeng,LI Binshan(China Academy of Transportation Sciences,Beijing 100029,China)Abstract:In response to the environmental impact of highway solar power plants,this paper summarizesthe emission reduction benefits of solar power development in highway,the impact of solar p
5、ower facili-ties on ecological and microclimate environment,etc.,and puts forward strategies based on the conflicts ofhighway and solar power development.The results indicate that there are great differences for indicators交通运输研究TRANSPORT RESEARCH第9卷 第4期Vol.9No.4陈学平,简丽,陶双成,等.公路太阳能发电的环境影响综述及发展对策J.交通运输
6、研究,2023,9(4):17-31.CHEN X,JIAN L,TAO S,et al.Environmental impact review and development strategies of solar power in highwayJ.Transport Research,2023,9(4):17-31.DOI:10.16503/ki.2095-9931.2023.04.00217交通运输研究第9卷 第4期2023such as embedded energy,energy payback time,and energy returned on invested for di
7、fferent photo-voltaic modules,while photovoltaic power can still reduce carbon emissions greatly compared to fossilfuel power.There is seldom research carried out on the applicability of different solar technology andmethods of Life Cycle Assessment(LCA)in highway and still lack of available methodo
8、logy guide-lines for technologies used in highway,including hybrid photovoltaic,electric energy storage and useetc.The construction and operation of solar power plants can cause the death of migratory birds,po-larotactic insects,and other species,while there is still lack of research on the dual inf
9、luence of high-way and photovoltaics expansion on these taxa.Photovoltaic panels change surface wind fields,precip-itation,temperature,and other meteorological condition,affecting on surface vegetation and soil ero-sion,soil stability,and heat island effect.A few research has been conducted on soil
10、and water con-servation for highway photovoltaic facilities construction,and there is lack of evaluation and mitiga-tion methods for slope wind erosion,wind load,and stability combined with highway photovoltaicconstruction.Photovoltaics can change solar reflections,resulting in light pollution,while
11、 there is stilllack of research on visual comfort of drivers,and the application and development of new technolo-gies such as antireflection and anti-glare coating glass for photovoltaic modules are insufficient inhighway.Based on the dual environmental impact of highways and solar facilities,this p
12、aper proposesenvironmental protection routes,management and technical strategies for the application of highwaysolar power from the aspects of developing methodology guidelines for LCA of highway photovolta-ics,strengthening the selection and collaborative optimization of equipment,etc.Key words:hig
13、hway;solar facilities;photovoltaic;environmental impact;ecological system;micro-climate;Life Cycle Assessment(LCA)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
14、利用高速公路与铁路的声屏障架设光伏板,建成100 kW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
15、,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18TRANSPORT RESEARCHVol.9 No.4陈学平,等:公路太阳能发电的环境影响综述及发展对策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
16、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(DB 37/T45162022)。当前山东、河北、山西三省在建总装机容量已超400 MW。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(130 MWp)与小型(1 MWp)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
17、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
18、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
19、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
20、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
21、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19交通运输研究第9卷 第4期2023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(Concentrating Solar Power,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
22、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
23、准化组织发布的生命周期评估方法(Life CycleAssessment,LCA)标准(ISO 1404014044)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(The International Energy Agency,IEA)光伏发电系统项目组(IEA Photovoltai
24、cPower Systems Programme,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-PVPS 2020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
25、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。Bhandari29等对 20002013 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(Energy Payback Time,EPBT)及 能 耗 回 收 比(Energy Return on Investment,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(1 700 kWhm-2yr-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%
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