太阳能光伏发电已经成为应对气候变化的一项重要措施。随着技术进步和产业规模的扩张，光伏的成本不断下降。全球范围已有多种“光伏＋”创新应用场景，这些新的模式对生态修复、低碳减排起到了积极的促进作用。本文介绍了当前行业流行的一些主要应用模式，包括“光伏＋生态修复”“光伏＋建筑”“光伏＋农业”“光伏＋渔业”以及“光伏＋公路”5种场景，并给出了实际案例的数据参考。随着全球范围对碳达峰、碳中和目标的重视和大力推进，太阳能光伏发电将推动电力行业改革，助力低碳经济和可持续发展，帮助各国达到减排目标。

能源电力领域碳减排对缓解全球气候变化影响深远

  《巴黎协定》指出：全球平均气温升幅需控制在较工业革命前水平增加2℃之内（努力达到1.5℃）才能将气候变化的后果限制在可控范围内。应对气候变化的首要任务是控制碳排放，但是目前全球减碳进程远滞后于《巴黎协定》制定的目标。联合国环境规划署在2019年的一项报告指出，如果各国10年前就有所行动，各国政府每年尚需减少3.3%的碳排放量。如今，各国政府每年需要实现的碳减排量已经上升至7.6%。电力部门的碳排放占比非常高，2019年，燃煤电厂排放的二氧化碳占化石燃料排放的二氧化碳总量的近1/3。同年，全球电力行业碳排放下降2%，全球燃煤发电量下降了3%，这是1990年以来的最大跌幅，是碳减排的积极信号。
  能源和电力部门在碳减排和能源转型中发挥着重要作用。研究表明，虽然实现世界整体减排年均7.6%的目标确实非常艰巨，但仍有可能通过清洁能源的大力普及实现。2019年，风能和太阳能发电量增加了270太瓦时，即增长了15%。为了更好地实现《巴黎协定》中的气候变化控制目标，煤炭的产量每年须下降11%，而风能和太阳能每年都需要保持15%的增长率。

光伏成本的降低将改变能源电力领域碳减排的格局

  受益于技术进步、规模经济、开放的市场竞争和行业经验的不断积累，光伏发电的成本在最近十年急剧下降。光伏是所有可再生能源类型中成本下降速度最快的。自2010年以来，太阳能光伏发电（PV）和聚光太阳能热发电（CSP）的成本分别下降了82%、47%。竞拍和购电协议（PPA）的最新数据显示，在2021年投产的项目中，太阳能光伏发电的平均价格能达到0.039美元/千瓦时，与2019年相比下降了42%，比燃煤发电的价格成本低1/5。2020年，中国光伏系统价格已降至0.5美元/峰瓦，光伏新增装机发电成本到2025年将低于0.3元/千瓦时，到2035年和2050年将降至约0.2元/千瓦时和0.13元/千瓦时。
  目前，多个国家的光伏发电的最低价格已经低于煤电，平均价格已经非常接近于煤炭发电的平均价格。成本的下降为光伏的推广清扫了重要阻碍，国际能源信息署（IEA）判断，在未来十年里，全球电能80%的新增长将来自可再生能源。到2050年，可再生能源电力将占到全球总电力结构的85%，其中太阳能电力将占1/3。对于中国，到2030年，电力行业可通过提高可再生能源占比来节省10%的成本。如果各方面积极努力，到2030年，电力行业有望完成80%的碳减排目标，到2050年，中国光伏发电总装机规模将有望达到5000吉瓦。届时，光伏或将成为中国第一大电源，光伏发电将占当年全国用电量的约40%。

多种光伏应用场景为应对气候变化带来更多可能

  除了传统思维中的太阳能电厂和分布式屋顶光伏，光伏还可以应用于多种多样的场景，比如建筑、农业、渔业、公共设施、景观建设等。这些复合和跨界模式一方面使得光伏建设项目在清洁发电的同时能够兼顾经济发展和生态保护；另一方面，这种对空间高效集约利用的模式有助于新能源开发项目获得建设所需的土地资源。
  “光伏＋土地生态修复”
  据《联合国防治荒漠化公约》统计，全球处于超干旱以及干旱的土地面积约为25500平方千米，占全球陆地表面的17.2%。而且，每年沙漠的面积还在不断扩大。土地退化中和（Land Degradation Neutrality, LDN）和退化土地生态修复一直以来都是地球面临的重要课题。荒漠化土地虽然有待修复，但也提供了大量的土地资源，因此，将荒漠化土地生态修复与光伏建设相结合将带来多方面的收益。荒漠上的太阳能面板不仅可以供电，还可以减少地面受到的日照辐射和水分蒸发量。清洗电池板时喷洒的水分，提高了土壤表层的含水量，促进了植被的生长和恢复。在荒漠上的太阳能电站能促进土壤的碳固定、植物的定植，提高生物多样性并恢复土壤活性，进而利于蓄水保土、阻风固沙、调节气候、改善生态环境等。对于土地所有者来说，在25年的光伏电站运营周期后，将获得植被覆盖率更高、土壤更健康、土地生产力更高的优质土地以及使用期间的土地租赁收益。
  目前，巴基斯坦、埃及等国，我国内蒙古、山西、青海、宁夏等地都有这样的“光伏＋土地生态修复”的项目。以青海共和盆地的生态修复项目为例，这个850兆瓦的项目占地54平方千米，建设光伏电站后，光伏板下和板间土地植被覆盖率显著提升，植被覆盖度增加15%；光伏水泵灌溉地区的植被覆盖率也显著提升。光伏板下10厘米、20厘米、40厘米处，土壤含水量分别增加78%、43%、40%。夏季土壤有机质含量比上年增加11.6倍，氮含量比上年增加11.3倍，土壤微生物增加，进而提高了土地生产力。光伏发电降低了约120万吨碳排放，植被和土壤有机碳也形成了一定程度的碳沉积。电站场区对局地气候有明显调节作用：光伏园区内风速比园区外降低了40.3%；空气相对湿度比园区外高2.8%。对土壤温度也有调节作用。
  “光伏＋建筑”
  欧洲最大的能源消费来自建筑行业，消耗了约40%的能源，并排放了约36%的温室气体。目前，欧盟几乎75%的建筑物是低能效建筑，如对现有建筑物进行能源改造可以节省大量能源，有望使欧盟的总能耗降低5%～6%，并将二氧化碳排放降低5%。欧洲目前大范围推广光伏建筑一体化项目。结合建筑进行光伏建设可以减少对土地资源的消耗。欧洲各国在进行“光伏＋建筑”项目建设时会首先对可用建筑面积进行估算，以便最大限度地利用建筑面积。从巴黎都会区大规模实际部署光伏的结果来看，由于遮盖了屋顶，太阳能电池板会使家庭冬季取暖的需求增加3%，但是在夏季，这种遮盖可减少12%的空调用能。
  列支敦士登是一个非常典型的受益于建筑光伏的国家。这个国家位于瑞士与奥地利两国之间，面积仅为160.5平方千米，只有38244人。列支敦士登土地狭小并且人口稀少，人均能耗高、人均用电量高、能源自给率低，但是它却是世界上第一个被允许称为“能源大国”的国家。从人均光伏的角度来看，2015年列支敦士登超过了原排名第一（人均装机容量为473瓦）的德国，以532瓦的人均装机容量被Solar Super State协会授予“人均光伏冠军”的称号。值得注意的是，这个国家所有光伏项目都在建筑上。在列支敦士登光照资源条件下，面积为40～50平方米的现代光伏系统可大致满足四口之家的用电量，可以持续发电约25年，帮助列支敦士登居民用电实现自给自足，并能够向工业提供一部分电力。2020年5月10日，列支敦士登的本国发电功率超过了该国用电负荷，这是该国历史上首次不需要任何外部能源，完全自给自足地完成了整个国家的电力运行。虽然这是一个特殊时期的偶发事件，但是也表现出国家依靠建筑光伏实现能源独立的可能。目前该国公开的能源规划是在2030年达成人均光伏2.2千瓦，2050年至少到4.5千瓦。这些光伏依然全部规划在建筑上，建筑光伏在该国的地位进一步得到巩固。
  “光伏＋农业”
  “光伏＋农业”即在同一片土地同时开展支架型光伏发电与农业生产活动。全球农业用地面积约为5亿平方千米，占全球陆地面积的38%。其中约1/3为耕地，其余2/3为草地和牧场。农业用地占有大量的土地资源，这些土地是否可以作为光伏建设的可用面积，一直以来饱受争议。为此，欧洲最大的太阳能研究机构——德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所（Fraunhofer ISE）于2015年启动农光一体研究项目APV—RESOLA，测试光伏板对冬小麦、芹菜、土豆等不同作物产量的影响。对照实验表明，将光伏与土豆种植相结合，每公顷土豆增产3%，农用土地通过光伏额外产出83%的绿色电力，土地综合利用率提升86%。该成果已于2020年10月在由德国弗劳恩霍夫太阳能系统研究所主办的国际农业光伏大会AgriVoltaics上发布。“光伏＋农业”这一模式，将光伏板清洁与农田灌溉相结合，能够提高水资源利用效率，光伏板也能起到减弱正午过强光照对农作物的不利影响和减少水分蒸发的作用。基于农光一体设施，可以选育适宜作物，进行合理灌溉。光伏供电的智能系统还可以保障农业生产工艺流程，实现“光伏大棚＋智慧种植”，提高农业经济和质量。“光伏＋农业”模式解决了光伏建设与农业生产争地的问题，并通过光伏建设中的一些干预措施在尽量确保光伏发电量的同时增加农作物的产量，实现土地复合利用。
  以位于宁夏黄河东岸的农光互补光伏电站为例，宁夏黄河东岸曾是荒漠化最为严重的土地之一，平均海拔为1200米，年最大降水量为273毫米，年蒸发量为2722毫米，漫天黄沙，尘土飞扬。开发公司对16万亩（约10666公顷）荒漠化的土地进行生态治理，建设农光互补电站，规划建设3GWp光伏发电，已建成并网1GWp光伏。同时开展优质有机枸杞的“种植—研发—加工—销售”绿色产业链，为当地3万贫困人口提供了就业机会。光伏组件减少了辐射强度，“光伏＋农业”使得枸杞的开花季比当地同类枸杞长了5个星期，产量增加了29%。
  “光伏＋渔业”
  “光伏＋渔业”是指建设基台在水面的光伏电站，发电的同时在光伏板下发展渔业，是一种空间资源复合利用的多重发展模式。对水产品来说：第一，光伏组件的冷却作用和遮光作用可以降低水产品睡眠温度，减少水分蒸发，提高鱼虾蟹存活率，减少藻类侵入；第二，光伏供能的智能系统能有效控制养殖水体条件，例如水温和pH；也能实现节水循环，池底排污、杀菌增氧和远程检测，创造了更好的生态环境，持续提升水产品的产量和质量。对于发电运营和节能减排来说：光伏驱动渔业零污染，减少粉尘、二氧化碳、二氧化硫、氮氧化物排放；水面光伏电站还能避免火灾、动物啃咬电缆等情况对电站造成的破坏。渔业增产和节能减排同时实现，能极大提高单位面积土地的经济价值。
  以江苏渔光一体项目的数据来看，渔光一体草鱼池塘亩产量达到35550～39705千克/公顷，远高于当地常规池塘平均水平（18750千克/公顷）。339亩养殖水面安装50%～75%光伏组件，建立10兆瓦渔光一体池塘，一年共发电1300万千瓦时，年亩发电3.83万千瓦时，平均月亩发电3196千瓦时。鱼菜（稻）共生，采用水稻、空心菜进行生物处理，累计产出水稻总量为194.48千克，空心菜总量为3529千克，共计吸收氮元素161.99千克、磷元素27.63千克、钾元素202.44千克，并实现产值附加近4000元，利润3000余元。利用物理、生物净化和养殖技术的有机结合，做到“以鱼养水、以草净水”，有效控制了水产养殖内外源性污染问题，对SS降解率达80%以上，对COD、TN、TP降解率90%以上，净化后水质符合《淡水池塘养殖水排放要求》（SC/T9101—2007）一级标准。
  “光伏＋公路”
  路侧光伏是利用高速公路及铁路两侧土地建设光伏电站的一种光伏建设形式。铁路和高速公路沿线的土地常年受到噪声和尾气的污染，这类地带农业经济性较差，如果建造地面光伏系统反而可以减少其他地方的土地消耗和对景观的干预。
德国公路两侧有非常多的窄条状光伏电站。德国地面光伏电站中12%是位于公路和铁路两侧110米内的地带。图林根州500千米高速公路110米沿线上的太阳能安装潜力总计可达1.8吉瓦。以德国巴伐利亚州代根多夫市B8联邦公路以南Photovoltaik Kainzenstadelfeld项目为例，它的总面积约为2万平方米，光伏设施占地面积为13992平方米，光伏板数量为2829块，预计年度发电量为1121.4千瓦时，景观补偿系数为0.2（景观补偿：联邦自然保护法和建筑法规指出“对自然和景观的干预活动，即对自然平衡或景观的性能和功能造成影响的行为”），景观补偿面积为2298平方米。
  另外，美国的研究显示太阳能组件周围是适合授粉类植物种植的理想场所，种植效果更好，还可以为授粉媒介（如蜜蜂）提供食物和庇护所。授粉类昆虫新栖息地的建立会对光伏电站附近的收成产生积极影响，因为定居在光伏电站中的蜜蜂（昆虫）会飞向周围耕地，促进农田授粉，使农民从中受益。将授粉友好型植物与靠近农业地点的路侧光伏项目结合起来，可以形成清洁能源，农业以及生物多样性的“三赢”局面。

结语

  总之，太阳能光伏还有很多综合性的应用场景：例如集发电、观光、艺术建筑和农渔生产于一体的光伏生态公园；具有多重功能的停车场、火车站、机场、体育馆、学生宿舍等光伏公共建筑；增加环境效益的污水处理厂、油田、火电厂、煤矿等光伏改造工厂；光伏和氢能、储能等结合形成的零碳社区；非洲边远地区由光伏供能的清洁厨房、疫苗箱等。全球碳中和的目标下，太阳能光伏，特别是集生态、经济和社会效益为一体的多重耦合模式，可以在未来为可持续发展、应对气候变化和低碳减排提供强大助力。

（孟静惟、贾玮、张慧文、樊铁男、何继江，清华大学社会科学学院）