1 引言
能源资源通常分为化石燃料、 可再生能源和核能等（Demirbas， 2000）。传统化石燃料不仅存储量有限（按照当前的消耗速度， 将于22世纪早期耗尽）（Shafiee and Topal， 2009； IEA， 2020）， 而且燃烧过程中排放污染物和温室气体导致环境恶化和全球变暖， 因此近几十年来与能源相关的问题得到各界学者越来越多的关注（Stoppato， 2008）。利用风能、 太阳能等清洁能源代替化石燃料的供应， 能够减少排放到大气中的二氧化碳， 可能预防灾难性的气候变化（Schwartzman and Schwartzman， 2013）。太阳能是最丰富的可用可再生能源之一（Jefferson， 2013； US Energy Information Administration， 2013）， 太阳以3.8×1023 kW的速度发射能量， 其中约1.8×1014 kW被地球拦截， 可在地表面提供2500 TW的技术性可用能源（Nelson， 2003； Thirugnanasambandam et al， 2010）。光伏发电利用半导体光电效应将太阳能直接转化为电能， 是一种不需要燃料、 无污染的高新技术， 是太阳能利用的一种重要形式（张耀明， 2007； 杨金焕等， 2009）。
根据光伏发电接入形式不同， 光伏系统主要分为分布式和集中式两种。分布式光伏系统通常集成到建筑环境中， 也就是光伏建筑一体化（Building Integrated Photovoltaic， BIPV）发电系统， 容量相对较小。而集中式光伏并网发电则通常利用干旱半干旱地区丰富的太阳能资源建立大型光伏电站， 接入高压输电系统供给远距离负荷。
随着低碳能源的推进和光伏面板成本的降低， 世界各地的光伏发电量迅速增加（Sims， 2014）。根据政府间气候变化专门委员会的报告， 2030年光伏发电在全球发电量中的占比将达到12%， 2050年将达到33%（IPCC， 2011）。太阳能将成为引领全球电力行业转型的可再生能源之一， 预计到2050年将达到8519 GW， 提供总电力需求的25%。与2017年相比， 到2050年太阳能光伏发电在发电量组合中的份额将增加10倍以上， 因此未来30年太阳能光伏需要更大的装机容量扩展（IRENA， 2020）， 在全球范围内建设大规模光伏电站是必然的发展趋势。我国在第七十五届联合国大会及气候雄心峰会上也提出了“2030年前碳达峰、 2060年前碳中和”的贡献目标， 明确2030年风电和太阳能发电总装机容量将达到12×108 kW以上， 风、 光年均新增装机需要1×108 kW以上。
自20世纪70年代， 就有学者开始研究太阳能开发利用对环境的影响（Lovins， 1976； Harte and Jassby， 1978）。21世纪以来， 气候变化成为人类最关注的问题之一（Richard and Mike， 2009）。随着大规模光伏电站在世界范围内广泛部署， 越来越多的学者开始关注光伏电站的安装和运行对环境和气候的影响。其中， 环境影响包括光伏电站对生物多样性、 水资源消耗、 土地利用、 废弃物处理等方面的影响（Abbasi and Abbasi， 2000； Tsoutsos et al， 2005； Denholm and Margolis， 2008； Fluri， 2009； Fthenakis and Kim， 2010； Lovich and Ennen， 2011； Hernandez et al， 2014； Walston et al， 2016）。例如， 光伏电站产生的环境毒物如防锈剂杀虫剂、 防冻剂等， 对当地的生物多样性可能存在长期的潜在危害性（Abbasi and Abbasi， 2000； Lovich et al， 2011）； 大规模太阳能设施也可能导致某些特定野生物种栖息地的碎片化（Hernandez et al， 2014）； 此外， 独立光伏系统电池寿命短、 重金属含量高， 容易污染环境（Tsoutsos et al， 2005）。
与传统能源相比， 可再生能源通常比较分散， 需要大量的土地资源， 因此大规模光伏电站的安装会导致全球土地利用和土地覆盖格局发生显著变化。一方面， 它会通过改变反照率影响地表辐射强迫， 从而影响局地天气及气候状况（Pielke et al， 2002； Bonan， 2008）； 另一方面， 光伏面板导致的表面粗糙度和蒸散效率变化等引起的非辐射强迫以及光伏阵列表面温度、 土壤水热特性变化引起的局地反馈也会影响光伏下垫面能量平衡特性和陆气相互作用过程。此外， 这种区域尺度的变化可能还会通过遥相关过程对全球气候系统产生影响（Avissar， 1994； Pielke， 2001）。因此， 大规模光伏面板安装和运行使得陆-气界面辐射平衡、 气候系统能量交换发生变化， 进而导致局地气候和区域气候系统的变化以及反馈。
本文回顾了光伏电站对局地气象要素及能量平衡影响的相关研究， 介绍了光伏电站气候效应的研究方法及其在模式中的参数化表征， 总结了集中式光伏电站和BIPV部署对局地、 区域乃至全球气候的潜在影响及其机理， 对气候变化应对， 特别是发展中国家和生态脆弱地区生态文明建设具有一定的科学指导意义。
2 研究方法概述
光伏电站气候效应研究大多基于野外场站观测、 卫星遥感和数值模拟开展。野外观测研究主要通过对比分析光伏电站与邻近自然区域辐射收支、 气象要素等在不同时间尺度的差异， 能够直观地反映光伏面板安装、 运行对局地辐射收支和微气象因子如风速、 气温、 土壤温度等的影响（Armstrong et al， 2016； Barron-Gafford et al， 2016； Yang et al， 2017； Chang et al， 2018）， 而且可用于模式验证。但是野外场站观测成本高， 观测项目非常有限， 时间和空间代表性也受到很大的限制。卫星遥感数据容易获取， 比较经济， 可以用来评估光伏电站在更大时空尺度上对某些气象要素的影响（Li et al， 2017）， 但是受限于遥感数据质量和分辨率， 目前仅有地表温度相关产品在光伏电站气候效应研究中得到了少量的应用（Zhang and Xu， 2020）。受观测数据的限制， 数值模式是研究光伏电站气象效应的主要工具， 目前主要通过在城市能量平衡模型和城市冠层模型（Wang et al， 2006； Tian et al， 2007； Scherba et al， 2011）、 CFD（Computational Fluid Dynamics）模型（Fthenakis and Yu， 2014）、 气候模式（Millstein and Menon， 2011； Hu et al， 2016； Nguyen et al， 2017； Li et al， 2018）中对光伏面板进行参数化， 模拟大规模光伏电站对局地气象要素及区域气候的影响。
在模式模拟中， 通常基于“有效反照率”的概念对光伏面板进行参数化（Taha， 2013； Hu et al， 2016； Nguyen et al， 2017； Li et al， 2018）。有效反照率定义为光伏面板反射和电能转换所需的太阳辐射之和除以入射太阳短波辐射（Taha， 2013）， 用于描述光伏电站内未被吸收的太阳辐射部分， 这种较为粗糙的表征方法能够模拟反照率变化和光电转换导致的短波辐射强迫变化。在城市能量平衡模型中， 主要将光伏面板转换效率和反照率代入辐射平衡公式计算感热通量， 进一步计算对气温及城市热岛效应的影响（Scherba et al， 2011； Masson et al， 2014； Salamanca et al， 2016）。表1 列出了部分文献中采用的模式和光伏面板反照率及转换效率。
表1 大规模光伏面板部署气候效应研究中的光伏面板反照率和转换效率Table 1 Albedo and conversion efficiency of photovoltaicpanels in the studies of climate effect of large-scale deployment of photovoltaic panels |
| 研究地区 | 研究方法 | 反照率 | 转换效率 | 参考文献 |
|---|---|---|---|---|
| 莫哈韦沙漠 | WRF | 0.05 | 11% | Millstein and Menon， 2011 |
| 圣地亚哥市 | Crank-Nicholson | 0.18 | 8% | Dominguez et al， 2011 |
| 洛杉矶 | uMM5 | 0.08 | 10%~30% | Taha， 2013 |
| 北美地区 | CFD | 0.10 | 30% | Fthenakis et al， 2014 |
| 巴黎 | TownEnergy Balance | 0.11 | 60% | Masson et al， 2014 |
| 世界主要沙漠和城区 | CCSM4 | - | 27% | Hu et al， 2016 |
| 亚利桑那州、 凤凰城 | WRF | 0.11 | 14% | Salamanca et al， 2016 |
| 澳大利亚 | CCAM | 0.05~0.75 | - | Nguyen et al， 2017 |
| 天津市 | PTEBU Model | 0.10 | 5%~50% | Tian et al， 2007 |
| 撒哈拉沙漠 | UMD-ICTP Earth System Model | 0.10 | 15%~45% | Li et al， 2018 |
-表示无数值 |
在少量的模拟中对光伏下垫面粗糙度进行了极为粗略的估计（Chang et al， 2020）。最新的光伏电站参数化方案研究不仅考虑了与有效反照率相关的辐射强迫， 还研究了光伏阵列导致的表面粗糙度、 蒸散效率、 土壤水热特性等变化引起的非辐射强迫， 进一步引入光学模型和光伏面板热模型用来表征光伏面板的遮挡效应以及光伏阵列表面温度变化引起的内部反馈及能量分配（蒋俊霞， 2021）。
3 光伏电站对能量分配的影响
光伏面板作为光伏电站内增加的能量交换表面， 其特殊性质（如低反照率、 低热容等）引起的热力学特性和粗糙度增加导致的动力学特性， 改变了光伏电站内近地表辐射强迫和湍流输送， 对光伏电站内表面能量平衡过程产生深刻影响， 从而影响局地气候系统。
有研究指出， 荒漠地区光伏电站内转化为电能的短波辐射部分不足以抵消净短波辐射的增加， 从而导致短波辐射强迫有所增加， 而光伏面板特殊的物理性质如较低的热容和发射率、 增加的粗糙度和表面积等， 导致光伏电站内感热通量较邻近自然荒漠地区增加（Broadbent et al， 2019； Jiang et al， 2021）。由于光伏面板的遮挡和风阻作用， 白天光伏电站内蒸发较弱， 储存在土壤中的太阳辐射能量也更少， 潜热通量和地表热通量低于邻近荒漠地区。夜间， 光伏面板导致的短波辐射强迫消失， 光伏电站内增强的垂直混合引起向下感热通量的增加， 而从光伏电站土壤中释放到大气中的热通量较少（Jiang et al， 2021）。
光伏电站的建设以人为的方式改变了自然下垫面的性质（反照率、 粗糙度等）， 作为外部强迫的净短波辐射和内部反馈的长波辐射过程可能会改变， 这就会改变光伏下垫面吸收的净辐射。其次， 光伏面板以一定的高度架设在地表， 对地表形成物理遮挡， 地表非均匀性引起的热力和动力的不均匀分布使得湍流运动更加复杂， 这些都会影响可利用能量的分布和分配， 可能会形成局地小气候， 引发局地环流， 甚至影响区域气候（图1 ）。
4 大规模光伏电站气候效应研究进展
入射到地表的太阳短波辐射一部分被反射到大气中， 一部分被地面吸收存储， 剩余部分以感热潜热的形式重新辐射（Monteith， 1973； Campbell and Norman， 2000）。大规模光伏电站通过改变地表反照率、 粗糙度等陆面特征， 影响大气中物质和能量的转换和分布， 进一步对光伏电站及周边地区的气温、 湿度、 风速等局地气象要素产生影响， 可能改变局地天气和区域气候， 也可能对大气环流产生影响， 从而影响全球气候。
4.1 对地表参数的影响
光伏电站的建设通过在地表或建筑物表面部署光伏面板， 改变原有地表反照率。不同下垫面反照率不同， 通常浅色地表反照率较高， 如冰川、 雪盖等的平均地表反照率大于0.5， 沙漠平均反照率为0.25~0.35， 而深色地表如农耕区和黑钙土等平均反照率较低， 可小于0.1（盛裴轩等， 2006）。光伏面板的反照率通常在0.06~0.1（Taha， 2013）， 因此光伏电站对区域反照率的影响因地区而异。观测表明我国青海荒漠地区光伏电站和自然荒漠区域的反照率分别为0.16~0.19和0.19~0.21（Yang et al， 2017； Chang et al， 2018）； 赵延岩等（2021）也指出， 夏季新疆戈壁地区光伏下垫面反照率（0.14）明显低于荒漠戈壁。以上结果与Michalek et al （2001）和Burg et al （2015）的结论一致， 他们指出荒漠地区部署光伏面板可使其地表反照率降低5%~20%。这是由于性能良好的光伏面板需要吸收更多的太阳辐射， 因此通常表面颜色比较深， 在荒漠地区表面形成暗区。而在颜色较深的农耕区或者黑土地安装光伏面板可能导致其反照率增加。此外， 光伏面板部署面积越大， 对平均反照率的总体影响就越大（Taha， 2008）。反照率的变化可在局地、 区域和全球尺度上对辐射强迫产生非常显著的影响（Betts， 2007）。
光伏面板通常以一定的高度架设在地表。对于BIPV， 由于建筑物通常比较高， 光伏面板引起的表面粗糙度变化可以忽略不计， 但是沙漠地区光伏设施通常会增加地表粗糙度（Hernandez et al， 2014）。新疆戈壁地区光伏电站平均动力学粗糙度和热力学粗糙度分别为0.0899 m和1.66×10-5 m（蒋俊霞， 2021）。前人对沙漠地区动力学粗糙度进行研究， 发现敦煌戈壁下垫面为1.9×10-3 m（Zhang et al， 2003）， 巴丹吉林和黑河沙漠地区分别为1.55×10-3 m（郑辉和刘树华， 2013）、 2.67×10-3 m（贾立和Menen， 1999）。可见， 荒漠地区光伏下垫面较类似自然下垫面粗糙， 光伏面板增加了表面动力学粗糙度。此外， 赵延岩等（2021）计算了新疆戈壁地区光伏电站夏季热量总体输送系数为4.61×10-3， 高于西北地区相似下垫面同期热量输送系数。
4.2 对局地气象要素的影响
4.2.1 气温和降水
随着大规模光伏装置的迅速增加， 越来越多的研究关注光伏电站是否导致区域“光伏热岛”（Photovoltaic Heat Island， PVHI）效应。与城市热岛效应类似， 光伏热岛效应是指荒漠地区光伏电站温度高于周围环境温度。Barron-Gafford et al（2016）发现美国图森沙漠地区光伏电站内年平均气温和年平均午夜温度均高于附近沙漠生态系统， 夜间呈现出高达3~4 K的PVHI效应， 温暖的春夏季节甚至高于4 K， 作者认为这可能是由于夜间光伏阵列截获了其下方的再辐射感热通量。这种夜间增温效应与Armstrong et al（2016）提出的光伏阵列下方气温高于光伏阵列间空地和自然下垫面的结论一致。我国青海共和地区和格尔木地区的观测表明， 光伏电站内2 m气温明显高于邻近自然下垫面， 夏季差异最大（高晓清等， 2016a； Chang et al， 2018）； 乌兰布和沙漠东北缘光伏电站内1.0 m、 2.5 m气温比邻近旷野分别高出0.30~1.53 K、 0.44~1.34 K， 相对湿度则分别降低1.05%~3.67%、 1.15%~2.54%， 光伏电站具有增温、 降湿的效应（赵鹏宇等， 2016）。新疆戈壁地区大型光伏电站内的观测也表明光伏电站内近地层白天2 m和10 m气温分别比参考站点高0.64 K和0.32 K， 光伏阵列产生“对流加热效应”， 这种加热效应甚至可以高达10 m以上（Jiang et al， 2021）。以上研究都表明， 在干旱半干旱的荒漠地区， 白天光伏面板温度显著升高， 成为环境空气的热源， 是一个能量汇， 会形成“光伏热岛效应”， 这种增温效应在温暖的季节更为显著。
尽管如此， 一些学者发现光伏电站具有夜间降温效应。光伏组件具有自冷却机制， 夜间光伏电站环境温度低于周边区域温度， 光伏组件温度比空气温度低2~4 K（Sato et al， 2009）。共和盆地和新疆戈壁地区夜间光伏电站内气温也低于自然荒漠区（殷代英等， 2017； Chang et al， 2018； Jiang et al， 2021）。Fthenakis and Yu（2014）用CFD模拟了北美地区某大型光伏电站的温度场， 并与场站观测进行对比分析， 观测数据和模拟结果都表明在光伏电站中心区域距离地面2.5 m处的年平均气温比周围环境高1.9 K， 这种热能随着高度和水平距离的增加会迅速耗散， 太阳能阵列也完全冷却， 因此不太可能发生热岛效应。
模式模拟研究中， 光伏电站对温度和降水格局的影响取决于反照率扰动信号和光伏面板转换效率。Millstein and Menon（2011）在WRF（Weather Research and Forecasting Model）区域气候模型中通过降低加利福尼亚州莫哈韦沙漠地区的地表反照率来表示光伏电站， 发现光伏面板转换效率为11%时， 反照率的降低导致总出射辐射发生显著变化， 反射短波辐射减少40~75 W·m-2， 地面长波辐射增加1~5 W·m-2， 光伏区域下午局地平均气温上升0.4 K。CCAM（Conformal Cubic Atmospheric Model）中的模拟结果表明， 光伏阵列上正的反照率扰动导致最高气温降低10 K， 降雨减少30%~70%； 相反， 光伏阵列上负的反照率扰动导致气温和降水增加； 光伏电站规模越大， 反照率扰动越大， 对周围地区的温度和降水影响越大（Nguyen et al， 2017）。在RCP2.6（2006 -2100年）排放情景下， 在世界主要沙漠地区（撒哈拉沙漠北部， 亚洲、 北美和澳大利亚的沙漠地区）和城市地区大规模安装太阳能光伏系统， 入射直射辐射增加， 反射辐射减少44%， 可在沙漠地区产生显著的局部冷却效应； 中部、 东部和东南亚， 中东部分地区， 澳大利亚和部分热带太平洋年平均降水减少0.25 m·a-1， 欧洲、 北太平洋、 北美西部、 热带非洲、 印度洋东南部降水增加0.25 m·a-1（Hu et al， 2016）。动态植被气候模型UMD-ICTP （University of Maryland-International Centre for Theoretical Physics） Earth System Model中显示不同转换效率的光伏面板对撒哈拉沙漠地区温度和降水的影响不同： 面板转换效率为15%时， 反照率降低触发了反照率-降水-植被的正反馈， 导致沙漠地区尤其是Sahel地区局地温度升高和降水增加， 近地表平均气温增加1.12 K， 产生明显的区域增温效应， 区域降水量平均增加50%（0.13 mm·d-1）； 面板转换效率为30%时， 反照率变化微乎其微， 对温度和降水的影响也可以忽略不计； 当面板转换效率为45%时， 产生冷却地表， 抑制降水的效应（Li et al， 2018）。这与Nemet（2009）的结论有所出入， 后者认为转换效率为28%的光伏面板可在全球大多数地区产生局部冷却效果。造成这种不一致的原因可能是光伏面板安装表面不同， 后者研究了在沙漠、 屋顶和农田草地三种不同下垫面上安装光伏面板的综合效应， 反照率较单一沙漠低， 因此光伏效应阈值存在差异。
4.2.2 风场
荒漠地区光伏电站， 地表粗糙度增加， 可能会改变近地表风场， 影响近地面流场性质。新疆戈壁地区光伏电站内风速随高度降低衰减的程度强于自然下垫面， 光伏电站内2 m高度处南、 北风分量频率显著减少， 风速显著降低， 表明光伏面板对风向具有重定向的效应， 对风速有衰减效应（Jiang et al， 2021）。我国陕西省靖边县50 MWp光伏电站内风速与电站周边相比降低23%~43%（王涛， 2015）， 乌兰布和沙漠地区光伏电站内2.5m以下高度风速降低， 光伏阵列行道间、 光伏组件前檐、 后檐处风速较旷野区分别下降19.10%~32.80%、 23.82%~55.44%、 41.35%~60.67%（赵鹏宇， 2016）。Millstein and Menon（2011）的模拟结果也表明光伏阵列对美国莫哈维沙漠地区的边界层高度和区域风场有影响， 下午边界层高度增加150~250 m， 光伏阵列上风向西南风强度有所增加， 下风向西南风强度减弱。
4.2.3 土壤温度
在陆面上安装光伏面板不仅遮挡了部分地表， 降低表层土壤的吸热； 光伏面板和地表之间也发生辐射热交换， 降低表层土壤的放热， 因此大型光伏面板的部署和安装可能影响土壤温度。土壤温度反映了土壤的热量吸收和储存状况， 土壤温度变化过程对局地气候变化有重要影响（汤懋苍等， 1982； Zhou et al， 2003）。Chang et al（2018）发现我国共和荒漠地区光伏电站内地表温度低于邻近自然下垫面， 月平均地表温度降低1.8~8.2 K， 年平均减少0.4 K。高晓清等（2016b）通过对比我国格尔木荒漠地区光伏电站内外的土壤温度变化特征发现， 光伏电站内外浅层（5 cm、 10 cm）土壤温度日变化差异明显， 站内土壤温度日较差明显低于站外； 冬季， 5~80 cm土壤日平均温度明显低于站外。共和盆地荒漠区大型光伏电站使得10 cm、 20 cm和40 cm平均土壤温度分别降低17.20%、 16.75%和16.09%， 光伏面板对浅层土壤温度的影响大于深层（殷代英等， 2017）。有学者指出在温暖的季节， 光伏电站内光伏阵列下方更冷更干， 土壤温度明显低于光伏阵列空隙处和自然草地区（日平均降低5.2 K）； 秋冬季节光伏阵列下方和草地区的平均地表温度在整个日循环中比光伏阵列空隙处高1.7 K， 这可能是冬季太阳高度角比较低， 空隙地区接收的太阳辐射较少（Armstrong et al， 2016）。
以上研究表明， 光伏电站通过改变安装表面的反照率和表面粗糙度， 改变了原有辐射平衡和近地表流场， 影响环境气温、 土壤温度、 区域风模式， 进一步影响降水和蒸散发等。地表性质不同的地区， 感热、 潜热通量和其交换方式不同， 进而影响大气边界层湍流混合和水平平流（Doran et al， 1995； Miao et al， 2017）。因此不同下垫面光伏电站对大气边界层结构、 辐射强迫和局地气候的影响也有所差异。光伏面板转换效率不同， 也可能导致不同的气候效应。因此光伏电站对局地微气象的影响取决于光伏面板引起的反照率扰动、 背景气候条件和相关地形特征。
4.3 BIPV对城市热岛效应的影响
成本、 效率、 BIPV应用和存储系统是未来光伏应用考虑的四个主要因素（Raugei and Frankl， 2009）。BIPV系统作为光伏技术的一种应用， 将光伏面板安装在建筑物表面上， 使建筑物从能源消费者转变为能源生产者， 不仅利用了大量屋顶空间， 节约了地面空间， 还可以满足建筑物的部分负荷需求（Peng et al， 2014； Tripathy et al， 2016）。鉴于其优势和发展空间， BIPV在过去的十几年中引起了越来越多的关注， 但是BIPV通过增加或改变城市地区传统的建筑元件， 将入射太阳辐射转化为电能， 并向周围环境释放热量， 改变了城市净输入能量， 进而影响城市气候。目前国内外很多学者研究了BIPV对城市小气候尤其是城市热岛效应的影响， 他们主要关注光伏系统对城市热量、 环境温度的影响。
Genchi et al（2003）指出在东京城市屋顶安装反照率和转换效率分别为0.2和8%的光伏面板， 可使白天感热通量增加约40 W·m-2， 但对城市热岛（Urban Heat Island， UHI）的影响可以忽略不计。而Cortes et al（2015）发现在晴朗的天气条件下， BIPV可降低日本大阪市的感热通量， 对应建筑物表面温度、 城市冠层气温也有所降低， 夜间BIPV冷却效应可达0.4 K。一些模拟研究也表明， 夏季光伏屋顶能够明显缓解局地UHI效应， 白天城市冠层气温降低0.2~0.4 K， 夜间这种冷却效应可达0.3~0.7 K， 而冬季由于太阳高度较低， 对气温影响较小（Scherba et al， 2011； Masson et al， 2014； Salamanca et al， 2016）。一维热传导模型显示屋顶光伏阵列下方白天热通量显著降低， 温度比暴露屋顶低2.5 K， 夜间光伏阵列下方温度则高于暴露的屋顶（Dominguez et al， 2011）。
Nemet（2009）预期转换效率为28%的太阳能板可对美国洛杉矶产生0.2 K的降温效应。而Taha（2013）的模拟试验则表明， 转换效率为10%~15%的太阳能光伏装置就可使洛杉矶地区降温0.2 K， 他还指出， 美国城市地区平均反照率为0.18， 即使是转换效率较低（如10%）的光伏面板， 对UHI也不会产生负面影响； 但对于反照率较高（0.25~0.28）的地区， 光伏转换效率达到17%~20%时， 才可避免UHI效应的加剧； 此外光伏面板转换效率从5%增至50%， 光伏冠层气温仅降低1.1 K。天津大学研究团队在城市冠层模型中研究了BIPV对天津市冠层小气候的影响， 模拟结果表明原屋顶表面吸收率高于0.65时， BIPV能够减缓天津市UHI效应（Wang et al， 2006； Tian et al， 2007）， 但光伏组件对城市冠层气温的影响微乎其微。Scherba et al（2011）发现在黑色屋顶安装光伏面板对日感热通量峰值的影响可以忽略不计， 但总感热通量平均下降11%； 在白色和绿色屋顶上安装光伏面板后， 日感热通量峰值和总感热通量均有增加。
光伏系统对城市温度的影响除了与屋顶表面反照率和光伏转换效率有关， 还与城市气候背景有关。Burg et al（2017）评估了美国不同城市气候下BIPV对辐射强迫的影响， 发现在较冷的温带气候条件下， BIPV产生局地表面加热效应， 增加区域UHI效应和总体变暖的可能性； 在温和的气候条件下， BIPV的表面加热对UHI效应和总体变暖的贡献是有限的， 这与前文所述Taha（2013）的研究结果一致； 而在温暖的气候条件下， 由于建筑所需冷负荷越来越多， BIPV的表面加热效应和UHI效应越来越明显， 对总体变暖的贡献也更加显著。BIPV热效应与光伏系统转换效率密切相关， 转换效率越高， 部署面积越小， 导致的辐射强迫相应更少。
此外， 由于路面人行道站所占城市表面比例非常高（为30%~45%）， 在城市气候中扮演着非常重要的角色（Akbari and Rose， 2001）， 因此有学者研究了城市道路部署光伏面板的气候效应。Golden et al（2007）的实验分析表明， 当路面被光伏面板遮挡时， 路面温度比完全暴露的路面温度低13 K。雅典某些区域内引入光伏面板后路面温度也降低5 K， 环境温度降低接近1 K（Efthymiou et al， 2016）。
综合以上文献， BIPV对城市气候的影响不仅与光伏面板技术参数如反照率、 转换效率有关， 还与城市的原有反照率、 背景气候、 地理位置、 地形、 规模等属性有关。大部分的研究表明， 当光伏面板有效反照率高于城市原有反照率时， 将冷却城市环境， 减缓UHI效应。
5 总结与展望
已有的大规模光伏气候效应研究大部分基于干旱半干旱的荒漠地区和城市地区， 光伏系统对局地气候的影响不仅与光伏面板的性能（主要是反照率、 转换效率）和部署规模有关， 还与陆面特征（如反照率、 粗糙度）和区域气候、 地形条件等有关。如文中所述， 光伏面板作为光伏电站内的能量交换表面， 其特殊性质（如低反照率、 低热容）等引起的热力学特性和粗糙度增加导致的动力学特性， 改变了光伏电站内近地表辐射强迫和湍流输送， 对光伏电站内能量平衡过程产生深刻影响， 从而影响局地气候。通常， 荒漠地区光伏电站内白天辐射强迫和感热通量增加， 近地表气温也相应增加； 而对于大部分城市地区， BIPV可在一定程度上减缓城市热岛效应。
现有文献表明， 与传统的化石燃料相比， 大规模光伏面板部署可减少二氧化碳的排放， 能够有效减缓全球变暖（Hernandez et al， 2014）， 光伏面板导致的反照率变化对全球平均气温的影响仍然远远小于传统化石燃料燃烧排放的二氧化碳的影响（Nemet， 2009； Hu et al， 2016； Seneviratne et al， 2016）。未来， 全球能源需求将持续增长， 可再生能源占比越来越大， 光伏发电装机容量必然持续增加， 导致更多的土地利用和土地覆盖变化， 因此需要对光伏电站局地及全球气候效应进行更加深入的研究， 有待加强不同下垫面光伏系统气候影响机理的研究， 建立更加精确的光伏电站参数化方案。尤其是干旱半干旱地区的荒漠地区虽然太阳能资源丰富， 是建立大规模光伏电站的理想区域， 但同时也是生态脆弱区（吴川东等， 2021）， 深入了解荒漠地区光伏电站陆面过程特征和气候效应， 有助于科学认识光伏产业的发展， 为太阳能资源开发和生态环境保护提供理论依据和科学基础。