公路太陽能發電的環境影響綜述及發展對策

陳學平，簡 麗，陶雙成，顧曉鋒，李濱杉

（交通運輸部科學研究院，北京 100029）

0 引言

太陽能作為一種重要的可再生能源，取之不盡，用之不竭。充分利用公路路域土地開發太陽能資源，對平衡公路行業能源需求、實現“碳中和”目標意義重大。近年來，太陽能光伏發電的裝機容量呈指數級增長，公路行業也充分認識到太陽能資源的開發價值，在行業及各地區建設實踐中給予高度重視并已取得了一定的發展成效[1]。

公路光伏在我國受到關注較早，最早報道見于1993 年，《太陽能》雜志上介紹了瑞士利用高速公路與鐵路的聲屏障架設光伏板，建成100 kW的聯網光伏發電系統案例[2]。直至2003 年，隨著我國高速公路建設規模的擴大，公路沿線較為分散的應急救援電話的供電問題提上議程，開啟了國內公路光伏供電的應用[3]。隨著高速公路建設的快速發展，光伏發電逐漸應用于公路監控系統[4]、照明系統[5]、收費站供電[6]、路側綠化帶灌溉[7]等；安裝場地涵蓋了公路服務區[8]、收費站建筑屋頂[6]、停車場車棚[9]、路面[10]、聲屏障[11]、公路邊坡[12]等。公路光伏發電多屬于分布式發電，發電設施直接布置在配電網或分布在負荷附近，具有經濟、高效、可靠的特點[13-14]。在國家對分布式光伏發電上網激勵機制下[15]，分布式光伏發電近年來得到較大發展，成為交通行業實現“雙碳”目標的重要技術手段。隨著光伏設施并網建設成為趨勢，交通與能源得到深度融合發展，一些公路運營機構將分散的建設項目整合，實現光伏發電項目的專業化、規?；l展。如2019 年，湖北省101 個高速公路沿線分布式光伏發電站建成并網運營，涵蓋了沿線50個收費所、32對服務區屋頂和19 座隧道[16]，山東省、甘肅省也有類似舉措。

2022 年，《國務院關于印發“十四五”現代綜合交通運輸體系發展規劃的通知》提出“鼓勵在交通樞紐場站以及公路、鐵路等沿線合理布局光伏發電及儲能設施”，促進了公路光伏發電的發展。山東、甘肅等多地提出交通能源融合發展規劃，山東省還率先印發了地方標準《高速公路邊坡光伏發電工程技術規范》（DB 37/T4516—2022）。當前山東、河北、山西三省在建總裝機容量已超400 MW。這些地區除了利用公路服務區、收費站等建筑屋頂、停車棚、空閑場地外，還大量利用公路邊坡及路側空地布設光伏，以將多個建設項目協同起來建設的中型（1～30 MWp）與小型（＜1 MWp）分布式光伏系統為主，多為自發自用和余電上網類型。在公路光伏發展早期，以自發自用儲能式發電方式為主，隨著交通與能源的融合發展，逐漸采用光伏發電、釩液流電池儲能、公共電網相結合的光儲網一體化規劃的建設模式[9]，發展至今則包括風光互補[17]、風光地熱互補等多源融合的網-荷-儲[18]分布式光伏系統模式；裝機容量從小型離網式向大中型并網式高效調能系統轉變；發電場地從設施點位、場站，擴展到涵蓋公路路面、邊坡、中央分隔帶、路側空地等全路域。一些地區的公路光伏發展規劃從路內拓展到路外，高效地利用公路沿線一些荒地資源，擴大公路光伏發電供能的服務范圍，并從滿足單一功能向綜合供電功能（如服務區污水處理、照明、餐飲熱水、汽車充電等）方向轉變。

我國公路光伏發電早期研究主要聚焦于應用層面，如針對具體應用形式、應用場景，研究匹配的光伏發電方案，評估發電效果及與設施功能的匹配性，提出單獨太陽能光伏或風光互補型供電方案，如計算太陽能光伏電池陣列的發電量、蓄電池容量、風力發電量及監控設備用電量的匹配性，并優化相關配置方案[19]等。關于公路與光伏設施的協同發展僅有少量研究，如李根森等結合山地并網光伏電站地形、方陣布置、逆變器和箱變設置位置、集電線路走向等諸多因素，綜合考慮道路選線、縱斷面及橫斷面設計參數的選取等，提出山地并網光伏電站道路設計要點[20]；邢曉光等提出同步布設邊坡防護和截排水措施，在光伏板下緣布設碎石以減弱雨水的沖刷，恢復植被及控制喬灌木等策略[21]；還有學者針對光伏工程的施工擾動影響評價、基礎樁基形式（螺旋鋼樁、混凝土灌注樁、鋼筋混凝土樁）與水土流失影響特征、植被措施的水土保持性能等開展研究[22-24]。

總的來看，當前國內外對公路行業光伏建設的研究尚處于起步階段。光伏發電作為具有潛在環境收益的能源生產方式，其應用的光伏組件本身也是一種高污染的產品，開展相關環境影響與效益的研究對交通能源融合發展有著重要意義。國內外圍繞大規模光伏電站建設、運營、停用等全過程對自然環境、土地使用、常規和意外污染物的釋放、視覺、自然資源消耗、空氣污染、光和噪聲干擾、廢棄物管理、生物多樣性、水資源利用與污染、城市“熱島”效應、氣候變暖等方面的影響開展了大量基礎研究[25-27]。隨著交通與能源的深度融合發展，公路行業需要充分認識大規模光伏布設的潛在環境影響，提升對其環境風險與收益的認識廣度與深度，增強對光伏發電技術跨行業交叉特征、技術發展挑戰、環境影響特征及法律要求等的全面審視，以便在光伏設施建設早期明確發展方向，指導行業交通與能源融合實踐。為此，本文重點對公路光伏潛在的環境、生態與氣候影響進行綜述，并對其在公路行業大規模應用的環境保護路線與對策等進行展望，以期為交通與新能源融合發展提供參考。

1 公路太陽能發電技術應用的減排效益

公路太陽能發電利用路域土地，安裝太陽能設施，開發太陽能資源，為公路設施及車輛營運等提供能源。光伏發電利用的太陽能是一種可再生能源，可替代化石能源消耗而產生效益。太陽能設施組件的生產、安裝及運營過程會消耗能源。此外，設施與公路系統對周邊生態環境、氣候也會帶來疊加影響。國內外針對太陽能電站建設（含組件產品的生產）的全過程環境影響及對設施場站的生態環境、氣候影響方面開展了大量研究。

太陽能發電技術通常分為兩大類，即光伏（Photovoltaics,PV）系統和聚光太陽能發電（Concentrating Solar Power,CSP）系統，其中：光伏系統使用電池將陽光轉化為電流；聚光太陽能發電系統使用反射表面將陽光集中到接收器上加熱，驅動蒸汽渦輪機發電[26]，實踐中光伏電池發電應用較多。光伏電池中，晶體硅光伏電池和薄膜光伏電池因光電轉換效率、技術成熟度、環保性與經濟性能等的差異而存在應用程度的不同，且技術轉換快[28]。2013 年，晶體硅光伏電池的市場占比約為91%，且以多晶硅光伏電池為主，占比達55%[29]；到2021 年，單晶硅光伏電池技術逐漸取代了多晶硅光伏電池技術[28]；薄膜光伏組件質量較輕，在光伏建筑一體化中應用較多。晶體硅電池封裝后的典型結構類似三明治，自上而下包括封裝玻璃蓋板、EVA（乙烯與醋酸乙烯酯的共聚物）、電池片、EVA 和TPT（聚氟乙烯復合膜）背板[30]。光伏產品生產過程中會產生多種重金屬污染，如鎳、汞、砷、鎘、鉻等，不同產品的污染性有所差異[27]。

光伏發電作為燃煤發電的替代方式之一，其產品與原料生產、使用到退役過程的資源消耗、污染物及溫室氣體碳排放等環境影響問題較受關注，在國內外已得到大量研究，為公路光伏發電的設備選型與環境效益評價提供了基礎。國際標準化組織發布的生命周期評估方法（Life Cycle Assessment,LCA）標準（ISO 14040～14044）是光伏組件生產、使用和退役方案環境分析的基礎方法，其規定了評價步驟及相關數據采集要求[31]。生命周期評價需要評估功能單元的資源消耗、廢物及廢氣排放等指標，其中常需要做一些假設。在比較LCA 研究時，為確保公平與可比性，對所有假設均須進行詳細分析，否則同一產品或處理過程的評估結果可能完全不同。為此，需制訂評價指南以確保同樣的方法與產品有相似的比較假設。國際能源署（The International Energy Agency,IEA）光伏發電系統項目組（IEA Photovoltaic Power Systems Programme,IEA-PVPS）2011年制訂了專門針對光伏設施的評價指南，結合光伏產品的溫室氣體排放強度、能量償還期、受地區影響的太陽輻射能量條件、電池類型（晶體硅或薄膜）、光電效率、能耗回收比、電池和系統平衡模塊（BOS）的衰減率、預期壽命、生產用能、系統類型（固定傾斜或跟蹤器）、安裝地點（如屋頂、地面等）、性能比等展開評估[32]。IEAPVPS 2020 年已發布了最新的“光伏發電生命周期評價方法指南”報告第4 版[33]。該指南不涵蓋臨時電力存儲與混合光伏的應用，這意味著針對應用于公路行業的非聯網的自發自用和儲能調配，以及為滿足地方系統用電需求的風-光-熱等綜合供能系統，還需要制訂適合本行業光伏建設特點的LCA評價方法與指南。

Bhandari[29]等對2000—2013 年間的相關研究進行了系統綜述與分析，采用協調法計算了晶體硅和薄膜光伏技術的嵌入能量、能量償還期（Energy Payback Time,EPBT）及能耗回收比（Energy Return on Investment,EROI）等指標，其設定的基準參數如下：性能比（0.75）、系統壽命（30 年）、日照量（1 700 kW·h·m-2·yr-1）、模塊效率（單晶硅電池13.0%，多晶硅電池12.3%，碲化鎘10.9%，非晶硅6.3%，銅銦鎵硒化物11.5%），分析結果整理見表1。

表1 各類光伏電池的主要性能參數研究結果整理表[29]

從表1可知，各種電池內耗能、能源償還期、能耗回收比差異較大，各指標的最大值是最小值的4 倍左右，公路行業發展光伏如何權衡相關性能指標尚需要綜合性研究。

針對光伏與其他發電技術碳足跡排放的差異，目前已取得一些研究成果。Tawalbeh 等研究發現，光伏系統碳足跡排放量為14～73g CO2eq/（kW·h），僅為化石燃料能源的燃油排放量（742 g CO2eq/（kW·h））的1.9%～9.8%[27]；Li 等研究發現光伏發電的溫室氣體排放強度（16.0～40.0 g CO2eq/（kW·h））與風力（16.4～28.2 g CO2eq/（kW·h））相當，略高于核電（10.9～13.9 g CO2eq/（kW·h））和水電（3.1～3.9 g CO2eq/（kW·h）），但顯著低于火力發電（810～820 g CO2/（kW·h））和生物質發電（約200 g CO2eq/（kW·h））[34]；謝澤瓊等研究發現10 MW 光伏并網電排放為98.4 g CO2eq/（kW·h），相對燃煤發電仍可減少約90.3%的CO2排放量[35]；Kabakian 等研究發現即使采用帶鋰電池或鉛酸電池儲能的光伏技術系統，也較現有化石燃料發電環境影響更小[36]。

光伏設施會占用土地，在高速公路邊坡發展光伏的土地利用效益巨大[12]，Vasilis 等提出用土地能效指標（W/m2）衡量單位土地面積的發電效率[37]。Tawalbeh 等對各種類型太陽能發電的土地需求進行了整理，結果見表2[27]。

表2 不同規模（裝機容量）太陽能發電技術的土地需求[27]

從表2可以看出，不同技術類型（裝機容量）的太陽能發電對土地占用的需求不同，由于公路行業普遍采用的是分布式光伏發電，這種發電模式下對路域土地的開發效率關系到土地能效指標，但迄今仍缺乏相關研究。

總的來看，公路太陽能發電的項目地點（緯度與太陽高度角）、場所（屋頂或地面）、受公路走向與坡向共同制約的光伏組件朝向、與公路能源調配成效緊密相關的發電利用效率、與路域天氣及污染狀況等相關的性能比、聯網或并網方式、安裝容量等均直接影響該技術應用的能源償還期、能耗回收比、土地能效指標等關鍵指標及其產能效益。光伏技術較燃油、燃煤等發電技術可大幅減少溫室氣體排放，通過進一步優化設計、發展新型材料、減少有害物質、循環利用、精心選址可大幅降低其對環境的負面影響[27]。但當前在公路光伏發電生命周期評價方面仍缺少相關研究與指南。山東省地方標準《高速公路邊坡光伏發電工程技術規范》（DB 37/T4516—2022）建議在東西走向的南向路基邊坡上布設光伏設施，從場地發電效益最大化角度提出的這一布設原則，會使可供布設的公路及場地大幅減少。如何實現路域場地太陽能資源的高效開發，提高單位土地能效指標，仍需進一步研究。此外，光伏組件采用太陽跟蹤技術與否對節能減排效益影響甚大，但太陽跟蹤技術是否適用于公路行業缺乏公開的文獻報道。

2 公路太陽能發電設施建設對生態環境的影響

2.1 設施布設對周邊生態系統，尤其對野生動物產生影響

早在20 世紀80 年代，國外就已開始關注太陽能設施對野生動物的影響，最早的研究是針對鳥類的影響與保護[38]，但迄今對其如何影響仍缺乏研究，Chock 等提出應優先專注于對動物行為的影響研究，即在記錄致死率或其他健康后果之前先識別動物種群的反應，通過動物行為研究可以了解太陽能設施導致的負面反饋（例如碰撞、燒焦、回避）機制，為提出緩解措施提供依據[26]。這一觀點為更好地了解太陽能設施對野生動物的影響、解決關鍵問題提供了思路。

許多動物依賴光的獨特特征——偏振方向獲取信息，光伏設施可以反射水平偏振光，產生偏振光污染（Polarized Light Pollution,PLP），可使光伏組件呈現出水體特性而對水中產卵的昆蟲產生吸引，進而成為昆蟲的生態陷阱，導致其繁衍失敗或直接死亡，使種群迅速減少或崩潰；這種特性常會吸引蜉蝣（蜉蝣目）、石蠅（毛翅目）、長足虻及虻（雙翅目）等昆蟲，致使這些昆蟲在繁殖前死亡或在不合適的位置產卵，從而對種群造成極大危害[39]。PLP 對偏振光敏感類群誘發的不良適應行為，可改變生態的相互作用關系，PLP 導致的死亡率可能威脅到一些瀕危水生昆蟲種群，并進一步對以這些昆蟲為食的食肉動物（如蜘蛛、鳥類、蝙蝠）等產生影響[40]。

Grodsky 等采用藍翼誘捕器捕獲研究了不同太陽能發電建設方案（包括植被清表與修剪兩種場地準備措施、一種場地植被斑塊恢復措施）對非蜂蟲傳粉者的影響，發現太陽能開發對包括甲蟲、蒼蠅、蛾和黃蜂等在內的非蜂蟲類傳粉者可產生負面干擾作用，在太陽能發電場內建立小棲息地斑塊在很大程度上不支持非蜂蟲花傳粉者，沙漠中太陽能開發對非蜂蟲傳粉者的影響可能會對生物多樣性產生連鎖效應，造成依賴昆蟲傳粉的全球瀕危和高價值仙人掌種群的潛在減少[41]。Conkling 等優選了在美國加利福尼亞州風能和太陽能設施中死亡的23種鳥類，評估了其種群脆弱性，結果表明這些物種中有48%在種群數量水平上容易受太陽能設施影響；可再生能源的影響范圍遠超出能源生產地，甚至影響了大陸遷徙網絡中遙遠地方的鳥類種群[42]。

為了解決太陽能設施建設與野生動物的沖突，美國各級自然資源管理部門建議在光伏建設前開展野生動物影響風險評估，尤其關注其對鳥類、蝙蝠等的影響，要求施工前和施工后進行野生動物調查，并提出避免或減緩影響的措施或指南[43]。美國地質調查局的缺口分析（Gap Analysis）項目開發了全國脊椎動物潛在棲息地的空間模型，制定了設施選址決策指導意見，豐富了相關指南[44]。

2.2 設施建設會造成土壤擾動，影響生態系統的服務功能

光伏電站施工涉及道路修筑、光伏板區場地平整、光伏板支架基礎施工、逆變器室建造、電纜溝基礎開挖、土方回填、設備安裝等，不可避免會占用土地、改變地表植被狀況，導致水土流失。公路路域光伏組件布設通常有兩種方案：一是光伏設施與公路建設同步；二是在已運營公路沿線邊坡安裝光伏設施。

光伏設施與公路同步建設時，其會對局域生態系統服務功能產生影響，而影響性質與原占用土地的類型有關。Walston等研究發現，占用農業用地建設光伏使土地類型轉化為草地，使棲息地傳粉者供應增加了3倍，碳匯潛力增加了65%，泥沙和水分滯留率分別增加了95%和19%[45]。Hernandez 等研究表明沙漠區太陽能光伏板的遮陰性能顯著提升土壤中植物種子庫的豐富度[46]。

在既有坡面安裝光伏設施可能對原地表植被生長、水土流失等產生一定影響。有研究表明，光伏面板作為集流面可收集雨水及面板的清洗污水，增加光伏面板間擾動土地的土壤含水率；光伏板的遮陰可降低地表蒸發，有利于植被恢復[47]。光伏發電站可改善高寒荒漠草原植物生長所需的環境因子，增加土壤水分，起到保育脆弱生態系統和防風固沙的作用，促使荒漠草原朝著正向演替發展，光伏電站的圍封和光伏電廠建設區植被群落的植物種數、蓋度、地上生物量、豐富度指數、土壤含水量、有機質和全氮逐漸升高[48]。還有學者開展了有效利用光伏板收集雨水資源進行農業灌溉的研究，分析了區域降雨強度與集雨效率的關系[49]。關于光伏板布設對風力侵蝕方面的研究較少，陳曦等研究表明，光伏陣列中輸沙速率低于開闊場地，輸沙率隨高度的增加而減小，在光伏板底部會形成氣流加速區，加重底部風蝕；光伏板向風邊緣區是光伏電站防止風蝕的關鍵部位；當陣列行距為20 cm時陣列輸沙率最高[50-51]。

光伏板大小、陣列形式等對公路坡面降水徑流、水土流失及植物生長等有正面或負面影響，其影響程度與區域氣象條件、坡面穩定性、土壤可蝕性及植被特征等因素有關，但這方面尚缺少研究。此外，公路邊坡穩定性通常沒有考慮光伏板的重力荷載及受風力作用的荷載影響，二者在協同優化設計方面尚需適用指南與方法。

2.3 路域大量布設光伏設施影響地表反照率與光環境，對環境產生光污染與視覺影響

光伏電池封裝的玻璃蓋板等可反射部分陽光，產生亮光與眩光，大型光伏裝置的亮光/眩光可能產生嚴重后果，如可能對車輛駕駛人、空中交通管制員和在附近飛行的飛行員造成危害，導致其不適甚至失能[52]。國外重點關注了光伏布設對飛行員和空中交通管制人員的潛在危害，如美國聯盟航空局報道每年有10多起空中事故與眩光影響有關[53]。當前，國外已針對光伏組件反射的亮光/眩光的危害開展研究評估，開發了相關分析模型與軟件，可用于評估和緩解機場太陽能發電的眩光對鳥類的潛在危害[54]。

此外，還有國外學者選擇了不同商家的光伏組件產品，涵蓋光滑到粗糙的表面紋理，測定了其反射率、表面粗糙度和反射太陽光束擴展性等，并分析各指標對光伏組件蓋板的透射率、眩光及對眼睛的影響，從而指導光伏表面紋理的設計，提高透射率，并將亮光/眩光降至最低[52]。我國相關研究較少，僅有部分學者針對高架車站與光伏發電結合的光污染治理提出思路[55]，也有研究人員結合市場上光伏板的減反射特性、反射率，對建筑光伏一體化應用對城市的光污染進行分析[56]，如宮盛男等通過Ecotect 軟件進行道路采光對比模擬實驗，研究了城市道路上方架設光伏設備對道路光環境的影響，探討了不同支架高度下覆光伏板的最佳鋪設形式[57-58]。但這種在道路上方布設光伏板的形式很少見，應用范圍也較少。

光伏發電對視覺的影響評價在國外取得了一些研究進展，主要針對光伏一體化建筑（Building Integrated Photovoltaics,BIPV），研究玻璃顏色對視覺美學與舒適度的影響并開發一些影響評價的方法[59-60]。這些影響對公路服務區建筑設計具有一定參考意義。澳大利亞毗鄰高等級公路的太陽能發電站建設案例研究，表明光伏發電站的施工和運營對主干道上的交通流量沒有產生重大或可測量的影響，但建設方為了減少光伏發電站對道路交通及周邊居民的光污染影響，主動采取了多項措施，包括將視覺影響確定為高風險，并從多個視角點進行視覺影響評價，通過在光伏發電站旁側種植樹木以屏蔽視覺影響[61]。

公路光伏設施對光環境影響的研究尚未見報道，由于公路服務區場地大小有限，且主要以慢速交通為主，故光環境的負面影響較為可控；在野外布設時，結合既有研究可知，沿公路路域的光污染主要涉及對駕乘人員視覺舒適度及對所經區域的敏感居民區影響，國外在光伏對民航飛機的影響評價及減緩措施方面有一些研究成果，可為公路路域布設光伏提供參考。此外，對于光伏產品反射率，尚無規范明確要求進行標識，只有少數生產商在產品說明上提供相關指標說明，這不利于公路行業科學選擇相關產品類型。

3 公路路域太陽能發電對場地微氣候的影響

光伏電站改變了傳入能量反射回大氣或吸收、存儲和再輻射的方式，從而對局地氣溫、相對濕度、土壤溫度、風場、蒸發量等產生一定影響[62]。

光伏板遮陰效應在地表形成暗區，同時光伏板吸收輻照，影響地表對能量吸收、存儲以及長短波輻射的釋放，進而改變地表輻射平衡與區域氣候[63]。在荒漠區布設光伏系統的野外，研究顯示光伏電站內氣溫較站外高，如美國的莫哈維沙漠1 TW 的光伏電站使氣溫上升0.4 ℃[64]；對自然沙漠生態系統的研究顯示，夜間有光伏電站的地表溫度比荒地溫度要高3～4 ℃[62]。我國荒漠區光伏電站內外2 m 氣溫冬季白天基本相同，春、夏、秋三季白天站內明顯高于站外，四季夜晚站內2 m 氣溫值均高于站外，10 m 氣溫四季白天站內均低于站外，10 m 高度夜晚站內空氣相對濕度大于站外[65]。光伏板遮陰有利于降低下墊面（土壤、空氣）溫度并增加濕度，如依托格爾木大型光伏電站內外觀測資料的研究結果表明，野外布設的光伏電站內下墊面溫度明顯低于站外[63]；共和盆地荒漠區光伏電站內10 cm,20 cm,40 cm的平均土壤溫度分別較站外降低17.2%,16.75%和16.09%，10 cm 處的平均土壤濕度增加了71.61%[66]。針對太陽能光伏路面的研究表明，光伏路面的溫度比土壤及瀝青等其他材料路面要低[67]。光伏設施可減少太陽輻射，影響地表溫度與土壤水分。針對我國西北地區光伏應用，Wu 將能量平衡和水循環過程相結合，定量分析光伏板對其附近不同位置（區域）土壤小氣候、水分狀況的生態水文效應，對隨機生成的100 年氣候時間序列進行模擬綜合建模，研究結果表明，與對照區相比，光伏板中部和前部區域土壤含水量增加了59.8%～113.6%，土壤溫度降低了1.47～1.66 ℃，有效含水量是對照區的5～7 倍，有效輻射量減少了約27%[68]。沙漠上的大規模光伏太陽能發電場還可增加區域降雨量和植被覆蓋率，但更廣度上的生態環境卻出現了退化[69]。綜合來說，關于光伏電站對于不同尺度區域環境的影響并沒有定論，其主要機理是光伏組件的遮擋作用和對于太陽輻射的吸收轉換導致地表太陽輻射減弱，進而作用于周圍環境，引起生態環境氣候變化，物理機制較為復雜[70]；光伏電站對碳排放與地表能量收支平衡有一定的影響，對相關地區地表輻射水平、溫度具有調節作用，對荒漠地區的生態環境具有潛在的正面促進作用[71]。

光伏板遮蔽下土壤或建筑物溫度總體降低，土壤濕度增大，太陽電池板發熱會使臨近光伏板空氣溫度升高，光伏地表能量收支差異使氣溫隨著高度增加呈下降趨勢[62,65]。在高速公路服務區等建筑物較多的區域，通常充分利用建筑物（服務區房屋、停車棚等）屋頂布設光伏系統。研究發現，光伏板降低了屋頂溫度與室內降溫能耗，如在裝有光伏組件的黑色、白色及有植被的屋頂上較未安裝光伏組件的屋頂日最高氣溫可分別減少16.2℃,4.8 ℃及8.5 ℃[72]；夏季具有屋頂光伏組件的建筑物最多可以節約空調能源需求8%～12%，從而減少城市“熱島”效應[73]。依托相關模型的推演結果也顯示，當城市屋頂大規模布設光伏時，其降溫效應明顯；光伏系統對環境降溫效果受光伏效率與布置位置的綜合影響，在涼爽的城市（大量使用高反射屋頂和人行道的城市地區）和城市太陽能光伏陣列高密度部署的假設情景下，才可能會發生一些增溫效應[74]。

此外，光伏板布設還會對地表風場產生影響，但這方面的研究極少。楊若婷等研究了青海共和盆地固定支架式光伏陣列對陣內風場的影響，結果表明光伏陣列具有導向作用，光伏陣列整體對風速具有減弱作用，且減速率隨高度呈指數遞增關系，但20 cm 高度風速減弱作用具有很大的不確定性，甚至出現增強風速的作用[75]。

總的來看，當前光伏對氣候影響方面的研究主要聚焦于能源及建筑領域，能源行業主要關注風對光伏面板的除塵效應，及對光伏陣內地表起塵的影響；公路行業更關注光伏組件安裝的穩定性，避免對行車安全造成影響。光伏板對能量的吸收與反射，對建筑物或地表產生的降溫效應，可為公路服務區等建筑降溫、降碳設計提供借鑒，還可對多年凍土等特殊生境保護提供可行手段。同時，在公路邊坡布設光伏設施時，光伏板風荷載的加強會傳導并影響邊坡的穩定性，這方面研究尚待加強。

4 發展公路太陽能發電的環境保護路線與對策

4.1 環境保護路線

針對光伏發電的影響及其在公路行業利用中存在的問題與機遇，提出技術發展與環境協同優化路線，見圖1。公路路域光伏布設主要影響氣象條件、路域社會環境及自然環境等方面，公路光伏布設方案、產品組件類型選擇與光伏陣列等應以實現降低生命周期成本、能耗強度、碳排放強度為目標。同時，針對光伏組件對光反射的影響，包括光污染對野生動物和居民區等光敏感目標的影響，可通過方案優化減緩；針對光伏設施對降水資源、微氣候環境的影響，可從坡面防排水、防護工程、植物群落、“熱島”效應（含凍土保護）等方面緩解，實現公路工程與光伏設施的協同優化。

圖1 路域太陽能發電站建設環境保護路線圖

4.2 環境管理與技術對策

4.2.1 加強不同太陽能設施產品類型與建設方案生命周期評價比選，并強化其對道路使用者、路側居民區或其他敏感建筑光污染評估與防眩設計

首先，公路太陽能設施布設有行業自身的特殊性，公路系統內太陽能設施布設場地、位置以及地區經緯度、坡向不同，太陽能資源等也有較大差異，設施發電效率、土地利用效率、公路系統內部耗能特征及系統內外電力調配機制和方案等均會影響公路太陽能發電效益；不同太陽能技術與建設方案的生命周期成本與收益也有較大差異，亟需開展相關評估與緩解效應研究。

其次，不同于獨立建設的公路與光伏電站工程，公路光伏電站建設涉及駕乘舒適性，甚至生命安全。我國能源行業規范《光伏發電站環境影響評價技術規范》（NB/T 32001—2012）要求在光伏發電站環境評價中納入光污染評價，卻對如何評估光污染并沒有規范的方法。光污染防治標準尚未正式立法，但國內外已有一些研究實踐可供借鑒，且公路行業對開展光環境影響評估更迫切，需要強化研究，探索相關方法的適用性，為理順發展機制奠定基礎。

再次，太陽能發電產品類型多，不同類型的產品對公路的適用性有差異，需要制訂相關適用指南。有學者通過對跟蹤式與固定式太陽能發電系統進行研究，建議公路行業以跟蹤式為主開展技術的推廣應用[76]，但卻未見相關應用研究與實施效果的報道或評價。

最后，從國外路域太陽能設施發展來看，僅有個別光伏電站案例在路側實施，且開展了大量的調查評價與視覺遮擋處理，反映出其對毗鄰公路區域布設光伏電站極為慎重。交通行業裝機容量大，總體環境影響與環境效益不容忽視，需強化其對道路使用者、路側居民區或其他敏感建筑的光污染評估，同時結合公路所經區域的光環境敏感度，綜合考慮光伏板陣列、傾角與行車視線、太陽入射角度變化之間的關系，提高防眩設計能力，以緩解大規模布設光伏設施的光環境污染。

4.2.2 防止大規模太陽能設施建設對周邊保護區敏感鳥類與昆蟲的光學誘導吸引致死，強化產品類型準入門檻

光伏組件對光環境、偏振光污染影響效應差異大，造成動物致死方面也有差異，公路行業亟需建立產品的準入門檻，并盡量避開相關敏感鳥類分布區。如，聚光型發電站將太陽光反射于空域（“太陽通量”），導致飛入太陽塔周圍空域的昆蟲與鳥類被燒死[77]；大規模晶體硅光伏板布設在陽光照耀下會產生類似湖面的反射效果，使上空遷徙的水鳥產生誤判，進入光伏陣列而致死[26]。在一些鳥類保護區，依賴水面起飛和降落的專水性鳥類占比可達90%以上，在毗鄰這些區域的光伏電站可能會因鳥類飛入光伏陣列而大量死亡[45,78]。

光伏玻璃與空氣之間界面大約4% 的太陽光被反射[45,78]；在自然環境中，反射率與太陽光入射角有關，當入射角增加到70°時，光伏玻璃表面的反射率可達27%[79]。光伏電池的減反射性能，尤其是減反射膜的減反增透特性、在復雜氣候條件下的穩定性、耐候性、機械強度及多功能特性（如自清潔、防塵抗污和防潮等）等方面一直是材料科學、光學等領域的研究熱點[30]。減反射膜是一層折射率介于空氣和玻璃板之間的光學薄膜，能減少或消除光學元件表面的反射光，增加透光量[80]。此外，光伏電池表層封裝材料的厚度、表面結構、紋理等也會影響其透射率與反射性能[81]。雖然上述研究的目的在于提高太陽能利用效率，但隨著減反射性能的提高，也能有效減少光污染。如研究表明，采用能提高太陽能電池板能效的抗反射涂層，可減少其反射的偏振光量及對水生昆蟲的吸引力[82]。

防眩光涂層玻璃與抗反射涂層玻璃具有相似的透射率特性，但由于漫反射，兩者輸出功率相似時，防眩光涂層玻璃的反射率高于抗反射涂層玻璃，亮度值卻可降低約90%[83]。此外，通過模擬某些具有出色光捕獲特性的花卉花瓣表面的分層微/納米質地，將其應用復制到光伏聚合物覆蓋層，較無涂層玻璃覆蓋層功率輸出可增加5.4%[84]；通過對偏振敏感馬蠅（雙翅目虻科）和蜉蝣屬（蜉蝣目蜉蝣科）的野外實驗，進一步證實生物復制的覆蓋層對這些物種幾乎沒有吸引力，可有效減少偏振光污染，從而將對偏振敏感水生昆蟲生態和保護的不利影響降至最低[85]。還有研究揭示，具有非極化白框和白柵格的太陽能電池吸引的昆蟲數量僅是沒有白色邊框的光伏板吸引昆蟲數量的0.4%～0.9%[39]。

總的來說，不同太陽能設施產品反射性能指標差異大、對野生動物的影響方式也不同。一些光伏發電技術并不適于在公路行業推廣，一些發電技術則需根據公路的特點及周邊生態環境敏感性進行調整，避免成為鳥類等野生動物致死的陷阱。同時，當前不同太陽能技術在公路行業尚存在較大的模糊地帶，尤其在生態敏感區域的大規模應用對濕地保護區鳥類、昆蟲等存在偏振光或水面誤導影響的潛在風險，因此需要開展系統化評價，并建立規范流程，規避或降低生態風險。此外，從筆者開展的市場調查來看，當前只有少數光伏板生產廠家提供了反射率性能指標，大多市售產品的相關性能不詳，交通部門可通過規范要求公路行業應用提供相關性能的說明。

4.2.3 加強太陽能發電與公路行業的深度融合與協同優化，最大程度地發揮太陽能發電供能、降溫、減蝕等方面的積極效益

太陽能設施組件類型多，電池減反射性能差異大，不同類型產品環境效益、功率溫度系數、短路電流、開路電壓、單位功率面積、單位功率質量、電池數量、工作溫度和壽命、生命周期成本、能源回收期、能耗回收比等均有較大差異[86]。公路行業可充分發揮光伏發電在緩解氣候變化、實現交通領域CO2排放控制目標、保護凍土、防護邊坡穩定性等方面的積極效應，制訂具有區域性、行業性指導意義的建設指南，指導工程實踐。

光伏組件會改變坡面匯流形態、風力荷載、重力荷載，其影響與公路建設形式（涉路補建或同步建設）、風力或暴雨條件、土質條件等密切相關。不同坡面的穩定性、水土流失特征等差異較大，需要開展相關研究，制訂發展對策。

太陽能發電本身可以替代化石能源消耗，起到緩解氣候變化的作用，加強公路系統能源利用調配對提升發電效益具有重要意義。太陽能發電可為路域沿線設施用電、路域節水灌溉等提供清潔能源，同時可基于光伏板遮陰效應、發電效應，探索其在保護凍土路基穩定方面新的技術路徑；光伏板可改變水流流態，對降水資源重新分配，可利用其導排水流的集雨效應，探索有效促進干旱半干旱區植被恢復的新方法。

4.2.4 化解交叉行業環境影響風險，協同推進環境影響評價管理的科學化、規范化進程

太陽能組件對包括野生動植物在內的路域生態系統、水土流失、光環境等均會產生較大影響，這些影響具有行業交叉特性，交通與能源行業的環境影響特征存在一定差異，環境影響評價要求與緩解措施也有所不同?！豆夥l電站設計規范》（GB 50797-2012）規定電站建設應根據國家和地方環境保護行政主管部門的要求進行環境影響評價，所在地為山區、丘陵等水土易流失區域時，應按國家相關規定編制水土保護方案。協調好交通行業發布的《公路建設項目環境影響評價規范》（JTG B03—2006）、能源行業發布的《光伏發電站環境影響評價技術規范》（NB/T 32001—2012）、生態環境部對環境影響評價的要求等，需要進一步理順相關機制，化解交叉行業的環境影響風險。

公路光伏的大規模發展為公路行業實現“雙碳”目標帶來了機遇。隨著各地“自用為主，余電上網”型分布式光伏的分批建成并形成規模，其對區域生態環境、水土流失、電磁輻射與光輻射等的影響，以及對區域環境影響的特征也會隨之發生改變。交通部門需加強頂層設計，強化與能源、生態環境部門間的溝通協作，建立公路與光伏協同發展的環境影響評價方法，健全環境影響評價與管理機制，奠定交通與能源深度融合的法制基礎；在技術發展對策上，制定具有可持續性的區域性建設發展指南，提高公路光伏能效指標，緩解光伏與環境的潛在沖突；加強對市場上各類產品的技術參數指標等研究，篩選出能切實與交通行業節能減排目標相結合的，滿足公路防眩、視覺美學與舒適度、生態環保、發電效率等方面的需求特征，并能充分為未來性能提升預留發展空間的技術指標要求；重點加強交通行業對光伏技術、產品及布設規劃方案的引導，發揮光伏發電緩解行業氣候變化影響效應，利用光伏發電供能、光伏板遮陰土壤溫濕度調節、光伏板導排雨水徑流效應等，促進多年凍土路基防護，優化脆弱區邊坡水蝕防護，并促進植被恢復等積極效應，保障公路生態環境的服務功能。

5 結束語

公路與能源行業對于環境的影響特征、環境管理方式各有不同，目前研究主要集中在各行業的獨立影響層面，公路與太陽能設施的綜合環境影響研究還很少。設施的疊加對路域及路外生物多樣性帶來的影響、適用的產品類型技術及其生命周期成本、技術應用對公路地質/氣候/運輸安全的影響等方面，均需要開展大量的研究，提出相應的評價方法與技術指南，全方位厘清公路太陽能發電的環境影響，真正實現交通與能源深度融合以及交通可持續發展。