气候变暖加剧全球屋顶光伏高温风险、性能衰减及成本上升

《Joule》：Climate change will increase high-temperature risks, degradation, and costs of rooftop photovoltaics globally

本刊推荐：为应对气候变化对可再生能源资产的潜在威胁，研究人员针对屋顶光伏(PV)系统在高温环境下的可靠性展开全球尺度研究。通过结合全球气候模型(CMIP6)、光伏物理化学降解模型(Arrhenius模型)和经济模型(LCOE分析)，发现全球变暖将显著增加屋顶光伏面临的高温风险(HTR)，加速其性能衰减，并提高其平准化度电成本(LCOE)，尤其在发展中国家地区更为突出。该研究强调了基于历史气候数据的国际标准(IEC-63126)亟需更新，对确保能源转型的稳健性与公平性具有重要意义。

　　

随着全球能源转型进程的加速，太阳能光伏(PV)已成为替代化石燃料的关键技术。仅2024年，全球太阳能光伏投资就高达5000亿美元，预计到2050年，其装机容量将从目前的1太瓦(TW)激增至20-75太瓦。其中，屋顶光伏(RPV)占据着举足轻重的地位，约占全球光伏总安装量的40%，并有望在2050年达到50%。这些资产设计寿命长达数十年，其长期可靠性对于成功脱碳至关重要。

然而，一个潜在的巨大风险被长期忽视：气候变化本身。光伏面板的性能、可靠性和寿命会因其工作温度升高而显著降低。高温不仅会瞬时降低其发电效率，更会通过水解老化、紫外线(UV)分解和热机械老化等热激活过程，加速材料的物理化学衰减，导致故障率上升和寿命缩短。这种高温风险(HTR)对于屋顶光伏尤为严峻，因为出于美观和抗风考虑，其安装间隙通常较小，导致散热条件更为苛刻。现有的国际标准(如IEC-63126)虽然定义了HTR（指光伏组件工作温度的第98百分位数(T₉₈)超过70°C）并提供了基于历史气候数据的风险区域地图，但这些标准并未考虑未来气候变化的影响。这意味着，当前部署的数十亿美元的光伏资产，正面临着与其设计预期不符的未来气候条件的严峻考验。在此背景下，吴浩驰、Mingyang Sun、Michael T. Craig等研究人员在《Joule》上发表了他们的研究成果，首次在全球尺度上量化了气候变化下屋顶光伏的高温风险、衰减及其经济影响。

为开展研究，作者团队开发了一个综合的分析框架。关键技术方法包括：1） 利用20个CMIP6全球气候模型的偏差校正和统计降尺度数据，模拟不同增温情景（相对工业化前水平1°C至4°C）下的未来气象条件；2） 建立屋顶光伏运行模型，基于气象输入（太阳辐射、风速、气温）计算组件工作温度和发电量；3） 采用基于物理化学的Arrhenius降解模型，根据组件工作温度和相对湿度估算性能衰减率；4） 构建平准化度电成本(LCOE)经济模型，量化加速衰减对光伏成本的影响；5） 结合共享社会经济路径(SSP2)下2050年的全球人口分布数据，评估区域光伏产能潜力及气候风险暴露的不平等性。研究主要聚焦于倾斜屋顶安装的晶体硅(c-Si)光伏组件，同时也对平屋顶安装方式及不同技术路径进行了敏感性分析。

气候变化增加全球屋顶光伏的高温风险

研究结果显示，气候变化导致的升温将使全球大部分地区的屋顶光伏面临更高的HTR和极端HTR（T₉₈ > 80°C）。

与历史气候（约0.8°C升温）相比，在2°C和4°C升温情景下，全球暴露于HTR的屋顶光伏潜在容量比例将分别从28%增加至40%和62%，暴露于极端HTR的比例则从2%增至5%和11%。当前IEC标准地图仅能识别出未来2°C和4°C升温下实际风险的74%和48%，表明其严重低估了未来风险。区域分析表明，北美、地中海、南亚、东南亚和南美洲等地区风险增加尤为显著。

高温风险增加导致屋顶光伏成本上升

高温加速了光伏组件的老化和降解，缩短了其服务寿命，并减少了全生命周期的发电量，从而导致LCOE上升。在2.5°C升温下，全球面临HTR的城市平均LCOE将增加4.8%（5th-95th百分位区间为0.6%-20.0%）。

升温越高，T₉₈值越大，降解速率越快，LCOE增幅也越大。与以往仅关注太阳辐射变化和温度对效率影响的研究相比，纳入高温导致的加速降解后，许多地区（如北美、澳大利亚）的成本增幅更大，且不同气候模型间结论的一致性更高。

屋顶光伏成本上升在全球范围内分布不公

气候变化对屋顶光伏的影响存在显著的区域不平等性。对全球3000个城市的分析发现，历史气候下，亚洲、非洲和中东的更多城市已面临HTR和较高的LCOE。在未来气候变暖下，虽然面临HTR的城市范围扩大，但风险分布依然不均。例如，在2°C升温下，亚洲面临HTR的城市比例将从36%升至47%，而北美和欧盟则从13%升至33%。更重要的是，经济欠发达地区（人均GDP较低）和气候脆弱性更高的地区，将承受更大幅度的LCOE增长，这加剧了全球能源转型中的不平等。

未来晶体硅、薄膜光伏及平屋顶安装的光伏面临类似的经济风险

敏感性分析表明，对于不同的晶体硅技术发展路径（不同的基础降解率R_d和表观活化能E_a）以及薄膜光伏技术，气候变化导致HTR增加进而推高LCOE的定性结论是稳健的。平屋顶安装的光伏虽然整体风险低于倾斜屋顶，但其暴露于HTR的容量比例在2.5°C升温下仍会从历史时期的8%翻倍至14%，且区域不平等性依然存在。

本研究首次在全球尺度上揭示了气候变化对屋顶光伏可靠性和经济性的重大威胁。研究结论强调，基于历史气候数据的国际标准已无法适应未来的气候现实，亟需更新以反映升温下的高温风险地图。这不仅关乎投资安全，也关系到全球脱碳进程的稳健性。加速降解可能导致光伏资产提前退役，产生搁浅资产，并增加对光伏材料的需求，从而凸显光伏循环经济的重要性。尤为重要的是，气候变化将加剧屋顶光伏性能的区域不平等，对低收入国家和脆弱地区的能源可及性与能源安全构成额外挑战，阻碍公正的能源转型。为此，研究人员呼吁各国政府、国际捐助者和私营部门合作，推动针对高温风险的适应措施，例如开发和推广耐热光伏技术、改进组件冷却方案，并为脆弱地区提供专项支持，以确保全球能源转型既快速又公平可靠。这项研究为光伏产业的气候适应战略提供了坚实的科学基础，指明了标准更新和技术创新的紧迫方向。