基于耦合进化博弈论和系统动力学模型的光伏组件回收合作创新：碳政策调控下的研究

《Computers & Chemical Engineering》：Cooperative Innovation in Photovoltaic Module Recycling Based on a Coupled Evolutionary Game Theory and System Dynamics Model under Carbon Policy Regulation

　　徐 Zhu | 周小云 | 李一辰 | 孙圆圆 | 张月 | 徐文 | 白璐
中国环境科学研究院环境标准与风险评估国家重点实验室，北京 100012

**摘要**
随着大量全球光伏组件进入寿命终结阶段，通过协同技术创新促进绿色和低碳回收变得越来越重要。然而，这一过程受到利益相关者之间利益冲突和政策协调不足的制约。因此，本文采用碳政策调控的视角，重点关注政府、光伏制造商和光伏回收商。通过构建一个将进化博弈论与系统动力学相结合的模型，系统地探讨了这三方之间的战略互动演变模式。该模型建立了相应的收益矩阵和复制动态方程，以求解系统的进化稳定策略，从而进行数值模拟和因果反馈分析。模型参数主要来源于中国的碳交易市场数据、光伏行业统计年鉴以及代表性企业的合作项目案例研究，确保了模拟结果的科学有效性和可靠性。研究结果表明，碳政策调控显著影响企业的协同创新策略。当背叛的惩罚超过合作的净成本时，系统会演变为一个稳定均衡状态，其中政府实施监管，制造商和回收商都选择协同创新；相反，系统会陷入“囚徒困境”。敏感性分析指出，合作成本、补贴强度、碳税率、碳交易价格和惩罚力度是合作创新的主要驱动因素。系统动力学模型揭示了政策调控与市场机制之间的复杂相互作用。据此，本研究建议实施动态碳政策调整，建立公平的利益共享和成本分配机制，促进光伏行业的绿色设计，以推动全球光伏行业的可持续和低碳发展。

**引言**
在全球碳中和和能源转型的背景下，光伏发电已成为绿色和低碳发展的关键支柱（Ludin等人，2018年）。过去十年中，光伏在新可再生能源安装中保持了高份额和快速增长。预计到2030年，全球装机容量将从2020年的760.4吉瓦增加到1600吉瓦（Yin等人，2025年）。由于光伏组件的使用寿命通常为25-30年，预计未来10-30年全球废物量将急剧增加。到2030年，累计废物量将达到800万吨，到2050年进一步增加到6000-7800万吨（Tao和Yu，2015年）。作为全球光伏装机容量和废物量最大的国家，中国2023年的装机容量达到了261吉瓦，占全球新增装机容量的80%以上。预计中国将在2030年左右进入废物处理高峰期，到2050年累计废物量将达到6400万吨（Dai等人，2025年）。这些退役的组件中含有大量可再利用的高价值材料。如果不实施适当的回收措施，不仅会浪费资源，还可能引发新的环境污染和碳排放问题（Salim等人，2019年）。同时，光伏组件回收的技术创新已成为推动行业绿色设计和循环经济实践的关键动力（Deng等人，2019年）。然而，光伏回收技术创新的特点是成本高、风险大且外部性强（Li等人，2023年）。由于单个企业或回收商难以独立承担高昂的研发投资和技术扩散的不确定性，因此光伏回收供应链中的协同创新至关重要，以整合和共享回收技术资源。此外，政府在碳政策实施中的作用尤为关键。不适当的政策设计可能会抑制创新或鼓励搭便车行为，削弱行业的整体协同创新势头（Zhao和Bai，2021年）。因此，在碳政策调控下建立政府、光伏制造商和光伏回收商之间的动态合作机制，对于推进绿色回收技术至关重要。

尽管现有研究从多个角度探讨了光伏回收问题，但仍存在显著差距。首先，大多数研究集中在回收技术路径或环境影响评估上，缺乏对多利益相关者协同创新行为的系统分析。其次，关于政策工具如何通过影响企业的战略选择来影响技术创新和合作机制的研究仍然不足。第三，光伏回收系统表现出典型的动态进化特征，但传统的静态分析方法难以捕捉多利益相关者的战略调整及其反馈过程。因此，有必要采用动态视角，构建一个能够反映多方互动和政策影响的分析框架。基于此，本文构建了一个涉及政府、光伏制造商和光伏回收商的三方进化博弈模型。此外，通过结合系统动力学方法，建立了一个综合的进化博弈论-系统动力学（EGT-SD）分析框架，以描述在不同碳政策约束下的各方战略演变及其系统反馈机制。

在实际应用中，本研究通过模型模拟系统地分析了各种碳政策工具对协同创新的影响机制，并提出了促进合作稳定的政策优化路径。此外，从利益分配和成本分担的角度探讨了制造商和回收商之间的合作机制，为构建高效的回收合作网络提供了决策依据。研究还将绿色设计的概念纳入分析框架，强调了产品设计阶段和回收端技术创新之间的协同作用，从而支持建立覆盖整个产品生命周期的闭环治理系统。

**研究结构**
本文的结构如图1所示。第2节回顾相关文献。第3节构建三方进化博弈模型并分析均衡解和稳定性条件。第4节对模型进行敏感性分析并建立系统动力学模型。第5节基于模拟结果讨论政策效应和优化路径。最后，第6节提出结论和建议。

**关于光伏组件回收技术创新的文献**
近年来，光伏组件回收技术创新取得了实质性进展，现有研究主要集中在工艺优化和环境经济评估上。在工艺优化方面，机械、热处理和化学处理是主流技术路径（Granata等人，2014年；Pagnanelli等人，2017年；J. Wang等人，2024年）。机械回收依靠破碎和物理分离来回收玻璃和铝等材料。

**问题描述和模型假设**
目前，中国光伏组件回收的技术创新和实际应用仍处于早期探索阶段（Nimesha等人，2024年）。由于技术的复杂性和外部不确定性，产业链上下游的企业在开展协同创新时面临双重挑战。一方面，需要高昂的研发投资，另一方面存在技术溢出的重大风险。

**ESS模拟结果**
为了验证进化稳定性分析的有效性，本研究采用了多源参数化策略，以确保参数值的科学严谨性和可靠性。宏观经济和政策相关参数（包括G、M、Cg、β和F）主要来源于《国民经济和社会发展统计年鉴（2024年）》和相关政策文件。企业成本和收益参数（包括C1、C2、α、ΔR、ΔR1和ΔR2）基于相关数据估算。

**结论**
从碳政策调控的角度来看，本研究以政府、光伏制造商和光伏回收商为焦点，开发了一个耦合的进化博弈和系统动力学模型，系统地探讨了三方之间的战略互动演变机制以及碳政策和关键参数的影响路径。通过构建收益矩阵和复制动态方程，确定了系统的进化稳定策略。

**作者贡献声明**
徐 Zhu：撰写——审稿与编辑、撰写——初稿、方法论、数据整理、概念化。
周小云：方法论、调查、数据整理。
李一辰：资源提供、数据整理。
孙圆圆：监督、方法论。
张月：资金获取、正式分析。
徐文：监督、资源提供、数据整理。
白璐：撰写——审稿与编辑、可视化、监督。