先进制造与机器人学院孙铭阳课题组揭示气候变化对全球屋顶光伏高温风险与退化成本的系统性影响
近日，北京大学先进制造与机器人学院孙铭阳研究员团队在能源领域顶级期刊《焦耳》（Joule）上发表题目为《气候变化将加剧全球屋顶光伏发电系统的高温风险、性能退化和成本上升》（“Climate change will increase high-temperature risks, degradation, and costs of rooftop photovoltaics globally”）的研究长文 。
论文截图
该研究首次在全球尺度量化了气候变化对屋顶光伏（RPV）系统物理寿命和经济性的影响。研究发现，未来气温升高将显著加速光伏组件的物理老化，导致其服务寿命缩短。在2.5°C的全球变暖情景下，全球屋顶光伏的平准化度电成本（LCOE）将平均增加约5%，部分地区增幅高达20%。这一挑战在发展中国家尤为严峻，可能加剧全球能源转型中的不平等现象。研究呼吁亟需更新基于历史气候数据的国际标准，以适应未来的气候现实。
全球能源转型正处于关键时期，太阳能光伏（PV）作为可再生能源的主力军，其装机量正以太瓦级（TW）规模迅速增长。其中，屋顶光伏（RPV）占据了全球光伏装机的半壁江山。然而，面对日益严峻的气候变化，这些设计寿命长达数十年的能源资产正面临一个被忽视的隐患：高温导致的加速退化。
光伏组件的性能对温度具有高度敏感性。高温环境不仅会直接降低其瞬时发电效率，更会通过诱发热解、紫外线分解及热机械疲劳等一系列物理化学过程，成为组件材料降解与性能永久性衰减的核心致损机制。对于散热条件受限的屋顶光伏系统，此类“高温风险”（High-temperature risks, HTRs）尤为严峻。然而，当前国际电工委员会（IEC）的相关标准对于高温风险区域的界定，主要依据历史气候数据，尚未系统纳入未来气候变化的长期影响。因此，气候变化对光伏系统长期可靠性的潜在风险，仍未被充分认知与量化。
为应对这一关键挑战，本研究构建了一个跨学科的综合评估框架：创新性地耦合了经过偏差校正的CMIP6全球气候模型、自下而上的光伏物理-化学阿伦尼乌斯（Arrhenius）退化模型以及技术经济模型，实现了未来不同增温情景下全球屋顶光伏系统长期运行性能与经济成本的动态迭代模拟与定量评估。其核心发现如下：
1. 气候变暖显著扩大了全球光伏“高温风险”版图
研究定义98%分位工作温度（T98）超过70°C为高温风险（HTR）。分析显示，随着全球变暖，全球遭受HTR威胁的屋顶光伏装机容量将急剧增加。相较于历史时期，在全球升温2°C和4°C的情景下，暴露于高温风险中的屋顶光伏容量将分别增加29%和97%。
图1：气候变化下全球屋顶光伏面临的高温风险加剧。图示展示了随着变暖程度增加，更多的高纬度地区和人口密集区将进入高温风险区，且现有的IEC标准未能覆盖未来的风险区域
2. 气候变暖将加速光伏退化推高全生命周期成本，并呈现显著的不平等性加剧特征，使发展中国家承受更重代价。
高温对光伏系统的影响具有双重性：它不仅会降低瞬时发电效率，更会通过热应力、紫外辐照等途径加速封装材料、电池片及背板的老化，导致组件功率的非恢复性衰减，从而缩短其有效服务寿命，最终推高全生命周期的平准化度电成本（LCOE）。本研究表明，在全球平均气温升幅达2.5°C的情景下，全球受高温风险显著影响的城市，其屋顶光伏的LCOE预计将平均上升4.8%，在气候敏感性较高的区域，增幅可能高达20%。既有研究多关注气候变化导致的太阳辐射量波动或瞬时效率损失，而本研究揭示，由热退化引起的成本上升，其经济影响可能远超前述因素，成为威胁未来光伏项目经济可行性的主要风险。
进一步分析发现，此种气候风险存在显著的地理分布不均衡性，呈现出一种“气候不平等”格局。南亚、非洲、南美等发展中地区（Global South），既是未来光伏装机扩张的核心区域，也因所处气候带普遍面临更高的高温暴露风险。与之相对，高纬度发达地区受到的影响相对有限。这意味着，气候适应能力与财政韧性本就薄弱的发展中地区，将不得不为其能源转型支付更高的气候溢价，这可能加剧全球在获取可负担清洁能源方面的不平等。
图2. 高温风险与LCOE增长的区域差异。低GDP地区和气候脆弱地区面临更大幅度的成本上升，加剧了能源转型中的区域不平等
本研究最终强调，为确保全球能源转型的稳健性与公平性，必须系统评估并应对气候变化对能源基础设施长期可靠性的冲击。为此，我们提出以下政策与技术建议：
1）更新国际标准体系：建议IEC等关键标准组织将前瞻性气候情景预测纳入光伏组件与系统的可靠性测试标准，改变当前过度依赖历史气候数据的范式。
2）定向引导技术创新：鼓励材料科学与工程研发聚焦于耐高温光伏技术，包括开发新型封装材料、热稳定性更佳的电池技术，以及优化系统级的散热与安装设计。
3）实施公平转型政策：国际气候与能源治理框架应正视并缓解转型中的区域不平等。应通过加强技术转移、气候融资及能力建设，支持发展中国家应对气候变化带来的额外能源成本与风险。
本文由孙铭阳课题组与美国密西根大学安娜堡分校Michael T. Craig助理教授课题组联合发表。第一作者为课题组博士生吴浩驰（现为美国斯坦福大学博士后）。孙铭阳与Michael T. Craig为本文通讯作者。主要合作者包括美国斯坦福大学博士后Qinqin Kong博士，美国普渡大学Matthew Huber教授。本研究得到了国家自然科学基金和国家科技重大专项等项目资助。
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