《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：Water-energy-climate synergy: High-temperature climate resilience enhancement of mine pit pumped hydro storage through floating photovoltaics
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废弃矿井改造为抽水蓄能电站并部署漂浮光伏系统，有效抑制高温下的蒸发损失，提升发电效率（最高+9.61%）和系统可靠性（+17.69%），降低投资成本37.26%，增加年收益18.4%，同时实现土地节约、碳减排和就业增长。
高远强|张金辉|徐浩哲|刘永杰|谢文欣|陈迪一
教育部农业土壤与水资源工程重点实验室，西北农林科技大学，陕西杨凌712100，中国
摘要
将废弃矿坑改造成抽水蓄能（PHS）系统有助于可再生能源的整合，同时带来经济和环境效益。然而，高温会加剧PHS系统的蒸发损失，降低运行灵活性和电网的应对气候变化的韧性。通过使用能源系统优化模型和多情景模拟，我们证明了在矿坑PHS水库上部署浮动光伏（FPV）系统可以在高温条件下产生协同效益。这种方法可以同时提高系统的气候韧性，控制成本，减轻环境影响，并增强社会公平性。我们发现，在“小体积、大面积”的矿坑PHS系统B的表面铺设FPV可以充分利用“水冷-蒸发抑制”的双向协同效益：发电效率提高了9.61%，年蒸发量节省了27.2%。这种协同效应显著增强了系统的气候韧性，使电力供应的可靠性和稳定性分别提高了17.69%和24.29%。从经济角度来看，矿坑PHS系统B的总投资成本比矿坑PHS系统A低37.26%，而FPV使其净收入增加了18.4%以上。此外，这种组合系统在土地保护、环境保护和社会就业方面也显示出显著的综合效益。我们的研究为全球化石能源系统的低碳转型提供了一条可复制的技术路径。
引言
随着全球能源需求的增长，未经控制的温室气体排放威胁到了《巴黎协定》的气候目标[1]。作为最大的高碳能源消费国，中国必须通过减少对煤炭的依赖来加速清洁能源转型，以实现其双碳战略[2]。突然关闭煤矿可能会带来严重的社会经济后果，包括劳动力流失和地区不稳定[3]、[4]。同时，通过创新地将废弃矿坑改造成抽水蓄能（PHS）系统，可以有效缓解采矿用地闲置带来的环境风险，并大幅降低PHS电站的建设成本和土地收购费用[5]。这一创新模式在国内和国际上已有多个成功的实践案例[6]、[7]、[8]。例如，在中国江苏的Jurong，Shidangshan项目将一个废弃的铜矿坑改造成PHS设施，既节省了成本，又节约了4,700英亩的土地[9]。同时，美国肯塔基州的Lewis Ridge项目在前采矿地上建设了一个237兆瓦的PHS设施，该项目获得了能源部8,100万美元的资助，预计将在该地区创造1,500个就业机会[10]。这种从“废弃场地”到“高质量能源储存资源”的价值转变，为传统化石燃料地区的绿色转型提供了一条可行的路径，带来了经济和环境效益[11]。然而，气候变化威胁着系统的可行性，因为极端高温会增加蒸发量，降低储存能力和电网的韧性[12]。
水文过程控制着水库的蒸发，温度、湿度、风速和太阳辐射决定了蒸汽转化率[13]、[14]、[15]、[16]。一项针对10个面临全球水资源短缺的大水库的研究显示，有些水库在2000年至2020年间年蒸发量超过了3200毫米[16]。美国西南部的科罗拉多河Mead湖就是一个极端脆弱的例子，每年因蒸发损失7400亿升水（相当于30万个奥林匹克游泳池的容量）[17]。对于具有开放表面和相对较浅深度的PHS水库来说，单位体积的蒸发损失尤为显著[18]。此外，蒸发导致的水位下降直接影响水轮机的运行效率[19]。值得注意的是，这种调节能力的下降往往发生在电网最需要灵活资源的时候。极端高温不仅增加了空调负荷和电力需求，还降低了光伏模块的效率[20]、[21]。多能源系统陷入了“高峰需求-低谷容量”的运营困境：当电网最依赖PHS来平衡电力时，蒸发损失实际上削弱了其调节功能[22]。这种在高温条件下的脆弱性是电网气候韧性的一个关键弱点。构建具有气候韧性的电力系统需要更深入地了解高温对PHS的影响机制，并加快蒸发抑制技术的发展。这些并行努力将在极端天气事件中确保电网的可靠性[23]、[24]。
在矿坑PHS水库上部署的浮动光伏（FPV）系统为高温地区提供了一种创新解决方案，既能控制蒸发，又能提高发电效率。首先，在水资源稀缺的地区，FPV的覆盖可以显著减少蒸发损失——埃及的阿斯旺高坝通过90%的FPV覆盖率实现了49.7%的蒸发减少，每年节约了59亿立方米的水[25]。其次，FPV和矿坑PHS系统的联合发电产生了双向的能源效率提升效果[26]。一方面，FPV模块受益于水的自然冷却效果，有效降低了其运行温度并提高了发电效率[27]、[28]、[29]；另一方面，FPV产生的电力可以直接用于抽水过程，实现了清洁能源的现场消耗[30]。这种协同模式已在世界各地的众多实际项目中得到验证。意大利研究人员对三个现有PHS电站进行的技术经济评估表明，集成FPV系统可以使项目的净现值提高到基准水平的六倍[31]。北卡罗来纳州的Tucker Town水库预计通过安装FPV每年可以节约超过34,000立方米（900万加仑）的水，并产生清洁能源[32]。此外，FPV几乎不需要额外的土地资源，使得废弃或闲置的土地得以重新利用，解决了陆地光伏（LPV）系统经常面临的土地限制问题[33]、[34]。因此，在高温地区将FPV部署在矿坑PHS系统上是一条结合技术可行性与环境及经济效益的发展路径。
作为正在进行全球最大规模煤炭电力转型的国家，中国对废弃矿坑的再利用对化石能源的脱碳具有全球意义[35]、[36]、[37]。开发矿坑PHS需要协调行动：首先，根据区域矿坑分布、气候条件和当地需求制定定制的部署计划；其次，在水资源稀缺、高温的地区在水库上部署FPV系统，以利用水冷和蒸发抑制的协同效应。然而，目前全球在这一领域的研究还较为有限。本研究评估了FPV如何在高温条件下提高矿坑PHS系统的气候韧性。我们模拟了两种类型的矿坑PHS系统，并结合不同的FPV覆盖率，考察了它们在技术、经济、环境和社会方面的综合影响。结果表明，在“小体积、大面积”的矿坑PHS系统B的表面铺设FPV可以最大化“水冷-蒸发抑制”的协同效益。这导致FPV发电效率最高提高了9.61%，年蒸发量节省了27.2%，系统电力供应的可靠性和稳定性分别提高了17.69%和24.29%。从经济角度来看，矿坑PHS系统B的结构优势使其总投资成本降低了37.26%，能源储存的平准化成本（LCOS）降低了27.23%，净收入增加了18.4%以上。其他好处还包括节约了12.76平方公里的土地，减少了651,100吨的碳排放，并创造了3,418个新的就业机会。这些发现表明，将FPV战略性地整合到矿坑PHS中可以实现气候韧性的提升和社会经济效益的增强，为传统能源地区提供了可复制的路径。
本文的结构如下：第2节介绍了结合矿坑PHS系统和FPV系统的优化模型的建立过程、研究区域的选择以及情景划分后的相关参数。第3节分析了该混合系统在水冷和蒸发抑制方面的潜力，以及其在技术、经济、环境和社会方面的具体应用。第4节总结了整篇论文。
方法
本节详细介绍了结合矿坑PHS和FPV发电的混合能源系统的建模方法。包括系统建模框架（第2.1节）、研究区域描述（第2.2节）和情景设计（第2.3节）。整个建模过程首先详细制定了能源系统优化模型的目标函数和约束条件。随后，对每个能源组成部分进行模块化建模。
FPV系统的发电增强和蒸发减少潜力
在全球向脱碳转型的过程中，中国作为一个依赖化石燃料的发展中经济体，正在积极将废弃矿坑改造成PHS设施，将废物转化为有价值的资产[38]、[39]、[40]。为了揭示FPV在不同气候条件下如何增强矿坑PHS的气候韧性，本研究首先比较了LPV和FPV系统在运行温度和可用性系数方面的季节性变化（图1，图S2）
结论
本研究开发了一个优化模型，用于评估结合两种不同FPV覆盖率的矿坑PHS配置的混合能源系统。它首先揭示了FPV如何在不同的PHS配置下提高发电效率并抑制水蒸发。然后，研究评估了FPV在增强气候韧性方面的作用，并确定了影响混合系统经济性能的关键因素。
作者贡献声明
高远强：撰写——原始草案、软件开发、方法论设计、数据整理、概念构思。张金辉：撰写——审稿与编辑、资源提供。徐浩哲：撰写——审稿与编辑、资源提供。刘永杰：撰写——审稿与编辑、资源提供。谢文欣：撰写——审稿与编辑、资源提供。陈迪一：撰写——审稿与编辑、资源提供。
利益冲突声明
作者声明他们没有已知的可能会影响本文工作的竞争性财务利益或个人关系。
致谢
本研究得到了西北农林科技大学基本研究基金（编号/Z1090220172）、中国陕西省自然科学基金（2019JLP-24）、陕西省科技创新团队以及陕西省水利科学技术计划（2018slkj-9）的支持。
