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。
