中国光伏发电：迈向碳中和目标的潜力、布局与综合效益全透视
转自：科创中国
本文利用时空高分辨的综合数字地理信息，预测了碳中和目标下2021—2060年光伏发电的时空分布特征，分析了温度、遮阳、面板倾斜度对光伏发电量的影响，并通过空间自相关方法研究了光伏产业发展的格局，量化光伏发电的综合效益，结果表明：（1）优化到电厂级别后，2060年中国光伏年发电潜力可达到9PW·h，新疆和内蒙古发电潜力较高。（2）光伏面板的间距、倾斜角度、外物遮挡和温度均会对光伏面板的发电效率产生影响。（3）2021—2060年各省份集中式光伏发电的分布呈现一定的空间关联特征。（4）2060年通过光伏发电每年可节约大量标准煤，显著减少多种污染物排放，西北地区和内蒙古是光伏发电综合效益最高的区域。
推进能源绿色低碳转型，是实现中国“双碳”目标的重要手段。面对碳减排的需求，能源转型和低碳发展已成为潮流，能源结构调整、摆脱化石燃料有助于减缓全球气候变暖和改善区域环境质量。中国是世界上最大的能源生产国及消费国，为实现“双碳”目标，中国将优化能源结构作为环境治理的重要目标。
目前国内外已有一些关于太阳能发电技术能效、光伏产业空间格局以及发展路径预测的研究。光伏产业的空间格局是较为少有的研究方向，此类研究能够从宏观的角度对光伏产业的竞争与发展进行分析，进而揭示产业冷热点与集聚效应，为光伏装机策略提供科学支撑。
预测发展路径对中国清洁能源政策有重要意义，现有的研究一般均基于大量、多维度的数据构建数学模型，对研究的区域未来的装机量、发电量等数据进行预测，其结果能够为国家制定光伏产业发展路径提供科学支持。
提高光伏电板的发电效率是目前研究较多的方向，现有研究大多以实际光伏装置的参数和发电数据为切入点，通过实验室或者现场测试的方式，对比电板在不同情况下的发电效率，进而发现影响光伏电板发电效率的因素。
现有研究主要针对单一光伏发电系统的发电效率、光伏产业的历史空间格局，或针对基于历史数据构建的模型运行的结果进行分析，从运筹学角度分析温度、遮阳、面板倾斜度对光伏发电量影响的研究也相对缺乏。本研究基于高时空分辨率的数字地球智能网络模型，分析碳中和目标下中国集中式光伏发电的时空分布特征及其影响因素，运用空间自相关方法分析中国光伏发电的空间分布特征，并量化光伏发电的综合效益。
1中国光伏发电潜力分析
图1中国光伏发电潜力的空间分布（地图以地理坐标系下矩形经纬度范围表示）结合图1（d）中不同情景下2060年各省的光伏发电量，可以看出，全部土地用于安装光伏面板后，全国光伏年发电潜力高达1090PW·h，其中西藏、新疆、内蒙古、青海、四川和云南的发电潜力相对较大。
考虑气象和地貌因素筛选适合安装光伏面板的空间位置后，可以得到考虑可利用面积情景下光伏发电潜力的空间分布（图1（b）），可以看出，中国东北和西南的部分地区以及山东省有较多土地不适宜安装光伏面板，而西南东部、华南和华北北部发电潜力相对较高，结合图1（d）可以发现在全部可利用面积安装光伏面板可使全国光伏年发电量达到53.5PW·h，其中新疆、内蒙、甘肃和青海发电潜力较大，占全国总量的61.89%，而西藏、四川和云南由于地形地貌或地表温度等原因，大部分土地不适宜安装光伏面板，因此发电潜力与全部土地可利用情景相比降低较多。
图1（c）为在考虑可利用土地的基础上，进一步考虑了特高压变电站位置、电力运输和平准化度电成本等影响因素，优化得到的光伏电厂规模及空间分布。结果表明，中国西北和华北的一些光伏发电厂发电规模可以达到100GW·h·plant-1·d-1以上，华中、华南、西南和华东的部分区域也有集中式光伏发电厂，但相比起西北地区和内蒙古，单个发电厂的发电规模较低，约为10GW·h·plant-1·d-1左右。结合图1（d）可以发现在优化到电厂级别后，中国光伏发电潜力可达到9PW·h以上，新疆和内蒙古发电潜力领先其他省份，约占全国发电潜力的60%，因此可以认为未来新疆和内蒙古将是中国重要的集中式光伏发电基地。
考虑了光伏面板倾斜程度、遮阳和温度对光伏发电量的影响，将中国划分为7个区域，并假设4个情景来比较不同条件下各区域光伏电厂的小时发电曲线（图2），即考虑温度、光伏面板倾斜度和遮阳的影响（情景1，中心情景）、不考虑温度的影响（情景2）、不考虑温度和遮阳的影响（情景3），及不考虑温度、光伏面板倾斜度和遮阳的影响（情景4）。
结果表明，西北地区光伏电厂的小时发电量最大，小时电力负荷最大峰值可以达到2.14TW·h，而东北地区的光伏发电峰值仅为0.0471TW·h。此外，光伏发电的季节特征显著，温度、光伏面板倾斜度和遮阳因素在不同季节对发电量的影响不同。
由图2（a）可得，在全国层面上，考虑光伏面板倾斜度在四季均能提高发电厂的发电能力，秋季冬季地表温度较低，导致光伏电板的电能转换效率提高，从而提高了光伏的发电能力，但在夏季，高温降低了光伏电板的电能转换效率，因此降低了光伏的发电能力。遮阳和地表温度对光伏发电的影响类似，但在春季和夏季对光伏发电的负面影响较大。
在中心情景下，春季为全国光伏小时发电量最高的季节，峰值达到4.11TW·h；若不考虑光伏面板倾斜程度、遮阳和温度对光伏发电量的影响，则夏季的发电水平最高。由图2（b）~（h）可以看出，光伏面板倾斜度会显著降低西南、华南、华中和华东的发电厂夏季发电潜力，但在其他区域及其他季节对发电潜力有一定的促进作用。
地表温度会降低各地区发电厂春季和夏季的发电能力，但能提高秋季和冬季的发电潜力。遮阳会降低发电厂的发电潜力，且在各地区春季和夏季的影响程度会高于地表温度的影响。在中心情景下，西北、西南、华北和东北的发电厂小时电力负荷水平最高的季节为春季，峰值分别为1.98、0.30、1.14、0.04TW·h，华南、华中、华东的负荷水平最高的季节为秋季，峰值分别为0.15、0.14、0.14TW·h。为使光伏电板发电效率最大化，各地区应选择在太阳光照充足、云层较少的地方建设光伏发电厂，在运行过程中根据四季变化调整电板放置的角度、控制电板运作时的温度。
2中国光伏装机的空间分布特征
基于碳中和目标，考虑用电端电力负荷、特高压线路电力传输等因素，根据平准化度电成本及技术学习曲线，优化得到集中式光伏发电厂的时空分布。截至2020年，全国集中式光伏累计装机量约为174.7GW，光伏发电主要分布在华北地区。根据优化结果，光伏累计装机量将在2030年后快速增长，在2030年底，即碳达峰目标时期，累计装机量为606.6GW，到2060年年底，即碳中和目标时期，累计装机量可以达到11125.6GW。
2020—2060年间每10年集中式光伏累计装机量的全局莫兰指数为0.2696、0.0813、0.2094、0.2015和0.1289。2020—2030年间的全局莫兰指数呈下降趋势，表明期间部分省份新增装机量明显多于其他省份，集中式光伏产业出现多元化发展特征。在2030—2040年间，全局莫兰指数呈上升趋势，表明在经过2020—2030年产业布局调整后趋于稳定提升阶段。在2040—2060年间，全局莫兰指数呈波动趋势，但最低值仍高于2030年的全局莫兰指数，表明全国集中式光伏产业布局已基本形成稳定的空间区域集聚格局。
本研究对中国各省份2020—2060年每10年的集中式光伏累计装机量进行了局部空间自相关性分析，得到LISA集聚图（图3）。
全国集中式光伏产业局部自相关性表现出4个特征区，高-高集聚区内，各省份集中式光伏产业集聚水平的相似性和依赖性均较强，区域核心省份产业集聚水平高且相近省份产业集聚水平也较高；低-低集聚区各省份集聚水平低且相近；高-低集聚区省份间产业集聚水平差异大，本省产业集聚水平高于相近省份产业集聚水平；低-高集聚区省份产业集聚水平低于邻近省份。从建设时间看，集中式光伏装机热点区域逐渐向西北地区转移，其产业集聚趋势明显，将带动区域经济协同增长。
3综合效益分析
中国光伏发电的综合效益评估结果如图4所示。在中心情景下，到2060年，中国每年能够减少的化石燃料使用量约为1235Mt标准煤，减少的二氧化碳排放量为7076Mt·a-1，减少的大气污染物（颗粒物、二氧化硫、氮氧化物）排放量为180、663和948kt·a-1。综合考虑化石燃料节约量、二氧化碳和大气污染物减排量以及减排成本，西北地区和内蒙古是中国未来集中式光伏大规模部署后效益最高的区域。
4结论
利用高时空分辨的数字地球智能网络模型，分析了碳中和目标下电厂级别中国集中式光伏发电的时空分布特征及其影响因素，通过空间自相关分析方法预估了光伏产业发展的空间特征，并量化了中国未来光伏发电的综合效益，得到以下结论。
（1）根据平准化度电成本原则优化到电厂级别后，光伏发电潜力可达到9PW·h·a-1以上。新疆和内蒙古发电潜力领先中国的其他省份，将是未来重要的集中式光伏发电基地。
（2）光伏面板的间距、倾斜角度、外物遮挡和温度均会对光伏面板的发电效率产生影响。地表温度在春季和夏季对光伏发电有负面影响，但在秋季和冬季有正面影响，遮阳对光伏发电只有负面影响，且在春季和夏季高于地表温度对发电的影响程度。光伏面板倾斜度对光伏发电的影响程度取决于所在区域位置。
（3）中国2020—2060年间光伏发电站布局呈现一定的空间关联特征，在空间分布上呈现集聚特征。西北地区是未来集中式光伏产业的核心区域，区域内各省份产业集聚水平会不断提高，产生集聚效应，进而提高西北地区光伏企业生产效率和竞争能力，增强光伏企业创新水平，带动西北地区经济协同增长，为西部大开发赋予新内涵。
（4）在本文设定的中心情景下，中国光伏发电的综合效益较为显著，预估到2060年可替代1235Mt标准煤，每年减少7076Mt二氧化碳、0.18Mt颗粒物、0.66Mt二氧化硫和0.95Mt氮氧化物的排放。西北地区和内蒙古是未来集中式光伏大规模部署后综合效益最高的区域。
本文作者：曾嘉伟、陈祉叶、王怡静、王戎
作者简介：曾嘉伟，复旦大学环境科学与工程系，硕士研究生，研究方向为太阳能与碳中和；王戎（通信作者），复旦大学环境科学与工程系，教授，研究方向为环境模型、气候变化、碳循环、空气污染、可再生能源、能源经济、地球系统。
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