清華新聞網(wǎng)5月6日電（通訊員 陳詩(shī)）碳中和目標(biāo)驅(qū)動(dòng)下，光伏發(fā)電裝機(jī)水平預(yù)計(jì)將成倍增長(zhǎng)。空氣污染將會(huì)降低光伏發(fā)電水平，有損光伏發(fā)電的“減污降碳”效益，然而，我國(guó)空氣污染及其改善對(duì)光伏發(fā)電的影響仍缺乏系統(tǒng)研究。針對(duì)這一問(wèn)題，清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院、碳中和研究院與哈佛大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)耦合潛力評(píng)估與逐步線(xiàn)性回歸統(tǒng)計(jì)模型，以1995年至2019年為分析時(shí)間尺度，以覆蓋我國(guó)陸上全域的數(shù)據(jù)格點(diǎn)為空間框架，針對(duì)性地解析空氣污染控制重點(diǎn)區(qū)域及不同氣象條件下光伏發(fā)電水平的時(shí)間、空間變動(dòng)性及其驅(qū)動(dòng)因素，量化了空氣質(zhì)量提升對(duì)光伏發(fā)電與實(shí)現(xiàn)碳中和的協(xié)同效益。本研究首次將空氣污染水平與氣象條件的變化納入統(tǒng)一分析框架下，綜合考察其對(duì)我國(guó)光伏發(fā)電的影響。若不考慮同期氣象因素變動(dòng)對(duì)光伏發(fā)電的影響，則近十年我國(guó)空氣質(zhì)量改善對(duì)光伏發(fā)電的協(xié)同效益將被顯著低估。
研究表明，2008年以來(lái)，我國(guó)空氣質(zhì)量改善對(duì)中國(guó)太陽(yáng)能發(fā)電水平有著顯著的正效益。排除氣象條件影響，以我國(guó)2020年太陽(yáng)能光伏裝機(jī)情況進(jìn)行分析，與2008年相比，2020年空氣質(zhì)量的提升可為全國(guó)光伏裝機(jī)帶來(lái)45億千瓦時(shí)的光伏發(fā)電增益，相當(dāng)于我國(guó)2020年光伏年發(fā)電量的1.7%，其中，華北、華東及南方電網(wǎng)發(fā)電量增益貢獻(xiàn)占比達(dá)87%。該發(fā)電增益可折算為約19億元售電收入，以及替代煤電機(jī)組潛在的3.6百萬(wàn)噸二氧化碳減排量，1.5、1.4、0.2千噸二氧化硫、氮氧化物及一次細(xì)顆粒物減排量。如果2060年我國(guó)空氣質(zhì)量進(jìn)一步提升（以當(dāng)前西藏地區(qū)水平作為目標(biāo)參考），則實(shí)現(xiàn)碳中和目標(biāo)所需的光伏發(fā)電裝機(jī)與空氣質(zhì)量水平維持在2008年水平的情景相比將下降5.7%。
圖1 中國(guó)大陸（A、B、C）及華東電網(wǎng)（D、E、F）和西藏電網(wǎng)（G、H、I）直射（DNI）潛力與散射（DIF）潛力的時(shí)間演變及趨勢(shì)。格點(diǎn)顏色代表從起始年（橫坐標(biāo)）到終末年（縱坐標(biāo)）的潛力變化趨勢(shì)，黑色點(diǎn)狀標(biāo)記代表該趨勢(shì)統(tǒng)計(jì)顯著
該研究首先通過(guò)潛力評(píng)估模型逐小時(shí)評(píng)估了1995年至2019年我國(guó)光伏發(fā)電的小時(shí)級(jí)出力特征，并依據(jù)直射光和散射光對(duì)發(fā)電量的貢獻(xiàn)將總潛力分解為直射潛力與散射潛力（圖1）。研究發(fā)現(xiàn)，從1995年到2019年，我國(guó)總潛力呈現(xiàn)1.07%/10年的下降趨勢(shì)，直射光與散射光貢獻(xiàn)潛力分別呈1.85%/10年和1.03%/10年的下降與上升趨勢(shì)。潛力變動(dòng)特征區(qū)域差異明顯，區(qū)別于總體長(zhǎng)期趨勢(shì)，2008年以后我國(guó)華東、東北及華北電網(wǎng)的直射潛力與散射潛力分別呈3.20%/10年和5.70%/10年的上升與下降趨勢(shì)。
圖2 中國(guó)大陸總潛力（A）、直射潛力（B）與散射潛力（C）變動(dòng)性（當(dāng)年潛力相對(duì)于25年平均潛力變化）的驅(qū)動(dòng)因素分解。紅色折線(xiàn)代表潛力評(píng)估模型輸出的總潛力值，黑色折線(xiàn)代表統(tǒng)計(jì)模型輸出的影響因素驅(qū)動(dòng)力的疊加值。
研究進(jìn)一步耦合了多因素逐步回歸統(tǒng)計(jì)模型，對(duì)光伏發(fā)電水平的長(zhǎng)時(shí)序時(shí)空變動(dòng)特征進(jìn)行因素分解（圖2）。結(jié)果表明，氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）與云面積指數(shù)（CAR）為主導(dǎo)影響因素。2008年以前，AOD對(duì)全國(guó)除西北電網(wǎng)外地區(qū)的影響呈1.08%/10年的增強(qiáng)趨勢(shì)，其中增速最快的地區(qū)為華東電網(wǎng)，增速為4.89%/10年。隨著我國(guó)空氣污染控制措施的逐步加嚴(yán)，2008年以后，AOD對(duì)全國(guó)除西北電網(wǎng)外地區(qū)的影響呈0.92%/10年的下降趨勢(shì)。其中受益于積極有效的空氣污染控制措施，AOD影響的降低在華東電網(wǎng)最為顯著，以3.11%/10年的下降趨勢(shì)恢復(fù)該地區(qū)潛力。而對(duì)于我國(guó)華中、南方與西藏電網(wǎng)而言，2008年以后CAR與濕度的影響以2.17%/10年速度加劇，完全抵消了AOD下降的協(xié)同效益，導(dǎo)致區(qū)域潛力呈下降趨勢(shì)。
圖3 圖形摘要
該研究揭示的空氣質(zhì)量改善對(duì)光伏發(fā)電、氣候治理和空氣質(zhì)量提升的協(xié)同效益不僅對(duì)我國(guó)實(shí)現(xiàn)清潔空氣與碳中和雙重目標(biāo)具有參考價(jià)值，對(duì)于其他面臨氣候變化和空氣污染雙重挑戰(zhàn)的國(guó)家也具有積極借鑒意義。實(shí)施卓有成效的空氣污染控制措施將有助于光伏發(fā)電水平的提升，減少實(shí)現(xiàn)脫碳目標(biāo)所需的電力基礎(chǔ)設(shè)施以及光伏生產(chǎn)中對(duì)土地、稀土元素的需求；而光伏發(fā)電水平的提升將加速其對(duì)傳統(tǒng)高碳電源的取代，進(jìn)一步提升空氣質(zhì)量。
4月28日，該成果以“我國(guó)空氣質(zhì)量的改善將提升太陽(yáng)能發(fā)電水平并加速碳中和目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)”（Improved air quality in China can enhance solar power performance and accelerate carbon neutrality targets）為題在線(xiàn)發(fā)表于細(xì)胞（Cell）出版社姊妹刊《一個(gè)地球》（One Earth）（圖3）。
清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院博士后陳詩(shī)為論文第一作者，環(huán)境學(xué)院魯璽副教授和哈佛大學(xué)邁克爾·麥克爾羅伊（Michael B. McElroy）教授為共同通訊作者，郝吉明院士、賀克斌院士、環(huán)境學(xué)院王書(shū)肖教授、美國(guó)哈佛大學(xué)中國(guó)項(xiàng)目執(zhí)行主任克里斯·尼爾森（Chris P. Nielsen）及清華大學(xué)環(huán)境學(xué)院耿冠楠助理研究員為共同作者。本研究受到國(guó)家自然科學(xué)基金杰出青年基金、重點(diǎn)項(xiàng)目、面上項(xiàng)目、清華大學(xué)-INDITEX可持續(xù)發(fā)展基金資助項(xiàng)目、哈佛大學(xué)校長(zhǎng)辦公室及哈佛全球研究所資助項(xiàng)目、國(guó)家博士后創(chuàng)新人才支持計(jì)劃和清華大學(xué)“水木學(xué)者”計(jì)劃等資助。
論文鏈接：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590332222002032
供稿：環(huán)境學(xué)院
編輯：李華山
審核：呂婷
