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碳中和目標驅動(dòng)下，光伏發(fā)電裝機水平預計將成倍增長(cháng)?？諝馕廴緦?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，我國空氣污染及其改善對光伏發(fā)電的影響仍缺乏系統研究。針對這一問(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)研究團隊耦合潛力評估與逐步線(xiàn)性回歸統計模型，以1995年至2019年為分析時(shí)間尺度，以覆蓋我國陸上全域的數據格點(diǎn)為空間框架，針對性地解析空氣污染控制重點(diǎn)區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)性及其驅動(dòng)因素，量化了空氣質(zhì)量提升對光伏發(fā)電與實(shí)現碳中和的協(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一分析框架下，綜合考察其對我國光伏發(fā)電的影響。若不考慮同期氣象因素變動(dòng)對光伏發(fā)電的影響，則近十年我國空氣質(zhì)量改善對光伏發(fā)電的協(xié)同效益將被顯著(zhù)低估。
研究表明，2008年以來(lái)，我國空氣質(zhì)量改善對中國太陽(yáng)能發(fā)電水平有著(zhù)顯著(zhù)的正效益。排除氣象條件影響，以我國2020年太陽(yáng)能光伏裝機情況進(jìn)行分析，與2008年相比，2020年空氣質(zhì)量的提升可為全國光伏裝機帶來(lái)45億千瓦時(shí)的光伏發(fā)電增益，相當于我國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)電量增益貢獻占比達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、氮氧化物及一次細顆粒物減排量。如果2060年我國空氣質(zhì)量進(jìn)一步提升（以當前西藏地區水平作為目標參考），則實(shí)現碳中和目標所需的光伏發(fā)電裝機與空氣質(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。格點(diǎn)顏色代表從起始年（橫坐標）到終末年（縱坐標）的潛力變化趨勢，黑色點(diǎn)狀標記代表該趨勢統計顯著(zhù)
該研究首先通過(guò)潛力評估模型逐小時(shí)評估了1995年至2019年我國光伏發(fā)電的小時(shí)級出力特征，并依據直射光和散射光對發(fā)電量的貢獻將總潛力分解為直射潛力與散射潛力（圖1）。研究發(fā)現，從1995年到2019年，我國總潛力呈現1.07%/10年的下降趨勢，直射光與散射光貢獻潛力分別呈1.85%/10年和1.03%/10年的下降與上升趨勢。潛力變動(dòng)特征區域差異明顯，區別于總體長(cháng)期趨勢，2008年以后我國華東、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。
圖2 中國大陸總潛力（A）、直射潛力（B）與散射潛力（C）變動(dòng)性（當年潛力相對于25年平均潛力變化）的驅動(dòng)因素分解。紅色折線(xiàn)代表潛力評估模型輸出的總潛力值，黑色折線(xiàn)代表統計模型輸出的影響因素驅動(dòng)力的疊加值。
研究進(jìn)一步耦合了多因素逐步回歸統計模型，對光伏發(fā)電水平的長(cháng)時(shí)序時(shí)空變動(dòng)特征進(jìn)行因素分解（圖2）。結果表明，氣溶膠光學(xué)厚度（AOD）與云面積指數（CAR）為主導影響因素。2008年以前，AOD對全國除西北電網(wǎng)外地區的影響呈1.08%/10年的增強趨勢，其中增速最快的地區為華東電網(wǎng)，增速為4.89%/10年。隨著(zhù)我國空氣污染控制措施的逐步加嚴，2008年以后，AOD對全國除西北電網(wǎng)外地區的影響呈0.92%/10年的下降趨勢。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(zhù)，以3.11%/10年的下降趨勢恢復該地區潛力。而對于我國華中、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，導致區域潛力呈下降趨勢。
圖3 圖形摘要
該研究揭示的空氣質(zhì)量改善對光伏發(fā)電、氣候治理和空氣質(zhì)量提升的協(xié)同效益不僅對我國實(shí)現清潔空氣與碳中和雙重目標具有參考價(jià)值，對于其他面臨氣候變化和空氣污染雙重挑戰的國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)現脫碳目標所需的電力基礎設施以及光伏生產(chǎn)中對土地、稀土元素的需求；而光伏發(fā)電水平的提升將加速其對傳統高碳電源的取代，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的實(shí)現”（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、美國哈佛大學(xué)中國項目執行主任克里斯·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。本研究受到國家自然科學(xué)基金杰出青年基金、重點(diǎn)項目、面上項目、清華大學(xué)-INDITEX可持續發(fā)展基金資助項目、哈佛大學(xué)校長(cháng)辦公室及哈佛全球研究所資助項目、國家博士后創(chuàng )新人才支持計劃和清華大學(xué)“水木學(xué)者”計劃等資助。
