作为增长最为迅速的低碳能源之一，光伏发电在全球实现净零排放与 1.5℃ 温升目标中扮演着重要角色。
不过，如何实现光伏发电的大规模优化部署，让光伏发电更好地惠及全球人口并助力低碳转型呢？在气候变化的大背景下，绝大多数国家都会面对这个问题，因此有必要探索出通用的评估框架与体系，为光伏发电的可持续发展及国际合作提供基础支撑。
基于这个问题，清华大学环境学院博士后 从多个层次对光伏发电进行时间-空间维度的解析，探究技术、经济、并网、环境等多层次的挑战以及如何化挑战为机遇。
图丨光伏发电（来源：Nature Climate Change）
致力于构建全球普遍适用的针对光伏发电的综合评估体系，提出从技术、经济、并网、环境的多维度量化指标，多角度动态解析光伏发电可行性与适宜度、成本、变动性及光伏发电效益的时空差异，为光伏发电的优化开发提供参考依据。
具体来说， 研究从应对气候变化挑战下光伏发电的技术可行性出发，评估技术潜力的时空分布特征；并延伸至经济性层面，探究光伏发电如何降本增效为低价上网提供可能；在成本有效前提下，面向高比例并网挑战，量化其小时变动特征，评估光储一体、空间互联缓解其出力波动性的效益；面向碳中和与清洁空气双重目标，量化空气质量提升对光伏发电的效益，探究可再生能源与清洁空气协同发展机制。
的研究将有望为光伏电站设计与优化开发提供参考，为光伏电站进一步降本增效提供解决方案，助力气候与空气质量提升双重目标，并加速光伏发电在全球范围尤其是欠发达地区的扩增，降低全球低收入人群能源使用成本，提高清洁电力供应水平。
聚焦中国乃至全球光伏产业发展，凭借在环境科学领域的突出成果， 成为 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者之一。
图 | 2022 年度《麻省理工科技评论》“35 岁以下科技创新 35 人”中国入选者陈诗
污染控制带动空气质量提升，光伏发电增益显著
根据相关预测，为实现 2060 年的碳中和目标，中国需要将光伏安装量增加至原来的 14 倍。但太阳能发电装置的性能受到复杂天气条件、空气污染等因素的影响。
在多重因素复合影响下，气象和污染对太阳能发电量的相对影响仍不清楚，因此我国空气质量提升措施对太阳能发电性能影响也难以量化。
2022 年， 在 One Earth 上发表以《中国空气质量的改善可以提高太阳能发电的性能并加速实现碳中和的目标》（Improved air quality in China can enhance solar-power performance and accelerate carbon-neutrality targets）为题的相关研究论文[1]。日本东京大学张浩然研究员、瑞典梅拉达伦大学严晋跃教授在 Joule 发表专题评述，对该工作的前瞻性与启示意义予以高度评价。
图丨气溶胶和云层对太阳能发电影响的时空变化（来源：One Earth）
在这项工作中，研究者采用了一个耦合模型，用以确定 1995 年至 2019 年期间，在不同的气象条件下，空气污染控制政策对中国的光伏发电量的影响。 发现，通过引入空气污染控制政策所带来的好处只有部分被不利的气象条件（主要在中国中部和南部）所抵消，并导致太阳能发电性能从 2008 年起每十年提高 0.9%。
2008 年以来，我国在空气质量上的提升为全国光伏装机带来 45 亿千瓦时的光伏发电增益，可折算为约 19 亿元经济效益与一系列环境效益。进一步的分析表明，由于空气污染控制，2020 年的太阳能发电量增加了 1.7%，因此更严格的空气质量目标可以减少对光伏装机容量的需求，以达到 2060 年的碳中和目标。如果中国采取各类措施，将空气质量提高到与西藏类似的自然背景水平，那么由此带来的太阳能发电量的提高可以加速碳中和目标的实现，同时也带来人体健康等多重复合效益。
聚焦“一带一路”地区光伏的发展潜力，为实现绿色“一带一路”提供方案
“一带一路”地区能源类基础设施投资长期锁定于化石能源，为实现全球温升与净零排放目标带来艰巨挑战，而光伏发电在该地区的开发前景尚不明确。基于此，陈诗构建了基于空间大数据的光伏发电技术潜力评估技术，系统分析了该地区光伏发电潜力及区域合作前景，提出了该区域摆脱传统高碳路径的解决方案。
研究表明，“一带一路”关联地区的电力潜力每年为 448.9 PWh，是 2016 年这些地区电力需求的 41.3 倍。通过部署 7.8 兆瓦的装机，开发 3.7% 的区域潜力，预计能够满足直到 2030 年的区域电力需求，而所需要的土地面积约为中国总面积的 0.9%，所需投资约 11.2 万亿美元。拥有 70.7% 光伏潜力的国家的电力消耗只占区域总量的 30.1%，这一不平衡凸显了区域合作和投资互联电网的优势。
图丨“一带一路”地区的容量系数分布（来源：Joule）
该研究的论文成果以《光伏发电对 "一带一路 "倡议的潜力》（The Potential of Photovoltaics to Power the Belt and Road Initiative）为题在 Joule 上发表，并成为当期封面[2]。相关成果入选 2019 年自然科学基金委成果巡礼（共 16 项），并形成题为《合作开发太阳能优势潜能、推进“一带一路”绿色发展》政策建议，通过基金委上报两办，为落实太阳能合作方案、构筑绿色之路提供支持。
此外， 还将评估体系从技术纵深拓展至其它维度，成功建立了光伏发电全链条综合评估体系，挖掘了“光伏+储能”的技术、经济、并网潜力的时空演变特征，系统地回答了中国潜力有多少、价格有多高、波动性有多大的问题，为光伏科学布局提供有力支撑。
探索可再生能源优化开发模式，实现综合效益最大化
谈及当初为何选择在光伏发电领域深耕，陈诗表示，可再生能源必将成为各国应对气候变化的重要抓手。其中，光伏发电作为成本下降最为迅速的能源形式之一，前景广阔但仍处于发展早期。其技术可行性、成本动态、并网能力仍不明确，各个国家与地区情况各异，因此选择在光伏发电领域深入研究，希望能够为可再生能源的发展提供前瞻性的思考，为各国光伏能源的推进建言献策。
此外，多次深入“行业一线”的经历也让 获取了关于行业发展机遇与痛点的一手材料，不仅激发了她的研究灵感，也让她意识到相关研究的紧迫性。2019 年，陈诗曾前往肯尼亚内罗毕、基苏木等城市农村家庭调研户用光伏市场，为公司提出非洲户用光伏业务优化方案，助力光伏企业“走出去”；2021 年，陈诗与美国环保协会合作，曾前往光伏制造企业一线调研工作十周，通过量化模型助力产业链尽快实现碳中和。
光伏发电目前进入太瓦时代，应该说已经迎来了第一个爆发点，且光伏成本不断走低，光伏与上下游产业深度融合的态势已经初现。 说：“我很期待看到未来光伏与各个应用场景深度融合，实现 1+1>2 的效果，也期待光伏成本的进一步下降，实现低成本的绿色电力引领实现其他能源部门的深度变革。”
在未来的研究中， 将进一步量化评估光伏等可再生能源开发的综合技术-经济-社会效益，以及探究如何运用政策与市场等手段创新光伏发电等可再生电力的开发模式，使其更好地惠及世界发展中经济体及广大缺电人口。
参考资料：
1. S., Chen, X., Lu. et al. Improved Air Quality in China can Enhance Solar Power Performance and accelerate Carbon Neutrality.One Earth 5, 5, 550-562 (2022). https://doi.org/10.1016/j.oneear.2022.04.002
2. S., Chen, X., Lu. et al. The Potential of Photovoltaics to Power the Belt and Road Initiative. Joule 3, 8, 1895-1912 (2019) https://www.cell.com/joule/fulltext/S25424351(19)30275-2
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