展宇新能

“一帶一路”倡議（BRI）強調建設基礎能源設施以促進(jìn)經(jīng)濟發(fā)展。當前，化石燃料仍是主流的能源資源，化石燃料的使用將會(huì )產(chǎn)生大量二氧化碳，如果持續使用大量化石燃料，那么積聚的二氧化碳會(huì )導致溫室效應，從而威脅到巴黎氣候峰會(huì )設定的全球平均表面溫度上升控制在工業(yè)化前2.0°C之內，并最好控制在1.5°C之內。太陽(yáng)能是清潔能源，取之不盡，用之不竭，所以太陽(yáng)能資源可以作為化石燃料的替代品。在本文中，通過(guò)詳盡的數據分析，我們系統地考查了光伏發(fā)電影響因素，并評估太陽(yáng)能資源每小時(shí)在BRI地區的發(fā)電潛力。結果表明，太陽(yáng)能每年可提供448.9 PW.h的電力，根據2030年整個(gè)地區預期的電力需求，只需448.9 PW.h的3.7％就可滿(mǎn)足。還分析得出，區域電網(wǎng)互聯(lián)可通過(guò)利用太陽(yáng)能隨時(shí)空變化的特性與整個(gè)地區的日照和電力需求產(chǎn)生互補效應來(lái)提高系統的整體效率。

圖形概要

介紹

國家主席習近平于2013年發(fā)起的“一帶一路”倡議（BRI）旨在促進(jìn)整個(gè)歐亞大陸的經(jīng)濟發(fā)展和經(jīng)濟一體化。BRI既可以是雙邊利益，也可以是多邊利益。BRI借鑒了古代絲綢之路的歷史象征，它源于中國古代，通過(guò)商業(yè)貿易和文化交流的方式連接亞洲，非洲和歐洲。在新的“一帶一路”倡議中，“一帶”是指通往21世紀“海上絲綢之路”的陸上“絲綢之路經(jīng)濟帶”。

BRI已經(jīng)成為一個(gè)擁有126個(gè)伙伴國家的開(kāi)放平臺，我們選擇了共66個(gè)在地理上毗鄰“一帶一路”的國家作為本文分析的地域范圍，強調可能集中的基礎設施投資、快速增長(cháng)的區域電力需求，以及區域能源合作的潛在優(yōu)勢。2017年，超過(guò)30％的這些BRI國家實(shí)現了年度國內生產(chǎn)總值（GDP）增長(cháng)率超過(guò)5％。據估計，從2015年到2030年，約占世界GDP的50％增長(cháng)可能來(lái)自BRI地區。從短期來(lái)看，BRI國家的碳排放和能源使用量大幅增加。

2016年，全球約有11億人無(wú)法獲得電力，近30％生活在這些BRI國家。預計未來(lái)BRI國家對電力的需求將大幅增加，用以推動(dòng)預計的經(jīng)濟增長(cháng)并滿(mǎn)足基本的電力需求。因此，能源基礎設施的建設一直是BRI國家合作的基本要素。2014年至2017年，BRI地區投資估計為2412億美元，其中80％以上用于開(kāi)發(fā)使用或促進(jìn)化石燃料使用的技術(shù)，包括石油、天然氣、石化和發(fā)電。全球日益關(guān)注并不斷強調，如果提升化石燃料的燃燒技術(shù)，就會(huì )減緩化石燃料使用對氣候變化的影響。BRI地區高碳排放型發(fā)電廠(chǎng)的進(jìn)一步擴張將成為一個(gè)重要的新碳排放源，更糟糕的是，一旦這些工廠(chǎng)建成，它們預計將運行數十年，持續向大氣中釋放二氧化碳。

BRI國家當地的太陽(yáng)能資源可以提供一種重要的環(huán)境友好型發(fā)電替代方案，以替代或減少化石能源發(fā)電，提供了將未來(lái)經(jīng)濟增長(cháng)與碳排放增加脫鉤的解決方案。本文中定義的BRI地區，橫跨三大洲（歐洲，亞洲和非洲），包括西亞的沙漠國家，這些國家擁有世界上最豐富的太陽(yáng)能資源。大約53％的陸地面積在BRI地區，每年的太陽(yáng)輻射強度高于1400 kWh /（m2?a）。過(guò)去五年，太陽(yáng)能光伏發(fā)電的全球裝機容量幾乎增加了兩倍，從2013年的138.9GW增加到2017年的401.5GW。隨著(zhù)技術(shù)的快速發(fā)展和成本下降，預計到2040年全球光伏發(fā)電裝機容量將超過(guò)天然氣以外的所有其他能源形式。BRI國家自主貢獻（NDCs）的量化目標要求到2030年太陽(yáng)能發(fā)電額為2560億美元，占地區可再生能源投資總額的55％；BRI國家的太陽(yáng)能累計投資達到98億美元，帶來(lái)明顯的經(jīng)濟和環(huán)境效益。在BRI地區開(kāi)發(fā)可再生清潔能源的規劃和政策制定中，了解太陽(yáng)能的潛能和時(shí)空分布將在BRI區域內開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能資源發(fā)揮核心作用。此外，全面分析太陽(yáng)能發(fā)電潛力有助于確定BRI框架內清潔能源合作的實(shí)際基礎。

大量研究課題研究了光伏發(fā)電在各個(gè)國家、地區和整個(gè)世界范圍內的潛力，主要采用基于地理信息系統（GIS）的多標準方法。Hoogwijk率先在全球范圍內評估光伏發(fā)電的潛力，最近關(guān)于光伏發(fā)電潛力的研究強調了西非、東南亞國家聯(lián)盟（ASEAN）和歐盟、俄羅斯、孟加拉國、巴基斯坦、阿曼、中國、伊朗和坦桑尼亞等國家具有很大潛力；針對太陽(yáng)能潛力評估的研究?jì)A向于確定個(gè)別技術(shù)因素，例如土地適宜性分析和選址標準；優(yōu)化組件的傾斜方向；以充分利用太陽(yáng)光輻射；評估溫度的影響；在遮陽(yáng)條件下的性能；太陽(yáng)能電池板的性能衰退的量化等。很少有研究能夠綜合考慮所有因素，并綜合考慮所有這些參數及其在潛力研究模型中的應用，分析在BRI區域的太陽(yáng)能發(fā)電情況。通過(guò)開(kāi)發(fā)集成軟件系統顧問(wèn)模型（SAM），用以提供每小時(shí)輸出信息，來(lái)促進(jìn)光伏電站選址的特定選擇和量化影響投資決策的因素。然而，其應用僅限于個(gè)別項目，不適合從區域角度進(jìn)行綜合分析。

在本文中，我們開(kāi)發(fā)了一種綜合的太陽(yáng)能資源評估方法，重點(diǎn)是評估整個(gè)BRI地區66個(gè)國家可實(shí)際利用規模的太陽(yáng)能資源技術(shù)潛力。使用分析方法主要包括以下三個(gè)特征。首先，按小時(shí)計算電力輸出，然后匯總以評估年度發(fā)電量。這種方法不僅提高了電位評估的準確性，而且還能夠在規劃設計中考慮太陽(yáng)能強度隨時(shí)間變化。其次，采用一致和全面的框架建模來(lái)分析影響實(shí)際太陽(yáng)能電站發(fā)電的因素和空間變化，包括考慮組件傾斜角度，組件分布密度，遮陽(yáng)，溫度和系統影響因素。最后，從數據同化系統（DAS）的戈達德地球觀(guān)測系統正向處理，（GEOS-5 FP）第5版采用了具有高空間分辨率的太陽(yáng)輻射數據，這是一種廣泛使用的研究手段，并在大氣化學(xué)研究中得到驗證，該研究結合了一系列觀(guān)測資料，包括來(lái)自衛星，無(wú)線(xiàn)電探空儀，飛機，下投式探空儀，水面艦艇和浮標的數據。這種方法的實(shí)際意義體現在以下幾個(gè)方面：該研究全面描述了BRI地區太陽(yáng)能光伏發(fā)電的技術(shù)潛力和關(guān)鍵參數，該產(chǎn)品可為未來(lái)的國家和地區規劃、政策制定提供信息。研究中揭示了分布的空間和時(shí)間差異以及潛在生產(chǎn)和消費之間的不匹配突出了BRI框架內清潔能源合作的兩個(gè)重要機會(huì )。其中一個(gè)涉及BRI國家之間的技術(shù)轉讓?zhuān)詢(xún)?yōu)先利用具有最佳質(zhì)量太陽(yáng)能資源的地區進(jìn)行開(kāi)發(fā)。另一個(gè)關(guān)于全球和區域電網(wǎng)互連的建議，可以在整個(gè)地區更好地調配太陽(yáng)能發(fā)電的供應和需求，從而有助于優(yōu)化太陽(yáng)能發(fā)電功率的適應性變化。

資源潛力和環(huán)境影響

光伏發(fā)電的年發(fā)電潛力主要取決于場(chǎng)地適宜性和資源可用性。這里的場(chǎng)地適宜性是指在可利用土地類(lèi)型的限制范圍內可以獲得大面積的平緩或平坦的空地，以及將可用年限太陽(yáng)輻射量的經(jīng)濟和技術(shù)利用范圍以外的區域排除在外。資源可用性是指通過(guò)調整組件傾斜、間距和方向設置將太陽(yáng)能轉換為電能的能力，進(jìn)一步調整資源可用性以考慮溫度和陰影的空間影響。如圖1A所示，BRI國家技術(shù)上預計的太陽(yáng)能發(fā)電潛力高達448.9 PW.h，相當于2016年這些國家的總電力需求的41.3倍。僅需總潛力的3.7％可以滿(mǎn)足預期整個(gè)地區2030年的電力需求。

BRI地區的四個(gè)國家，即中國，印度，伊朗和沙特阿拉伯，都被列為世界十大二氧化碳排放國之一，2017年產(chǎn)生了132億噸二氧化碳，排放量為全球總量的39.4％。這些國家的太陽(yáng)能潛力估計高達238.2 PW.h，占BRI地區總量的53.1％。如果這些國家30％的電力需求由太陽(yáng)能供電，則可減少約24億噸二氧化碳的排放，相當于全球碳排放量減少7.2％。

在沒(méi)有完備電力供應的BRI地區的國家也有豐富的太陽(yáng)能資源。例如，電力供應量最低的也門(mén)，目前的電力供應量為5 TW.h，而且大約28.4％的居民無(wú)法獲得基本電力服務(wù)。但也門(mén)的太陽(yáng)能潛力可能高達19.4 PW.h，是目前的耗電量的5000多倍。

由于太陽(yáng)能資源受制于地理位置和場(chǎng)地適宜性的差異，BRI國家之間太陽(yáng)能光伏發(fā)電潛力存在顯著(zhù)的空間差異。包括中國，沙特阿拉伯，伊朗，埃及，印度，哈薩克斯坦和蒙古在內的國家的太陽(yáng)能潛力都超過(guò)20 PW.h，占BRI地區總面積的70.8％。由于其相對較大的領(lǐng)土和相對低的緯度，中國的太陽(yáng)能發(fā)電潛力巨大，估計為100.8 PW.h，在BRI地區排名最高。而沙特阿拉伯，伊朗和埃及也很豐富，太陽(yáng)能發(fā)電及其相關(guān)發(fā)電的潛力估計超過(guò)30 PW.h。

如果我們忽略了溫度的影響，將導致BRI地區個(gè)別國家的太陽(yáng)能發(fā)電潛力被高估0.1％至15.0％。高溫和強烈的太陽(yáng)輻射會(huì )導致太陽(yáng)能電池組件面板溫度升高，導致光電轉換效率降低并對總電位產(chǎn)生負面影響。通常，高緯度地區不易受這些負面影響，而溫度可能對低緯度地區的太陽(yáng)能發(fā)電產(chǎn)生顯著(zhù)的負面影響。例如，溫度的影響將導致中歐和東歐地區以及獨立國家聯(lián)合體（CIS）的太陽(yáng)能發(fā)電潛力分別下降6.0％和4.4％，而西亞地區則下降12.7％。如果不考慮溫度，十大國家的太陽(yáng)能潛力將被高估9.2％。這突出了在項目規劃和選址中考慮溫度引起的發(fā)電損失的重要性。對溫度影響的預先估計有助于避免對太陽(yáng)能光伏發(fā)電產(chǎn)生過(guò)于樂(lè )觀(guān)的經(jīng)濟評估，從而降低投資風(fēng)險。

BRI地區的太陽(yáng)能發(fā)電潛力在圖1B中按國家/地區進(jìn)行了總結，表明了各個(gè)國家在太陽(yáng)能光伏發(fā)電方面的可投資的上限。BRI地區的潛在總裝機量估計為265.9 TW，是2017年全球太陽(yáng)能光伏裝機容量的600多倍。在BRI最有利的太陽(yáng)能資源地區部署7.8 TW可提供電力相當于2030年該地區的總電力需求量。這將需要11.2萬(wàn)億美元的資本投資，這項投資所需的土地面積僅為88,426平方公里，約為中國陸地面積的0.9％。

潛在裝機量的空間分布表現出與發(fā)電潛力相似的空間分布，因為發(fā)電潛力在空間上也隨土地適宜性和緯度而變化。隨著(zhù)緯度的增加，太陽(yáng)能電池板的安裝密度降低，因為高緯度地區的太陽(yáng)入射角的較低角度，需要太陽(yáng)能電池組件加大安裝的傾角來(lái)最大化年發(fā)電量。這反過(guò)來(lái)要求面板之間的間隔需要增大，最大限度地減少面板間陰影的影響，導致了每單位土地面積的裝機容量低。此外，高緯度地區大面積土地被排除在外，因為這些地區的太陽(yáng)光長(cháng)時(shí)間處于傾斜照射狀態(tài)，并且那里可用的太陽(yáng)輻射強度往往低于1,400 kWh /（m2?a）的閾值，1,400 kWh /（m2?a） 被認為是經(jīng)濟上合理的最低開(kāi)發(fā)閾值。因此，位于緯度超過(guò)50度的國家，包括俄羅斯和一些東歐國家，在裝機容量和發(fā)電方面的太陽(yáng)能發(fā)電潛力都很低。幸運的是，許多高緯度國家擁有豐富的風(fēng)力資源，是用于替代化石燃料的好的清潔能源選擇。俄羅斯的陸上風(fēng)電潛力估計高達120 PW.h。相比之下太陽(yáng)能潛力僅僅只有3.2 PW.h。

容量要素的地理分布

我們進(jìn)一步量化了BRI地區太陽(yáng)能光伏發(fā)電的年平均容量要素，其地理分布結果如圖2所示。年容量要素，根據光伏電站產(chǎn)生的年發(fā)電量相對于同一時(shí)期內其裝機容量總和的實(shí)現比率來(lái)定義，是衡量太陽(yáng)能電站資本投資的經(jīng)濟吸引力的重要指標。對于同等裝機量在不同地點(diǎn)部署光伏電站，較高的容量要素將獲得更高的電力收益，從而使得投資獲得更有利的回報。容量要素的值可用于推斷可利用小時(shí)數，這是太陽(yáng)能行業(yè)廣泛用于判斷光伏電站性能的術(shù)語(yǔ)?？衫眯r(shí)數的相應值，等于容量要素乘以所測算時(shí)間段的小時(shí)數。

容量要素的分布主要由太陽(yáng)能日照的可用輻射量和光伏電池組件參數所決定的，受其他因素影響較小，例如溫度、陰影等。從這個(gè)意義上講，容量要素還明確定義了可用太陽(yáng)能資源的質(zhì)量。如圖2中的紅色所示，青藏高原的容要素高達27％，是整個(gè)BRI地區最高的。這反映了該地區為高海拔地區。然而，為了充分利用這個(gè)地區容量要素的優(yōu)勢，需要電網(wǎng)設施支持，將所產(chǎn)生的電力傳輸到用電量中心區域。在這種環(huán)境中除了難以建造電站之外，還要考慮到輸電成本，所以這種發(fā)電潛力在短期內不太可能被利用。高容量要素分析也適用于西亞國家，也門(mén)、阿曼、沙特阿拉伯和埃及等國家位于低緯度地區，這些地方沙漠土地面積大，還有豐富的太陽(yáng)輻射。

圖3A顯示了每單位容量要素太陽(yáng)能資源發(fā)電潛力的分布，并且顏色區分了BRI區域內各個(gè)子區域的太陽(yáng)能來(lái)源。圖3B所示在給定容量要素截止值時(shí)，整個(gè)BRI區域在大于等于給定容量要素截止值對應潛在太陽(yáng)能電站裝機量發(fā)電潛力。根據結果顯示，預計到2030年，在整個(gè)BRI區域容量要素值大于等于23.2％（圖3B中的曲線(xiàn)與藍線(xiàn)相交之前的位置）的地區，所部屬的光伏電站產(chǎn)生的發(fā)電量可以提供整個(gè)BRI地區總用電需求；在整個(gè)BRI區域容量要素的值大于等于21.9％（圖3B中的曲線(xiàn)與紅線(xiàn)相交之前的位置）的地區，所部屬的光伏電站產(chǎn)生的發(fā)電量可以提供全球總用電需求。具有最高容要素的區域位于南亞和東亞，主要反映了青藏高原的高輻射強度，如圖3A中灰色和粉紅色區域的右側所示。最低容量要素分布在獨聯(lián)體國家(CIS)，以紫色表示。只有16.4％的獨聯(lián)體國家可以在容量要素超過(guò)16.0％的區域裝機，這說(shuō)明這些國家的太陽(yáng)輻射強度條件較差。

以藍色顯示的西亞地區的容量要素值相對較高，其值介于15.4％至22.6％之間。這個(gè)容量要素區間的高太陽(yáng)能發(fā)電潛力表明，在西亞地區部署太陽(yáng)能電站也可產(chǎn)生大量電力。事實(shí)上，西亞國家的估計潛力高達208.7 PW.h，占該地區總數的46.5％。但光伏電池板上的灰塵堆積是一個(gè)可能降低該區域太陽(yáng)能電站容量要素的主要問(wèn)題，因為它可能會(huì )對電池板造成物理?yè)p壞，減弱組件接受到的太陽(yáng)輻射，增加表面溫度，從而降低整體效率。與巴林王國的每月對太陽(yáng)能電站清潔維護相比，沒(méi)有清潔維護的電站每年的電力產(chǎn)量減少10％。然而，水的稀缺是安裝在巴林王國的光伏組件清洗所面臨的重大挑戰。幸運的是，正在開(kāi)發(fā)的幾種不怎么需要水的自清潔方法，例如靜電除塵法，機械吹氣除塵法和涂層法，為應對這些挑戰提供了解決方案。

據全球能源互聯(lián)發(fā)展與合作組織（GEIDCO）估計，通過(guò)超高壓（UHV）輸電線(xiàn)路為主干的全球能源互聯(lián)，全球清潔能源的裝機容量將在2030年達到53TW。對于BRI沿線(xiàn)的許多國家而言，能夠通過(guò)升級和拓展現有的本地互連電網(wǎng)來(lái)實(shí)現能源互聯(lián)，而不用通過(guò)建造新的基礎設施，這是更容易實(shí)現的。各國之間的相互信任，應對氣候變化的共識，國際電力交易市場(chǎng)的成熟以及特高壓電網(wǎng)和智能電網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)步都是實(shí)現BRI能源互聯(lián)的先決條件。此外，需要進(jìn)一步研究輸電損耗，噪聲，土地使用變化和電網(wǎng)設施區域的電磁場(chǎng)，以最大限度地減少對環(huán)境的影響。

目前，全球溫室氣體（GHG）排放量的55％以上來(lái)自BRI地區，在“一切照舊”的情況下，這個(gè)數字預計到2030年將超過(guò)65％。這種增長(cháng)不僅會(huì )受到大型碳排放國的推動(dòng)，還會(huì )受到其他一些正在迅速擴大電力供應以推動(dòng)經(jīng)濟增長(cháng)的國家的推動(dòng)。鑒于人類(lèi)活動(dòng)已經(jīng)導致全球平均表面溫度增加，因此想要限制未來(lái)全球氣溫達到“巴黎協(xié)定”所規定的全球平均氣溫升幅控制在相對于工業(yè)化前水平2°C以?xún)?，這將使BRI地區未來(lái)經(jīng)濟增長(cháng)面臨更多困難?？焖俣钸h的能源轉型對于降低長(cháng)期和不可逆轉的變革風(fēng)險就顯得非常急迫和必要。