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碳中和目標驅動下，光伏發電裝機水平預計將成倍增長?？諝馕廴緦档凸夥l電水平，有損光伏發電的“減污降碳”效益，然而，我國空氣污染及其改善對光伏發電的影響仍缺乏系統研究。針對這一問題，清華大學環境學院、碳中和研究院與哈佛大學研究團隊耦合潛力評估與逐步線性回歸統計模型，以1995年至2019年為分析時間尺度，以覆蓋我國陸上全域的數據格點為空間框架，針對性地解析空氣污染控制重點區域及不同氣象條件下光伏發電水平的時間、空間變動性及其驅動因素，量化了空氣質量提升對光伏發電與實現碳中和的協同效益。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電的影響。若不考慮同期氣象因素變動對光伏發電的影響，則近十年我國空氣質量改善對光伏發電的協同效益將被顯著低估。
研究表明，2008年以來，我國空氣質量改善對中國太陽能發電水平有著顯著的正效益。排除氣象條件影響，以我國2020年太陽能光伏裝機情況進行分析，與2008年相比，2020年空氣質量的提升可為全國光伏裝機帶來45億千瓦時的光伏發電增益，相當于我國2020年光伏年發電量的1.7%，其中，華北、華東及南方電網發電量增益貢獻占比達87%。該發電增益可折算為約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年我國空氣質量進一步提升（以當前西藏地區水平作為目標參考），則實現碳中和目標所需的光伏發電裝機與空氣質量水平維持在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（D、E、F）和西藏電網（G、H、I）直射（DNI）潛力與散射（DIF）潛力的時間演變及趨勢。格點顏色代表從起始年（橫坐標）到終末年（縱坐標）的潛力變化趨勢，黑色點狀標記代表該趨勢統計顯著
該研究首先通過潛力評估模型逐小時評估了1995年至2019年我國光伏發電的小時級出力特征，并依據直射光和散射光對發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。潛力變動特征區域差異明顯，區別于總體長期趨勢，2008年以后我國華東、東北及華北電網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）變動性（當年潛力相對于25年平均潛力變化）的驅動因素分解。紅色折線代表潛力評估模型輸出的總潛力值，黑色折線代表統計模型輸出的影響因素驅動力的疊加值。
研究進一步耦合了多因素逐步回歸統計模型，對光伏發電水平的長時序時空變動特征進行因素分解（圖2）。結果表明，氣溶膠光學厚度（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，增速為4.89%/10年。隨著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最為顯著，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量改善對光伏發電、氣候治理和空氣質量提升的協同效益不僅對我國實現清潔空氣與碳中和雙重目標具有參考價值，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。實施卓有成效的空氣污染控制措施將有助于光伏發電水平的提升，減少實現脫碳目標所需的電力基礎設施以及光伏生產中對土地、稀土元素的需求；而光伏發電水平的提升將加速其對傳統高碳電源的取代，進一步提升空氣質量。
4月28日，該成果以“我國空氣質量的改善將提升太陽能發電水平并加速碳中和目標的實現”（Improved air quality in China can enhance solar power performance and accelerate carbon neutrality targets）為題在線發表于細胞（Cell）出版社姊妹刊《一個地球》（One Earth）（圖3）。
清華大學環境學院博士后陳詩為論文第一作者，環境學院魯璽副教授和哈佛大學邁克爾·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、環境學院王書肖教授、美國哈佛大學中國項目執行主任克里斯·尼爾森（Chris P. Nielsen）及清華大學環境學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基金杰出青年基金、重點項目、面上項目、清華大學-INDITEX可持續發展基金資助項目、哈佛大學校長辦公室及哈佛全球研究所資助項目、國家博士后創新人才支持計劃和清華大學“水木學者”計劃等資助。
