治理空氣污染讓太陽能“多收三五斗”

▲楊溯(左一)和Martin Wild

▲1960~2015年，氣溶膠排放、太陽能能力因子和大氣污染治理政策帶來的變化

治理空氣污染，不僅會改善環(huán)境質(zhì)量，還會帶來巨大的經(jīng)濟價值。

近日，瑞士蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)大氣與氣候科學(xué)學(xué)院Martin Wild教授課題組的Bart Sweerts及同事分析了中國119個觀測站在1960年至2015年間的地面太陽輻射觀測數(shù)據(jù)后發(fā)現(xiàn)，由于空氣污染，中國的太陽能潛力在1960年至2015年間平均下降了11%～15%。如果地面太陽輻射恢復(fù)至上世紀(jì)60年代水平，中國的太陽能發(fā)電能力將增長12%至13%。相關(guān)研究成果近日發(fā)表于《自然—能源》雜志。

“這一發(fā)現(xiàn)清楚地表明了空氣污染將會怎樣阻礙太陽能的發(fā)展，同時也為空氣質(zhì)量恢復(fù)至上世紀(jì)60年代良好水平提供了一個充足的理由。”論文第一作者Bart Sweerts告訴《中國科學(xué)報》。

太陽輻射與空氣污染相關(guān)

“我們做這一研究的初衷就是為了告訴大家，治理空氣污染不僅可以改善空氣質(zhì)量，也能產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟價值。”論文作者之一、中國氣象局國家氣象信息中心高級工程師楊溯告訴《中國科學(xué)報》。

他告訴記者，這項研究是他和Sweerts在蘇黎世聯(lián)邦理工大學(xué)Wild課題組訪學(xué)期間共同完成的工作成果。對于空氣污染和太陽輻射的關(guān)系，他在讀博期間就已開始關(guān)注。

而Sweerts告訴《中國科學(xué)報》，中國的太陽能裝機容量位居全球第一，而且未來還有繼續(xù)發(fā)展的趨勢。另外，中國的屋頂分布式太陽能電站近年來也發(fā)展迅速。與之相伴的是，在中國高密度人口地區(qū)，空氣污染情況非常嚴(yán)重。種種因素，使得研究空氣污染和太陽能之間的關(guān)系成為主要課題之一，也引起了他的關(guān)注。

過去20年里，全球太陽能光伏發(fā)電規(guī)模不斷擴張。從2000年到2017年，世界范圍內(nèi)太陽能裝機容量從4吉瓦增長到了385吉瓦，不斷超出人們的預(yù)期。中國對于太陽能光伏的投資同樣巨大，裝機容量從2010年的1吉瓦發(fā)展到2017年底的130吉瓦。截至2017年，中國已經(jīng)占據(jù)了全球新增裝機容量的一半多，并超過了原計劃2020年實現(xiàn)110吉瓦的目標(biāo)，正在向2030年裝機容量400吉瓦的目標(biāo)邁進。中國政府希望借此可以早日落實其在《巴黎協(xié)定》中所作出的承諾， 讓20%的電力來自可再生能源成為現(xiàn)實。

而這項研究之所以確定空氣污染對于太陽能生產(chǎn)有直接影響，則起源于楊溯此前和同事所做的一個成果。

楊溯告訴《中國科學(xué)報》，長期以來，太陽輻射都被認(rèn)為是恒定不變的，然而，越來越多的證據(jù)表明，過去60年里，太陽輻射發(fā)生了顯著的變化。

楊溯和合作伙伴基于我國119個地面觀測站的太陽總輻射、云量等長期觀測數(shù)據(jù)，分析了地面太陽輻射(SSR)變化特征及云在不同時期對SSR的影響。結(jié)果顯示，1958～2016年間我國SSR經(jīng)歷了先下降后上升的變化過程，其中1958～2005年SSR顯著下降(“變暗”)，2005年～2016年后SSR開始上升(“變亮”)。而這與中國積極主動地采取措施減少空氣污染，特別是消除作為主要來源的燃煤對空氣的影響息息相關(guān)。

治理空氣污染的經(jīng)濟價值

Sweerts等人發(fā)現(xiàn)，過去60年，太陽輻射的減少嚴(yán)重影響了太陽能的生產(chǎn)。而且，這一影響還隨著中國太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的發(fā)展日益增加。如果分別以1961年～1965年(基準(zhǔn)值)及2011年～2015年(變暗期)這兩個階段作為參考標(biāo)準(zhǔn)，那么到2030年中國的太陽能發(fā)電產(chǎn)量最高將達(dá)到422吉瓦，最低則是300吉瓦，其中分布式太陽能光伏所占比重也將由45%下降到20%，差距不可謂不大。

他們的研究表明，由于空氣污染，中國的“光電潛力”在1960年至2015年期間平均下降了11%～15%。如果太陽光照強度恢復(fù)至上世紀(jì)60年代水平，到2030年中國的太陽能發(fā)電則將增長12%至13%，即新增發(fā)電510億～740億千瓦時。“而這一‘電力紅利’將會使中國公共事業(yè)部門多獲利47億美元到67億美元。”Sweerts說。

他以2016年的中國太陽能光伏發(fā)電為例。如果按照當(dāng)年的裝機容量，在太陽光照強度恢復(fù)至上世紀(jì)60年代水平的情況下，將會新增140億千瓦時的“電力紅利”，即19億美元的經(jīng)濟價值。與之相對應(yīng)的是，以基準(zhǔn)值作為參照，局部受影響最為嚴(yán)重的地區(qū)太陽能能力因子下降了20%～28% 。

基于這樣的研究，中國的太陽能產(chǎn)業(yè)應(yīng)該注意什么問題呢?對此，Sweerts表示，目前中國已然進入了正確的發(fā)展軌道，即在大力發(fā)展太陽能光伏產(chǎn)業(yè)的同時，采取有效手段治理空氣污染。“雖然對于未來作出預(yù)測是很困難的一件事，但鑒于中國目前在這兩方面都取得了很大的成功，我們期待未來還會如此發(fā)展，并取得可預(yù)期的收獲。”Sweerts說。

下一個研究目標(biāo)

在進行這項研究的過程中，Sweerts和楊溯發(fā)現(xiàn)，西藏和青海這兩個中國人口密度較小且工業(yè)企業(yè)較少的地方同樣出現(xiàn)了太陽能能力因子下降的現(xiàn)象。因此，接下來，他們可能會繼續(xù)進行太陽輻射“變暗”和低風(fēng)速之間相關(guān)關(guān)系的研究，因為這一因素也會影響太陽能生產(chǎn)的穩(wěn)定性及總體產(chǎn)能。

除此之外，“下一個研究對象可能是印度。”Sweerts告訴記者。在他看來，無論是就所處的太陽能發(fā)展階段還是空氣污染現(xiàn)狀而言，印度和中國都有很多相似性。

對于Sweerts和楊溯等人的研究成果，中國氣象科學(xué)研究院研究員張華認(rèn)為，其主要價值在于能把當(dāng)前對地表太陽輻射變化趨勢研究的科學(xué)成果轉(zhuǎn)化為對中國太陽能可利用的能力。“這是中國綠色能源利用的一部分，也是中國政府和相關(guān)企業(yè)非常關(guān)心的問題。”張華說。

不過，她同時指出，目前該研究結(jié)論的前提是把中國地區(qū)地表太陽輻射自上世紀(jì)60年代以來的變化趨勢歸因為人為(燃煤)氣溶膠排放，但實際上這個原因還有很多不確定性，例如云的變化是否在其中起了很大的影響。

“即便如此，該論文仍然為中國的太陽能利用提供了非常有價值的參考。”張華說。