一文詳述“一帶一路”地區(qū)太陽能資源

:摘要

“一帶一路”倡議（BRI）強(qiáng)調(diào)建設(shè)基礎(chǔ)能源設(shè)施以促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。當(dāng)前，化石燃料仍是主流的能源資源，化石燃料的使用將會產(chǎn)生大量二氧化碳，如果持續(xù)使用大量化石燃料，那么積聚的二氧化碳會導(dǎo)致溫室效應(yīng)，從而威脅到巴黎氣候峰會設(shè)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(nèi)，并最好控制在1.5°C之內(nèi)。太陽能是清潔能源，取之不盡，用之不竭，所以太陽能資源可以作為化石燃料的替代品。在本文中，通過詳盡的數(shù)據(jù)分析，我們系統(tǒng)地考查了光伏發(fā)電影響因素，并評估太陽能資源每小時在BRI地區(qū)的發(fā)電潛力。結(jié)果表明，太陽能每年可提供448.9 PW.h的電力，根據(jù)2030年整個地區(qū)預(yù)期的電力需求，只需448.9 PW.h的3.7％就可滿足。還分析得出，區(qū)域電網(wǎng)互聯(lián)可通過利用太陽能隨時空變化的特性與整個地區(qū)的日照和電力需求產(chǎn)生互補(bǔ)效應(yīng)來提高系統(tǒng)的整體效率。

（來源：微信公眾號“光伏領(lǐng)跑者創(chuàng)新論壇” ID：PV_top-runner_forum）

圖形概要

介紹

國家主席習(xí)近平于2013年發(fā)起的“一帶一路”倡議（BRI）旨在促進(jìn)整個歐亞大陸的經(jīng)濟(jì)發(fā)展和經(jīng)濟(jì)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，通過商業(yè)貿(mào)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(jì)“海上絲綢之路”的陸上“絲綢之路經(jīng)濟(jì)帶”。

BRI已經(jīng)成為一個擁有126個伙伴國家的開放平臺，我們選擇了共66個在地理上毗鄰“一帶一路”的國家作為本文分析的地域范圍，強(qiáng)調(diào)可能集中的基礎(chǔ)設(shè)施投資、快速增長的區(qū)域電力需求，以及區(qū)域能源合作的潛在優(yōu)勢。2017年，超過30％的這些BRI國家實現(xiàn)了年度國內(nèi)生產(chǎn)總值（GDP）增長率超過5％。據(jù)估計，從2015年到2030年，約占世界GDP的50％增長可能來自BRI地區(qū)。從短期來看，BRI國家的碳排放和能源使用量大幅增加。

2016年，全球約有11億人無法獲得電力，近30％生活在這些BRI國家。預(yù)計未來BRI國家對電力的需求將大幅增加，用以推動預(yù)計的經(jīng)濟(jì)增長并滿足基本的電力需求。因此，能源基礎(chǔ)設(shè)施的建設(shè)一直是BRI國家合作的基本要素。2014年至2017年，BRI地區(qū)投資估計為2412億美元，其中80％以上用于開發(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(qiáng)調(diào)，如果提升化石燃料的燃燒技術(shù)，就會減緩化石燃料使用對氣候變化的影響。BRI地區(qū)高碳排放型發(fā)電廠的進(jìn)一步擴(kuò)張將成為一個重要的新碳排放源，更糟糕的是，一旦這些工廠建成，它們預(yù)計將運(yùn)行數(shù)十年，持續(xù)向大氣中釋放二氧化碳。

BRI國家當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y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，提供了將未來經(jīng)濟(jì)增長與碳排放增加脫鉤的解決方案。本文中定義的BRI地區(qū)，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能資源。大約53％的陸地面積在BRI地區(qū)，每年的太陽輻射強(qiáng)度高于1400 kWh /（m2⋅a）。過去五年，太陽能光伏發(fā)電的全球裝機(jī)容量幾乎增加了兩倍，從2013年的138.9GW增加到2017年的401.5GW。隨著技術(shù)的快速發(fā)展和成本下降，預(yù)計到2040年全球光伏發(fā)電裝機(jī)容量將超過天然氣以外的所有其他能源形式。BRI國家自主貢獻(xiàn)（NDCs）的量化目標(biāo)要求到2030年太陽能發(fā)電額為2560億美元，占地區(qū)可再生能源投資總額的55％；BRI國家的太陽能累計投資達(dá)到98億美元，帶來明顯的經(jīng)濟(jì)和環(huán)境效益。在BRI地區(qū)開發(fā)可再生清潔能源的規(guī)劃和政策制定中，了解太陽能的潛能和時空分布將在BRI區(qū)域內(nèi)開發(fā)太陽能資源發(fā)揮核心作用。此外，全面分析太陽能發(fā)電潛力有助于確定BRI框架內(nèi)清潔能源合作的實際基礎(chǔ)。

大量研究課題研究了光伏發(fā)電在各個國家、地區(qū)和整個世界范圍內(nèi)的潛力，主要采用基于地理信息系統(tǒng)（GIS）的多標(biāo)準(zhǔn)方法。Hoogwijk率先在全球范圍內(nèi)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(qiáng)調(diào)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；針對太陽能潛力評估的研究傾向于確定個別技術(shù)因素，例如土地適宜性分析和選址標(biāo)準(zhǔn)；優(yōu)化組件的傾斜方向；以充分利用太陽光輻射；評估溫度的影響；在遮陽條件下的性能；太陽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(shù)及其在潛力研究模型中的應(yīng)用，分析在BRI區(qū)域的太陽能發(fā)電情況。通過開發(fā)集成軟件系統(tǒng)顧問模型（SAM），用以提供每小時輸出信息，來促進(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(yīng)用僅限于個別項目，不適合從區(qū)域角度進(jìn)行綜合分析。

在本文中，我們開發(fā)了一種綜合的太陽能資源評估方法，重點(diǎn)是評估整個BRI地區(qū)66個國家可實際利用規(guī)模的太陽能資源技術(shù)潛力。使用分析方法主要包括以下三個特征。首先，按小時計算電力輸出，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(zhǔn)確性，而且還能夠在規(guī)劃設(shè)計中考慮太陽能強(qiáng)度隨時間變化。其次，采用一致和全面的框架建模來分析影響實際太陽能電站發(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，溫度和系統(tǒng)影響因素。最后，從數(shù)據(jù)同化系統(tǒng)（DAS）的戈達(dá)德地球觀測系統(tǒng)正向處理，（GEOS-5 FP）第5版采用了具有高空間分辨率的太陽輻射數(shù)據(jù)，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(jié)合了一系列觀測資料，包括來自衛(wèi)星，無線電探空儀，飛機(jī)，下投式探空儀，水面艦艇和浮標(biāo)的數(shù)據(jù)。這種方法的實際意義體現(xiàn)在以下幾個方面：該研究全面描述了BRI地區(qū)太陽能光伏發(fā)電的技術(shù)潛力和關(guān)鍵參數(shù)，該產(chǎn)品可為未來的國家和地區(qū)規(guī)劃、政策制定提供信息。研究中揭示了分布的空間和時間差異以及潛在生產(chǎn)和消費(fèi)之間的不匹配突出了BRI框架內(nèi)清潔能源合作的兩個重要機(jī)會。其中一個涉及BRI國家之間的技術(shù)轉(zhuǎn)讓，以優(yōu)先利用具有最佳質(zhì)量太陽能資源的地區(qū)進(jìn)行開發(fā)。另一個關(guān)于全球和區(qū)域電網(wǎng)互連的建議，可以在整個地區(qū)更好地調(diào)配太陽能發(fā)電的供應(yīng)和需求，從而有助于優(yōu)化太陽能發(fā)電功率的適應(yīng)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地適宜性和資源可用性。這里的場地適宜性是指在可利用土地類型的限制范圍內(nèi)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輻射量的經(jīng)濟(jì)和技術(shù)利用范圍以外的區(qū)域排除在外。資源可用性是指通過調(diào)整組件傾斜、間距和方向設(shè)置將太陽能轉(zhuǎn)換為電能的能力，進(jìn)一步調(diào)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(yù)計的太陽能發(fā)電潛力高達(dá)448.9 PW.h，相當(dāng)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％可以滿足預(yù)期整個地區(qū)2030年的電力需求。

BRI地區(qū)的四個國家，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％。這些國家的太陽能潛力估計高達(dá)238.2 PW.h，占BRI地區(qū)總量的53.1％。如果這些國家30％的電力需求由太陽能供電，則可減少約24億噸二氧化碳的排放，相當(dāng)于全球碳排放量減少7.2％。

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

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

如果我們忽略了溫度的影響，將導(dǎo)致BRI地區(qū)個別國家的太陽能發(fā)電潛力被高估0.1％至15.0％。高溫和強(qiáng)烈的太陽輻射會導(dǎo)致太陽能電池組件面板溫度升高，導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率降低并對總電位產(chǎn)生負(fù)面影響。通常，高緯度地區(qū)不易受這些負(fù)面影響，而溫度可能對低緯度地區(qū)的太陽能發(fā)電產(chǎn)生顯著的負(fù)面影響。例如，溫度的影響將導(dǎo)致中歐和東歐地區(qū)以及獨(dú)立國家聯(lián)合體（CIS）的太陽能發(fā)電潛力分別下降6.0％和4.4％，而西亞地區(qū)則下降12.7％。如果不考慮溫度，十大國家的太陽能潛力將被高估9.2％。這突出了在項目規(guī)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(yù)先估計有助于避免對太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)生過于樂觀的經(jīng)濟(jì)評估，從而降低投資風(fēng)險。

BRI地區(qū)的太陽能發(fā)電潛力在圖1B中按國家/地區(qū)進(jìn)行了總結(jié)，表明了各個國家在太陽能光伏發(fā)電方面的可投資的上限。BRI地區(qū)的潛在總裝機(jī)量估計為265.9 TW，是2017年全球太陽能光伏裝機(jī)容量的600多倍。在BRI最有利的太陽能資源地區(qū)部署7.8 TW可提供電力相當(dāng)于2030年該地區(qū)的總電力需求量。這將需要11.2萬億美元的資本投資，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(jī)量的空間分布表現(xiàn)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。隨著緯度的增加，太陽能電池板的安裝密度降低，因為高緯度地區(qū)的太陽入射角的較低角度，需要太陽能電池組件加大安裝的傾角來最大化年發(fā)電量。這反過來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(dǎo)致了每單位土地面積的裝機(jī)容量低。此外，高緯度地區(qū)大面積土地被排除在外，因為這些地區(qū)的太陽光長時間處于傾斜照射狀態(tài)，并且那里可用的太陽輻射強(qiáng)度往往低于1,400 kWh /（m2⋅a）的閾值，1,400 kWh /（m2⋅a） 被認(rèn)為是經(jīng)濟(jì)上合理的最低開發(fā)閾值。因此，位于緯度超過50度的國家，包括俄羅斯和一些東歐國家，在裝機(jī)容量和發(fā)電方面的太陽能發(fā)電潛力都很低。幸運(yùn)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(dá)120 PW.h。相比之下太陽能潛力僅僅只有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(qū)太陽能光伏發(fā)電的年平均容量要素，其地理分布結(jié)果如圖2所示。年容量要素，根據(jù)光伏電站產(chǎn)生的年發(fā)電量相對于同一時期內(nèi)其裝機(jī)容量總和的實現(xiàn)比率來定義，是衡量太陽能電站資本投資的經(jīng)濟(jì)吸引力的重要指標(biāo)。對于同等裝機(jī)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數(shù)，這是太陽能行業(yè)廣泛用于判斷光伏電站性能的術(shù)語。可利用小時數(shù)的相應(yīng)值，等于容量要素乘以所測算時間段的小時數(shù)。

容量要素的分布主要由太陽能日照的可用輻射量和光伏電池組件參數(shù)所決定的，受其他因素影響較小，例如溫度、陰影等。從這個意義上講，容量要素還明確定義了可用太陽能資源的質(zhì)量。如圖2中的紅色所示，青藏高原的容要素高達(dá)27％，是整個BRI地區(qū)最高的。這反映了該地區(qū)為高海拔地區(qū)。然而，為了充分利用這個地區(qū)容量要素的優(yōu)勢，需要電網(wǎng)設(shè)施支持，將所產(chǎn)生的電力傳輸?shù)接秒娏恐行膮^(qū)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(nèi)不太可能被利用。高容量要素分析也適用于西亞國家，也門、阿曼、沙特阿拉伯和埃及等國家位于低緯度地區(qū)，這些地方沙漠土地面積大，還有豐富的太陽輻射。

圖3A顯示了每單位容量要素太陽能資源發(fā)電潛力的分布，并且顏色區(qū)分了BRI區(qū)域內(nèi)各個子區(qū)域的太陽能來源。圖3B所示在給定容量要素截止值時，整個BRI區(qū)域在大于等于給定容量要素截止值對應(yīng)潛在太陽能電站裝機(jī)量發(fā)電潛力。根據(jù)結(jié)果顯示，預(yù)計到2030年，在整個BRI區(qū)域容量要素值大于等于23.2％（圖3B中的曲線與藍(lán)線相交之前的位置）的地區(qū)，所部屬的光伏電站產(chǎn)生的發(fā)電量可以提供整個BRI地區(qū)總用電需求；在整個BRI區(qū)域容量要素的值大于等于21.9％（圖3B中的曲線與紅線相交之前的位置）的地區(qū)，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(qū)域位于南亞和東亞，主要反映了青藏高原的高輻射強(qiáng)度，如圖3A中灰色和粉紅色區(qū)域的右側(cè)所示。最低容量要素分布在獨(dú)聯(lián)體國家(CIS)，以紫色表示。只有16.4％的獨(dú)聯(lián)體國家可以在容量要素超過16.0％的區(qū)域裝機(jī)，這說明這些國家的太陽輻射強(qiáng)度條件較差。

以藍(lán)色顯示的西亞地區(qū)的容量要素值相對較高，其值介于15.4％至22.6％之間。這個容量要素區(qū)間的高太陽能發(fā)電潛力表明，在西亞地區(qū)部署太陽能電站也可產(chǎn)生大量電力。事實上，西亞國家的估計潛力高達(dá)208.7 PW.h，占該地區(qū)總數(shù)的46.5％。但光伏電池板上的灰塵堆積是一個可能降低該區(qū)域太陽能電站容量要素的主要問題，因為它可能會對電池板造成物理損壞，減弱組件接受到的太陽輻射，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能電站清潔維護(hù)相比，沒有清潔維護(hù)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(zhàn)。幸運(yùn)的是，正在開發(fā)的幾種不怎么需要水的自清潔方法，例如靜電除塵法，機(jī)械吹氣除塵法和涂層法，為應(yīng)對這些挑戰(zhàn)提供了解決方案。

據(jù)全球能源互聯(lián)發(fā)展與合作組織（GEIDCO）估計，通過超高壓（UHV）輸電線路為主干的全球能源互聯(lián)，全球清潔能源的裝機(jī)容量將在2030年達(dá)到53TW。對于BRI沿線的許多國家而言，能夠通過升級和拓展現(xiàn)有的本地互連電網(wǎng)來實現(xiàn)能源互聯(lián)，而不用通過建造新的基礎(chǔ)設(shè)施，這是更容易實現(xiàn)的。各國之間的相互信任，應(yīng)對氣候變化的共識，國際電力交易市場的成熟以及特高壓電網(wǎng)和智能電網(wǎng)的技術(shù)進(jìn)步都是實現(xiàn)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(shè)施區(qū)域的電磁場，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％以上來自BRI地區(qū)，在“一切照舊”的情況下，這個數(shù)字預(yù)計到2030年將超過65％。這種增長不僅會受到大型碳排放國的推動，還會受到其他一些正在迅速擴(kuò)大電力供應(yīng)以推動經(jīng)濟(jì)增長的國家的推動。鑒于人類活動已經(jīng)導(dǎo)致全球平均表面溫度增加，因此想要限制未來全球氣溫達(dá)到“巴黎協(xié)定”所規(guī)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以內(nèi)，這將使BRI地區(qū)未來經(jīng)濟(jì)增長面臨更多困難。快速而深遠(yuǎn)的能源轉(zhuǎn)型對于降低長期和不可逆轉(zhuǎn)的變革風(fēng)險就顯得非常急迫和必要。

原標(biāo)題:一文詳述“一帶一路”地區(qū)太陽能資源