展宇新(xīn)能(néng)

“一带一路”倡议（BRI）强调建设基础能(néng)源设施以促进经济发展。当前，化石燃料仍是主流的能(néng)源资源，化石燃料的使用(yòng)将会产生大量二氧化碳，如果持续使用(yòng)大量化石燃料，那么积聚的二氧化碳会导致温室效应，从而威胁到巴黎气候峰会设定的全球平均表面温度上升控制在工业化前2.0°C之内，并最好控制在1.5°C之内。太阳能(néng)是清洁能(néng)源，取之不尽，用(yòng)之不竭，所以太阳能(néng)资源可(kě)以作為(wèi)化石燃料的替代品。在本文(wén)中，通过详尽的数据分(fēn)析，我们系统地考查了光伏发電(diàn)影响因素，并评估太阳能(néng)资源每小(xiǎo)时在BRI地區(qū)的发電(diàn)潜力。结果表明，太阳能(néng)每年可(kě)提供448.9 PW.h的電(diàn)力，根据2030年整个地區(qū)预期的電(diàn)力需求，只需448.9 PW.h的3.7％就可(kě)满足。还分(fēn)析得出，區(qū)域電(diàn)网互联可(kě)通过利用(yòng)太阳能(néng)随时空变化的特性与整个地區(qū)的日照和電(diàn)力需求产生互补效应来提高系统的整體(tǐ)效率。

图形概要

介绍

國(guó)家主席习近平于2013年发起的“一带一路”倡议（BRI）旨在促进整个欧亚大陆的经济发展和经济一體(tǐ)化。BRI既可(kě)以是双边利益，也可(kě)以是多(duō)边利益。BRI借鉴了古代丝绸之路的历史象征，它源于中國(guó)古代，通过商(shāng)业贸易和文(wén)化交流的方式连接亚洲，非洲和欧洲。在新(xīn)的“一带一路”倡议中，“一带”是指通往21世纪“海上丝绸之路”的陆上“丝绸之路经济带”。

BRI已经成為(wèi)一个拥有(yǒu)126个伙伴國(guó)家的开放平台，我们选择了共66个在地理(lǐ)上毗邻“一带一路”的國(guó)家作為(wèi)本文(wén)分(fēn)析的地域范围，强调可(kě)能(néng)集中的基础设施投资、快速增長(cháng)的區(qū)域電(diàn)力需求，以及區(qū)域能(néng)源合作的潜在优势。2017年，超过30％的这些BRI國(guó)家实现了年度國(guó)内生产总值（GDP）增長(cháng)率超过5％。据估计，从2015年到2030年，约占世界GDP的50％增長(cháng)可(kě)能(néng)来自BRI地區(qū)。从短期来看，BRI國(guó)家的碳排放和能(néng)源使用(yòng)量大幅增加。

2016年，全球约有(yǒu)11亿人无法获得電(diàn)力，近30％生活在这些BRI國(guó)家。预计未来BRI國(guó)家对電(diàn)力的需求将大幅增加，用(yòng)以推动预计的经济增長(cháng)并满足基本的電(diàn)力需求。因此，能(néng)源基础设施的建设一直是BRI國(guó)家合作的基本要素。2014年至2017年，BRI地區(qū)投资估计為(wèi)2412亿美元，其中80％以上用(yòng)于开发使用(yòng)或促进化石燃料使用(yòng)的技术，包括石油、天然气、石化和发電(diàn)。全球日益关注并不断强调，如果提升化石燃料的燃烧技术，就会减缓化石燃料使用(yòng)对气候变化的影响。BRI地區(qū)高碳排放型发電(diàn)厂的进一步扩张将成為(wèi)一个重要的新(xīn)碳排放源，更糟糕的是，一旦这些工厂建成，它们预计将运行数十年，持续向大气中释放二氧化碳。

BRI國(guó)家当地的太阳能(néng)资源可(kě)以提供一种重要的环境友好型发電(diàn)替代方案，以替代或减少化石能(néng)源发電(diàn)，提供了将未来经济增長(cháng)与碳排放增加脱钩的解决方案。本文(wén)中定义的BRI地區(qū)，横跨三大洲（欧洲，亚洲和非洲），包括西亚的沙漠國(guó)家，这些國(guó)家拥有(yǒu)世界上最丰富的太阳能(néng)资源。大约53％的陆地面积在BRI地區(qū)，每年的太阳辐射强度高于1400 kWh /（m2⋅a）。过去五年，太阳能(néng)光伏发電(diàn)的全球装机容量几乎增加了两倍，从2013年的138.9GW增加到2017年的401.5GW。随着技术的快速发展和成本下降，预计到2040年全球光伏发電(diàn)装机容量将超过天然气以外的所有(yǒu)其他(tā)能(néng)源形式。BRI國(guó)家自主贡献（NDCs）的量化目标要求到2030年太阳能(néng)发電(diàn)额為(wèi)2560亿美元，占地區(qū)可(kě)再生能(néng)源投资总额的55％；BRI國(guó)家的太阳能(néng)累计投资达到98亿美元，带来明显的经济和环境效益。在BRI地區(qū)开发可(kě)再生清洁能(néng)源的规划和政策制定中，了解太阳能(néng)的潜能(néng)和时空分(fēn)布将在BRI區(qū)域内开发太阳能(néng)资源发挥核心作用(yòng)。此外，全面分(fēn)析太阳能(néng)发電(diàn)潜力有(yǒu)助于确定BRI框架内清洁能(néng)源合作的实际基础。

大量研究课题研究了光伏发電(diàn)在各个國(guó)家、地區(qū)和整个世界范围内的潜力，主要采用(yòng)基于地理(lǐ)信息系统（GIS）的多(duō)标准方法。Hoogwijk率先在全球范围内评估光伏发電(diàn)的潜力，最近关于光伏发電(diàn)潜力的研究强调了西非、东南亚國(guó)家联盟（ASEAN）和欧盟、俄罗斯、孟加拉國(guó)、巴基斯坦、阿曼、中國(guó)、伊朗和坦桑尼亚等國(guó)家具有(yǒu)很(hěn)大潜力；针对太阳能(néng)潜力评估的研究倾向于确定个别技术因素，例如土地适宜性分(fēn)析和选址标准；优化组件的倾斜方向；以充分(fēn)利用(yòng)太阳光辐射；评估温度的影响；在遮阳条件下的性能(néng)；太阳能(néng)電(diàn)池板的性能(néng)衰退的量化等。很(hěn)少有(yǒu)研究能(néng)够综合考虑所有(yǒu)因素，并综合考虑所有(yǒu)这些参数及其在潜力研究模型中的应用(yòng)，分(fēn)析在BRI區(qū)域的太阳能(néng)发電(diàn)情况。通过开发集成软件系统顾问模型（SAM），用(yòng)以提供每小(xiǎo)时输出信息，来促进光伏電(diàn)站选址的特定选择和量化影响投资决策的因素。然而，其应用(yòng)仅限于个别项目，不适合从區(qū)域角度进行综合分(fēn)析。

在本文(wén)中，我们开发了一种综合的太阳能(néng)资源评估方法，重点是评估整个BRI地區(qū)66个國(guó)家可(kě)实际利用(yòng)规模的太阳能(néng)资源技术潜力。使用(yòng)分(fēn)析方法主要包括以下三个特征。首先，按小(xiǎo)时计算電(diàn)力输出，然后汇总以评估年度发電(diàn)量。这种方法不仅提高了電(diàn)位评估的准确性，而且还能(néng)够在规划设计中考虑太阳能(néng)强度随时间变化。其次，采用(yòng)一致和全面的框架建模来分(fēn)析影响实际太阳能(néng)電(diàn)站发電(diàn)的因素和空间变化，包括考虑组件倾斜角度，组件分(fēn)布密度，遮阳，温度和系统影响因素。最后，从数据同化系统（DAS）的戈达德地球观测系统正向处理(lǐ)，（GEOS-5 FP）第5版采用(yòng)了具有(yǒu)高空间分(fēn)辨率的太阳辐射数据，这是一种广泛使用(yòng)的研究手段，并在大气化學(xué)研究中得到验证，该研究结合了一系列观测资料，包括来自卫星，无線(xiàn)電(diàn)探空仪，飞机，下投式探空仪，水面舰艇和浮标的数据。这种方法的实际意义體(tǐ)现在以下几个方面：该研究全面描述了BRI地區(qū)太阳能(néng)光伏发電(diàn)的技术潜力和关键参数，该产品可(kě)為(wèi)未来的國(guó)家和地區(qū)规划、政策制定提供信息。研究中揭示了分(fēn)布的空间和时间差异以及潜在生产和消费之间的不匹配突出了BRI框架内清洁能(néng)源合作的两个重要机会。其中一个涉及BRI國(guó)家之间的技术转让，以优先利用(yòng)具有(yǒu)最佳质量太阳能(néng)资源的地區(qū)进行开发。另一个关于全球和區(qū)域電(diàn)网互连的建议，可(kě)以在整个地區(qū)更好地调配太阳能(néng)发電(diàn)的供应和需求，从而有(yǒu)助于优化太阳能(néng)发電(diàn)功率的适应性变化。

资源潜力和环境影响

光伏发電(diàn)的年发電(diàn)潜力主要取决于场地适宜性和资源可(kě)用(yòng)性。这里的场地适宜性是指在可(kě)利用(yòng)土地类型的限制范围内可(kě)以获得大面积的平缓或平坦的空地，以及将可(kě)用(yòng)年限太阳辐射量的经济和技术利用(yòng)范围以外的區(qū)域排除在外。资源可(kě)用(yòng)性是指通过调整组件倾斜、间距和方向设置将太阳能(néng)转换為(wèi)電(diàn)能(néng)的能(néng)力，进一步调整资源可(kě)用(yòng)性以考虑温度和阴影的空间影响。如图1A所示，BRI國(guó)家技术上预计的太阳能(néng)发電(diàn)潜力高达448.9 PW.h，相当于2016年这些國(guó)家的总電(diàn)力需求的41.3倍。仅需总潜力的3.7％可(kě)以满足预期整个地區(qū)2030年的電(diàn)力需求。

BRI地區(qū)的四个國(guó)家，即中國(guó)，印度，伊朗和沙特阿拉伯，都被列為(wèi)世界十大二氧化碳排放國(guó)之一，2017年产生了132亿吨二氧化碳，排放量為(wèi)全球总量的39.4％。这些國(guó)家的太阳能(néng)潜力估计高达238.2 PW.h，占BRI地區(qū)总量的53.1％。如果这些國(guó)家30％的電(diàn)力需求由太阳能(néng)供電(diàn)，则可(kě)减少约24亿吨二氧化碳的排放，相当于全球碳排放量减少7.2％。

在没有(yǒu)完备電(diàn)力供应的BRI地區(qū)的國(guó)家也有(yǒu)丰富的太阳能(néng)资源。例如，電(diàn)力供应量最低的也门，目前的電(diàn)力供应量為(wèi)5 TW.h，而且大约28.4％的居民(mín)无法获得基本電(diàn)力服務(wù)。但也门的太阳能(néng)潜力可(kě)能(néng)高达19.4 PW.h，是目前的耗電(diàn)量的5000多(duō)倍。

由于太阳能(néng)资源受制于地理(lǐ)位置和场地适宜性的差异，BRI國(guó)家之间太阳能(néng)光伏发電(diàn)潜力存在显着的空间差异。包括中國(guó)，沙特阿拉伯，伊朗，埃及，印度，哈萨克斯坦和蒙古在内的國(guó)家的太阳能(néng)潜力都超过20 PW.h，占BRI地區(qū)总面积的70.8％。由于其相对较大的领土和相对低的纬度，中國(guó)的太阳能(néng)发電(diàn)潜力巨大，估计為(wèi)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(hěn)丰富，太阳能(néng)发電(diàn)及其相关发電(diàn)的潜力估计超过30 PW.h。

如果我们忽略了温度的影响，将导致BRI地區(qū)个别國(guó)家的太阳能(néng)发電(diàn)潜力被高估0.1％至15.0％。高温和强烈的太阳辐射会导致太阳能(néng)電(diàn)池组件面板温度升高，导致光電(diàn)转换效率降低并对总電(diàn)位产生负面影响。通常，高纬度地區(qū)不易受这些负面影响，而温度可(kě)能(néng)对低纬度地區(qū)的太阳能(néng)发電(diàn)产生显着的负面影响。例如，温度的影响将导致中欧和东欧地區(qū)以及独立國(guó)家联合體(tǐ)（CIS）的太阳能(néng)发電(diàn)潜力分(fēn)别下降6.0％和4.4％，而西亚地區(qū)则下降12.7％。如果不考虑温度，十大國(guó)家的太阳能(néng)潜力将被高估9.2％。这突出了在项目规划和选址中考虑温度引起的发電(diàn)损失的重要性。对温度影响的预先估计有(yǒu)助于避免对太阳能(néng)光伏发電(diàn)产生过于乐观的经济评估，从而降低投资风险。

BRI地區(qū)的太阳能(néng)发電(diàn)潜力在图1B中按國(guó)家/地區(qū)进行了总结，表明了各个國(guó)家在太阳能(néng)光伏发電(diàn)方面的可(kě)投资的上限。BRI地區(qū)的潜在总装机量估计為(wèi)265.9 TW，是2017年全球太阳能(néng)光伏装机容量的600多(duō)倍。在BRI最有(yǒu)利的太阳能(néng)资源地區(qū)部署7.8 TW可(kě)提供電(diàn)力相当于2030年该地區(qū)的总電(diàn)力需求量。这将需要11.2万亿美元的资本投资，这项投资所需的土地面积仅為(wèi)88,426平方公里，约為(wèi)中國(guó)陆地面积的0.9％。

潜在装机量的空间分(fēn)布表现出与发電(diàn)潜力相似的空间分(fēn)布，因為(wèi)发電(diàn)潜力在空间上也随土地适宜性和纬度而变化。随着纬度的增加，太阳能(néng)電(diàn)池板的安装密度降低，因為(wèi)高纬度地區(qū)的太阳入射角的较低角度，需要太阳能(néng)電(diàn)池组件加大安装的倾角来最大化年发電(diàn)量。这反过来要求面板之间的间隔需要增大，最大限度地减少面板间阴影的影响，导致了每单位土地面积的装机容量低。此外，高纬度地區(qū)大面积土地被排除在外，因為(wèi)这些地區(qū)的太阳光長(cháng)时间处于倾斜照射状态，并且那里可(kě)用(yòng)的太阳辐射强度往往低于1,400 kWh /（m2⋅a）的阈值，1,400 kWh /（m2⋅a） 被认為(wèi)是经济上合理(lǐ)的最低开发阈值。因此，位于纬度超过50度的國(guó)家，包括俄罗斯和一些东欧國(guó)家，在装机容量和发電(diàn)方面的太阳能(néng)发電(diàn)潜力都很(hěn)低。幸运的是，许多(duō)高纬度國(guó)家拥有(yǒu)丰富的风力资源，是用(yòng)于替代化石燃料的好的清洁能(néng)源选择。俄罗斯的陆上风電(diàn)潜力估计高达120 PW.h。相比之下太阳能(néng)潜力仅仅只有(yǒu)3.2 PW.h。

容量要素的地理(lǐ)分(fēn)布

我们进一步量化了BRI地區(qū)太阳能(néng)光伏发電(diàn)的年平均容量要素，其地理(lǐ)分(fēn)布结果如图2所示。年容量要素，根据光伏電(diàn)站产生的年发電(diàn)量相对于同一时期内其装机容量总和的实现比率来定义，是衡量太阳能(néng)電(diàn)站资本投资的经济吸引力的重要指标。对于同等装机量在不同地点部署光伏電(diàn)站，较高的容量要素将获得更高的電(diàn)力收益，从而使得投资获得更有(yǒu)利的回报。容量要素的值可(kě)用(yòng)于推断可(kě)利用(yòng)小(xiǎo)时数，这是太阳能(néng)行业广泛用(yòng)于判断光伏電(diàn)站性能(néng)的术语。可(kě)利用(yòng)小(xiǎo)时数的相应值，等于容量要素乘以所测算时间段的小(xiǎo)时数。

容量要素的分(fēn)布主要由太阳能(néng)日照的可(kě)用(yòng)辐射量和光伏電(diàn)池组件参数所决定的，受其他(tā)因素影响较小(xiǎo)，例如温度、阴影等。从这个意义上讲，容量要素还明确定义了可(kě)用(yòng)太阳能(néng)资源的质量。如图2中的红色所示，青藏高原的容要素高达27％，是整个BRI地區(qū)最高的。这反映了该地區(qū)為(wèi)高海拔地區(qū)。然而，為(wèi)了充分(fēn)利用(yòng)这个地區(qū)容量要素的优势，需要電(diàn)网设施支持，将所产生的電(diàn)力传输到用(yòng)電(diàn)量中心區(qū)域。在这种环境中除了难以建造電(diàn)站之外，还要考虑到输電(diàn)成本，所以这种发電(diàn)潜力在短期内不太可(kě)能(néng)被利用(yòng)。高容量要素分(fēn)析也适用(yòng)于西亚國(guó)家，也门、阿曼、沙特阿拉伯和埃及等國(guó)家位于低纬度地區(qū)，这些地方沙漠土地面积大，还有(yǒu)丰富的太阳辐射。

图3A显示了每单位容量要素太阳能(néng)资源发電(diàn)潜力的分(fēn)布，并且颜色區(qū)分(fēn)了BRI區(qū)域内各个子區(qū)域的太阳能(néng)来源。图3B所示在给定容量要素截止值时，整个BRI區(qū)域在大于等于给定容量要素截止值对应潜在太阳能(néng)電(diàn)站装机量发電(diàn)潜力。根据结果显示，预计到2030年，在整个BRI區(qū)域容量要素值大于等于23.2％（图3B中的曲線(xiàn)与蓝線(xiàn)相交之前的位置）的地區(qū)，所部属的光伏電(diàn)站产生的发電(diàn)量可(kě)以提供整个BRI地區(qū)总用(yòng)電(diàn)需求；在整个BRI區(qū)域容量要素的值大于等于21.9％（图3B中的曲線(xiàn)与红線(xiàn)相交之前的位置）的地區(qū)，所部属的光伏電(diàn)站产生的发電(diàn)量可(kě)以提供全球总用(yòng)電(diàn)需求。具有(yǒu)最高容要素的區(qū)域位于南亚和东亚，主要反映了青藏高原的高辐射强度，如图3A中灰色和粉红色區(qū)域的右侧所示。最低容量要素分(fēn)布在独联體(tǐ)國(guó)家(CIS)，以紫色表示。只有(yǒu)16.4％的独联體(tǐ)國(guó)家可(kě)以在容量要素超过16.0％的區(qū)域装机，这说明这些國(guó)家的太阳辐射强度条件较差。

以蓝色显示的西亚地區(qū)的容量要素值相对较高，其值介于15.4％至22.6％之间。这个容量要素區(qū)间的高太阳能(néng)发電(diàn)潜力表明，在西亚地區(qū)部署太阳能(néng)電(diàn)站也可(kě)产生大量電(diàn)力。事实上，西亚國(guó)家的估计潜力高达208.7 PW.h，占该地區(qū)总数的46.5％。但光伏電(diàn)池板上的灰尘堆积是一个可(kě)能(néng)降低该區(qū)域太阳能(néng)電(diàn)站容量要素的主要问题，因為(wèi)它可(kě)能(néng)会对電(diàn)池板造成物(wù)理(lǐ)损坏，减弱组件接受到的太阳辐射，增加表面温度，从而降低整體(tǐ)效率。与巴林王國(guó)的每月对太阳能(néng)電(diàn)站清洁维护相比，没有(yǒu)清洁维护的電(diàn)站每年的電(diàn)力产量减少10％。然而，水的稀缺是安装在巴林王國(guó)的光伏组件清洗所面临的重大挑战。幸运的是，正在开发的几种不怎么需要水的自清洁方法，例如静電(diàn)除尘法，机械吹气除尘法和涂层法，為(wèi)应对这些挑战提供了解决方案。

据全球能(néng)源互联发展与合作组织（GEIDCO）估计，通过超高压（UHV）输電(diàn)線(xiàn)路為(wèi)主干的全球能(néng)源互联，全球清洁能(néng)源的装机容量将在2030年达到53TW。对于BRI沿線(xiàn)的许多(duō)國(guó)家而言，能(néng)够通过升级和拓展现有(yǒu)的本地互连電(diàn)网来实现能(néng)源互联，而不用(yòng)通过建造新(xīn)的基础设施，这是更容易实现的。各國(guó)之间的相互信任，应对气候变化的共识，國(guó)际電(diàn)力交易市场的成熟以及特高压電(diàn)网和智能(néng)電(diàn)网的技术进步都是实现BRI能(néng)源互联的先决条件。此外，需要进一步研究输電(diàn)损耗，噪声，土地使用(yòng)变化和電(diàn)网设施區(qū)域的電(diàn)磁场，以最大限度地减少对环境的影响。

目前，全球温室气體(tǐ)（GHG）排放量的55％以上来自BRI地區(qū)，在“一切照旧”的情况下，这个数字预计到2030年将超过65％。这种增長(cháng)不仅会受到大型碳排放國(guó)的推动，还会受到其他(tā)一些正在迅速扩大電(diàn)力供应以推动经济增長(cháng)的國(guó)家的推动。鉴于人类活动已经导致全球平均表面温度增加，因此想要限制未来全球气温达到“巴黎协定”所规定的全球平均气温升幅控制在相对于工业化前水平2°C以内，这将使BRI地區(qū)未来经济增長(cháng)面临更多(duō)困难。快速而深遠(yuǎn)的能(néng)源转型对于降低長(cháng)期和不可(kě)逆转的变革风险就显得非常急迫和必要。