碳中和目標驅動下，光伏發電裝機水准預計將成倍增長。空氣污染將會降低光伏發電水准，有損光伏發電的“减污降碳”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潜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准的時間、空間變動性及其驅動因素，量化了空氣品質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准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，則近十年我國空氣品質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，我國空氣品質改善對中國太陽能發電水准有著顯著的正效益。排除氣象條件影響，以我國2020年太陽能光伏裝機情况進行分析，與2008年相比，2020年空氣品質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，相當於我國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，以及替代煤電機組潜在的3.6百萬噸二氧化碳减排量，1.5、1.4、0.2千噸二氧化硫、氮氧化物及一次細顆粒物减排量。如果2060年我國空氣品質進一步提升（以當前西藏地區水准作為目標參攷），則實現碳中和目標所需的光伏發電裝機與空氣品質水准維持在2008年水准的情景相比將下降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）潜力與散射（DIF）潜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）的潜力變化趨勢，黑色點狀標記代表該趨勢統計顯著
該研究首先通過潜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徵，並依據直射光和散射光對發電量的貢獻將總潜力分解為直射潜力與散射潜力（圖1）。研究發現，從1995年到2019年，我國總潜力呈現1.07%/10年的下降趨勢，直射光與散射光貢獻潜力分別呈1.85%/10年和1.03%/10年的下降與上升趨勢。潜力變動特徵區域差异明顯，區別於總體長期趨勢，2008年以後我國華東、東北及華北電網的直射潜力與散射潜力分別呈3.20%/10年和5.70%/10年的上升與下降趨勢。
圖2中國大陸總潜力（A）、直射潜力（B）與散射潜力（C）變動性（當年潜力相對於25年平均潜力變化）的驅動因素分解。紅色折線代表潜力評估模型輸出的總潜力值，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，對光伏發電水准的長時序時空變動特徵進行因素分解（圖2）。結果表明，氣溶膠光學厚度（AOD）與雲面積指數（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年的增强趨勢，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年以後，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。其中受益於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潜力。而對於我國華中、南方與西藏電網而言，2008年以後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，導致區域潜力呈下降趨勢。
圖3圖形摘要
該研究揭示的空氣品質改善對光伏發電、氣候治理和空氣品質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攷價值，對於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於光伏發電水准的提升，减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；而光伏發電水准的提升將加速其對傳統高碳電源的取代，進一步提升空氣品質。
4月28日，該成果以“我國空氣品質的改善將提升太陽能發電水准並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）為題線上發表於細胞（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後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裏斯·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傑出青年基金、重點專案、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、國家博士後創新人才支持計畫和清華大學“水木學者”計畫等資助。
論文連結：
https://www.sciencedirect.com/science/article/pii/S2590332222002032