治理空气污染让太阳能“多收三五斗”

▲杨溯(左一)和Martin Wild

▲1960~2015年，气溶胶排放、太阳能能力因子和大气污染治理政策带来的变化

治理空气污染，不仅会改善环境质量，还会带来巨大的经济价值。

近日，瑞士苏黎世联邦理工大学大气与气候科学学院Martin Wild教授课题组的Bart Sweerts及同事分析了中国119个观测站在1960年至2015年间的地面太阳辐射观测数据后发现，由于空气污染，中国的太阳能潜力在1960年至2015年间平均下降了11%～15%。如果地面太阳辐射恢复至上世纪60年代水平，中国的太阳能发电能力将增长12%至13%。相关研究成果近日发表于《自然—能源》杂志。

“这一发现清楚地表明了空气污染将会怎样阻碍太阳能的发展，同时也为空气质量恢复至上世纪60年代良好水平提供了一个充足的理由。”论文第一作者Bart Sweerts告诉《中国科学报》。

太阳辐射与空气污染相关

“我们做这一研究的初衷就是为了告诉大家，治理空气污染不仅可以改善空气质量，也能产生巨大的经济价值。”论文作者之一、中国气象局国家气象信息中心高级工程师杨溯告诉《中国科学报》。

他告诉记者，这项研究是他和Sweerts在苏黎世联邦理工大学Wild课题组访学期间共同完成的工作成果。对于空气污染和太阳辐射的关系，他在读博期间就已开始关注。

而Sweerts告诉《中国科学报》，中国的太阳能装机容量位居全球第一，而且未来还有继续发展的趋势。另外，中国的屋顶分布式太阳能电站近年来也发展迅速。与之相伴的是，在中国高密度人口地区，空气污染情况非常严重。种种因素，使得研究空气污染和太阳能之间的关系成为主要课题之一，也引起了他的关注。

过去20年里，全球太阳能光伏发电规模不断扩张。从2000年到2017年，世界范围内太阳能装机容量从4吉瓦增长到了385吉瓦，不断超出人们的预期。中国对于太阳能光伏的投资同样巨大，装机容量从2010年的1吉瓦发展到2017年底的130吉瓦。截至2017年，中国已经占据了全球新增装机容量的一半多，并超过了原计划2020年实现110吉瓦的目标，正在向2030年装机容量400吉瓦的目标迈进。中国政府希望借此可以早日落实其在《巴黎协定》中所作出的承诺， 让20%的电力来自可再生能源成为现实。

而这项研究之所以确定空气污染对于太阳能生产有直接影响，则起源于杨溯此前和同事所做的一个成果。

杨溯告诉《中国科学报》，长期以来，太阳辐射都被认为是恒定不变的，然而，越来越多的证据表明，过去60年里，太阳辐射发生了显著的变化。

杨溯和合作伙伴基于我国119个地面观测站的太阳总辐射、云量等长期观测数据，分析了地面太阳辐射(SSR)变化特征及云在不同时期对SSR的影响。结果显示，1958～2016年间我国SSR经历了先下降后上升的变化过程，其中1958～2005年SSR显著下降(“变暗”)，2005年～2016年后SSR开始上升(“变亮”)。而这与中国积极主动地采取措施减少空气污染，特别是消除作为主要来源的燃煤对空气的影响息息相关。

治理空气污染的经济价值

Sweerts等人发现，过去60年，太阳辐射的减少严重影响了太阳能的生产。而且，这一影响还随着中国太阳能光伏产业的发展日益增加。如果分别以1961年～1965年(基准值)及2011年～2015年(变暗期)这两个阶段作为参考标准，那么到2030年中国的太阳能发电产量最高将达到422吉瓦，最低则是300吉瓦，其中分布式太阳能光伏所占比重也将由45%下降到20%，差距不可谓不大。

他们的研究表明，由于空气污染，中国的“光电潜力”在1960年至2015年期间平均下降了11%～15%。如果太阳光照强度恢复至上世纪60年代水平，到2030年中国的太阳能发电则将增长12%至13%，即新增发电510亿～740亿千瓦时。“而这一‘电力红利’将会使中国公共事业部门多获利47亿美元到67亿美元。”Sweerts说。

他以2016年的中国太阳能光伏发电为例。如果按照当年的装机容量，在太阳光照强度恢复至上世纪60年代水平的情况下，将会新增140亿千瓦时的“电力红利”，即19亿美元的经济价值。与之相对应的是，以基准值作为参照，局部受影响最为严重的地区太阳能能力因子下降了20%～28% 。

基于这样的研究，中国的太阳能产业应该注意什么问题呢?对此，Sweerts表示，目前中国已然进入了正确的发展轨道，即在大力发展太阳能光伏产业的同时，采取有效手段治理空气污染。“虽然对于未来作出预测是很困难的一件事，但鉴于中国目前在这两方面都取得了很大的成功，我们期待未来还会如此发展，并取得可预期的收获。”Sweerts说。

下一个研究目标

在进行这项研究的过程中，Sweerts和杨溯发现，西藏和青海这两个中国人口密度较小且工业企业较少的地方同样出现了太阳能能力因子下降的现象。因此，接下来，他们可能会继续进行太阳辐射“变暗”和低风速之间相关关系的研究，因为这一因素也会影响太阳能生产的稳定性及总体产能。

除此之外，“下一个研究对象可能是印度。”Sweerts告诉记者。在他看来，无论是就所处的太阳能发展阶段还是空气污染现状而言，印度和中国都有很多相似性。

对于Sweerts和杨溯等人的研究成果，中国气象科学研究院研究员张华认为，其主要价值在于能把当前对地表太阳辐射变化趋势研究的科学成果转化为对中国太阳能可利用的能力。“这是中国绿色能源利用的一部分，也是中国政府和相关企业非常关心的问题。”张华说。

不过，她同时指出，目前该研究结论的前提是把中国地区地表太阳辐射自上世纪60年代以来的变化趋势归因为人为(燃煤)气溶胶排放，但实际上这个原因还有很多不确定性，例如云的变化是否在其中起了很大的影响。

“即便如此，该论文仍然为中国的太阳能利用提供了非常有价值的参考。”张华说。