圖形概要
國家主席習近平于2013年發起的“一帶一路”倡議（BRI）旨在促進整個歐亞大陸的經濟發展和經濟一體化。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，通過商業貿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“海上絲綢之路”的陸上“絲綢之路經濟帶”。
BRI已經成為一個擁有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，強調可能集中的基礎設施投資、快速增長的區域電力需求，以及區域能源合作的潛在優勢。2017年，超過30％的這些BRI國家實現了年度國內生產總值（GDP）增長率超過5％。據估計，從2015年到2030年，約占世界GDP的50％增長可能來自BRI地區。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。預計未來BRI國家對電力的需求將大幅增加，用以推動預計的經濟增長并滿足基本的電力需求。因此，能源基礎設施的建設一直是BRI國家合作的基本要素。2014年至2017年，BRI地區投資估計為2412億美元，其中80％以上用于開發使用或促進化石燃料使用的技術，包括石油、天然氣、石化和發電。全球日益關注并不斷強調，如果提升化石燃料的燃燒技術，就會減緩化石燃料使用對氣候變化的影響。BRI地區高碳排放型發電廠的進一步擴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，它們預計將運行數十年，持續向大氣中釋放二氧化碳。
BRI國家當地的太陽能資源可以提供一種重要的環境友好型發電替代方案，以替代或減少化石能源發電，提供了將未來經濟增長與碳排放增加脫鉤的解決方案。本文中定義的BRI地區，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，每年的太陽輻射強度高于1400 kWh /（m2⋅a）。過去五年，太陽能光伏發電的全球裝機容量幾乎增加了兩倍，從2013年的138.9GW增加到2017年的401.5GW。隨著技術的快速發展和成本下降，預計到2040年全球光伏發電裝機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（NDCs）的量化目標要求到2030年太陽能發電額為2560億美元，占地區可再生能源投資總額的55％；BRI國家的太陽能累計投資達到98億美元，帶來明顯的經濟和環境效益。在BRI地區開發可再生清潔能源的規劃和政策制定中，了解太陽能的潛能和時空分布將在BRI區域內開發太陽能資源發揮核心作用。此外，全面分析太陽能發電潛力有助于確定BRI框架內清潔能源合作的實際基礎。
大量研究課題研究了光伏發電在各個國家、地區和整個世界范圍內的潛力，主要采用基于地理信息系統（GIS）的多標準方法。Hoogwijk率先在全球范圍內評估光伏發電的潛力，最近關于光伏發電潛力的研究強調了西非、東南亞國家聯盟（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因素，例如土地適宜性分析和選址標準；優化組件的傾斜方向；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及其在潛力研究模型中的應用，分析在BRI區域的太陽能發電情況。通過開發集成軟件系統顧問模型（SAM），用以提供每小時輸出信息，來促進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，其應用僅限于個別項目，不適合從區域角度進行綜合分析。
在本文中，我們開發了一種綜合的太陽能資源評估方法，重點是評估整個BRI地區66個國家可實際利用規模的太陽能資源技術潛力。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電量。這種方法不僅提高了電位評估的準確性，而且還能夠在規劃設計中考慮太陽能強度隨時間變化。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，溫度和系統影響因素。最后，從數據同化系統（DAS）的戈達德地球觀測系統正向處理，（GEOS-5 FP）第5版采用了具有高空間分辨率的太陽輻射數據，這是一種廣泛使用的研究手段，并在大氣化學研究中得到驗證，該研究結合了一系列觀測資料，包括來自衛星，無線電探空儀，飛機，下投式探空儀，水面艦艇和浮標的數據。這種方法的實際意義體現在以下幾個方面：該研究全面描述了BRI地區太陽能光伏發電的技術潛力和關鍵參數，該產品可為未來的國家和地區規劃、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和消費之間的不匹配突出了BRI框架內清潔能源合作的兩個重要機會。其中一個涉及BRI國家之間的技術轉讓，以優先利用具有最佳質量太陽能資源的地區進行開發。另一個關于全球和區域電網互連的建議，可以在整個地區更好地調配太陽能發電的供應和需求，從而有助于優化太陽能發電功率的適應性變化。
資源潛力和環境影響
光伏發電的年發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濟和技術利用范圍以外的區域排除在外。資源可用性是指通過調整組件傾斜、間距和方向設置將太陽能轉換為電能的能力，進一步調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國家技術上預計的太陽能發電潛力高達448.9 PW.h，相當于2016年這些國家的總電力需求的41.3倍。僅需總潛力的3.7％可以滿足預期整個地區2030年的電力需求。
BRI地區的四個國家，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238.2 PW.h，占BRI地區總量的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，相當于全球碳排放量減少7.2％。
在沒有完備電力供應的BRI地區的國家也有豐富的太陽能資源。例如，電力供應量最低的也門，目前的電力供應量為5 TW.h，而且大約28.4％的居民無法獲得基本電力服務。但也門的太陽能潛力可能高達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的國家的太陽能潛力都超過20 PW.h，占BRI地區總面積的70.8％。由于其相對較大的領土和相對低的緯度，中國的太陽能發電潛力巨大，估計為100.8 PW.h，在BRI地區排名最高。而沙特阿拉伯，伊朗和埃及也很豐富，太陽能發電及其相關發電的潛力估計超過30 PW.h。
如果我們忽略了溫度的影響，將導致BRI地區個別國家的太陽能發電潛力被高估0.1％至15.0％。高溫和強烈的太陽輻射會導致太陽能電池組件面板溫度升高，導致光電轉換效率降低并對總電位產生負面影響。通常，高緯度地區不易受這些負面影響，而溫度可能對低緯度地區的太陽能發電產生顯著的負面影響。例如，溫度的影響將導致中歐和東歐地區以及獨立國家聯合體（CIS）的太陽能發電潛力分別下降6.0％和4.4％，而西亞地區則下降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％。這突出了在項目規劃和選址中考慮溫度引起的發電損失的重要性。對溫度影響的預先估計有助于避免對太陽能光伏發電產生過于樂觀的經濟評估，從而降低投資風險。
BRI地區的太陽能發電潛力在圖1B中按國家/地區進行了總結，表明了各個國家在太陽能光伏發電方面的可投資的上限。BRI地區的潛在總裝機量估計為265.9 TW，是2017年全球太陽能光伏裝機容量的600多倍。在BRI最有利的太陽能資源地區部署7.8 TW可提供電力相當于2030年該地區的總電力需求量。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％。
潛在裝機量的空間分布表現出與發電潛力相似的空間分布，因為發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，導致了每單位土地面積的裝機容量低。此外，高緯度地區大面積土地被排除在外，因為這些地區的太陽光長時間處于傾斜照射狀態，并且那里可用的太陽輻射
度往往低于1,400 kWh /（m2⋅a）的閾值，1,400 kWh /（m2⋅a） 被認為是經濟上合理的最低開發閾值。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，在裝機容量和發電方面的太陽能發電潛力都很低。幸運的是，許多高緯度國家擁有豐富的風力資源，是用于替代化石燃料的好的清潔能源選擇。俄羅斯的陸上風電潛力估計高達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
我們進一步量化了BRI地區太陽能光伏發電的年平均容量要素，其地理分布結果如圖2所示。年容量要素，根據光伏電站產生的年發電量相對于同一時期內其裝機容量總和的實現比率來定義，是衡量太陽能電站資本投資的經濟吸引力的重要指標。對于同等裝機量在不同地點部署光伏電站，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，這是太陽能行業廣泛用于判斷光伏電站性能的術語。可利用小時數的相應值，等于容量要素乘以所測算時間段的小時數。
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量。如圖2中的紅色所示，青藏高原的容要素高達27％，是整個BRI地區最高的。這反映了該地區為高海拔地區。然而，為了充分利用這個地區容量要素的優勢，需要電網設施支持，將所產生的電力傳輸到用電量中心區域。在這種環境中除了難以建造電站之外，還要考慮到輸電成本，所以這種發電潛力在短期內不太可能被利用。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，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電潛力的分布，并且顏色區分了BRI區域內各個子區域的太陽能來源。圖3B所示在給定容量要素截止值時，整個BRI區域在大于等于給定容量要素截止值對應潛在太陽能電站裝機量發電潛力。根據結果顯示，預計到2030年，在整個BRI區域容量要素值大于等于23.2％（圖3B中的曲線與藍線相交之前的位置）的地區，所部屬的光伏電站產生的發電量可以提供整個BRI地區總用電需求；在整個BRI區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，所部屬的光伏電站產生的發電量可以提供全球總用電需求。具有最高容要素的區域位于南亞和東亞，主要反映了青藏高原的高輻射強度，如圖3A中灰色和粉紅色區域的右側所示。最低容量要素分布在獨聯體國家(CIS)，以紫色表示。只有16.4％的獨聯體國家可以在容量要素超過16.0％的區域裝機，這說明這些國家的太陽輻射強度條件較差。
以藍色顯示的西亞地區的容量要素值相對較高，其值介于15.4％至22.6％之間。這個容量要素區間的高太陽能發電潛力表明，在西亞地區部署太陽能電站也可產生大量電力。事實上，西亞國家的估計潛力高達208.7 PW.h，占該地區總數的46.5％。但光伏電池板上的灰塵堆積是一個可能降低該區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相比，沒有清潔維護的電站每年的電力產量減少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。幸運的是，正在開發的幾種不怎么需要水的自清潔方法，例如靜電除塵法，機械吹氣除塵法和涂層法，為應對這些挑戰提供了解決方案。
據全球能源互聯發展與合作組織（GEIDCO）估計，通過超高壓（UHV）輸電線路為主干的全球能源互聯，全球清潔能源的裝機容量將在2030年達到53TW。對于BRI沿線的許多國家而言，能夠通過升級和拓展現有的本地互連電網來實現能源互聯，而不用通過建造新的基礎設施，這是更容易實現的。各國之間的相互信任，應對氣候變化的共識，國際電力交易市場的成熟以及特高壓電網和智能電網的技術進步都是實現BRI能源互聯的先決條件。此外，需要進一步研究輸電損耗，噪聲，土地使用變化和電網設施區域的電磁場，以最大限度地減少對環境的影響。
目前，全球溫室氣體（GHG）排放量的55％以上來自BRI地區，在“一切照舊”的情況下，這個數字預計到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大電力供應以推動經濟增長的國家的推動。鑒于人類活動已經導致全球平均表面溫度增加，因此想要限制未來全球氣溫達到“巴黎協定”所規定的全球平均氣溫升幅控制在相對于工業化前水平2°C以內，這將使BRI地區未來經濟增長面臨更多困難。快速而深遠的能源轉型對于降低長期和不可逆轉的變革風險就顯得非常急迫和必要。
