文献阅读 |气候变化下极端气候对全球光伏发电的影响

题目

Climate change extremes and photovoltaic power output

作者

Sarah Feron, Raúl R. Cordero , Alessandro Damiani and Robert B. Jackson 

期刊

Nature Sustainability

时间

2020年12月

一作

单位

Universidad de Santiago de Chile, Santiago, Chile.

Department of Earth System Science, Stanford University, Stanford, CA, USA.

链接

https://doi.org/10.1038/s41893-020-00643-w

研究内容

全球可持续发展要求实施减缓策略以应对气候变化，其中能源系统快速向可再生能源过渡是重要的减缓措施。然而，气候变化本身会影响可再生能源的输出，因为它增加了天气的可变性，使极端气候事件更加频繁。例如，高温或云量增多会导致光伏(PV)输出功率下降。本文作者评估了全球尺度上导致超低的光伏功率输出的气候条件（高温和多云情况）的频率变化。具体计算依据CMIP5中的7个全球气候模型在两种未来情景（RCP4.5 和 RCP8.5)的模拟。结果表明，这种变化有强烈的季节性差异和空间。即使在中等排放的情况下，到本世纪中叶，阿拉伯半岛光伏发电输出的超低的夏季天数预计将增加一倍，但在同一时期，南欧预计会减少一半。在冬季，无论是光伏发电的增强还有减弱的变化，预计都不会那么显著。在中低纬度地区这种不显著性更强。本研究结果为能源规划者提供了有效的参考与相关科学基础，适当的应对策略指定可补偿未来气候变化带来的影响。

研究方法

为了评估极端事件发生概率的变化，本文评估了光伏发电输出超低天数(以10%分位数进行定义)的未来时空变化。使用了三个指标：超低功率输出（PV10）、每个季节超低功率输出的事件数量(PV10N)和一个季节中超低功率事件出现的最长天数(PV10D)。

与光伏发电相关的自然因素

我们选择光伏电势（PVPOT）作为光伏功率输出的代表，PVPOT定义为标准条件下光伏模块表现出的输出功率的分数

其中ISTC是标准情况（1000 W/m²）的下行短波（SW）辐射作用于光伏模块，I是照射在现场光伏组件上的SW辐照度。PR也被称为性能比，它能够表征电池温度（TCell）对其效率的影响。根据先前的研究，Pr的计算公式可以列为：

其中，TSTC是标准试验条件下的电池温度（25℃），γ对于单晶硅电池来说，是0.005℃^-1。当光伏单元温度高于25℃就会导致发电功率下降，光伏单元的温度又是由大气温度 T 和风速 v 等自然条件所决定的，具体的经验公式可由先前的研究得出：

其中C1=4.3℃，C2=0.943，C3=0.028℃W^-1m²，C4=1.528℃m^-1s。根据上述公式我们可以看出，风能够快速降温光伏模块，从而提高发电效率。虽然自然因素辐射 I 、风速 v 和 温度 T 在一天中会变化，这里作者使用 GCMs 提供的日数据来计算 PVPOT 的日估计值。也就是，在上述计算公式中 I 被视为等于下行短波辐射的每日估计值，v 被视为等于表面风速和 T 等于平均表面温度的日估计值。在这项研究中，选择了CMIP5种来自不同机构的7个模型(以确保公平分布和代表性) GCM 所提供的 I、v 和 T 的每日估计值。并采用再分析数据ERA-Interim进行了连贯性和一致性的分析。

极端事件的定义与评估

基于极端事件发生概率与重现期的评估方法，首先选择1961-1990年30年作为基准期，计算PVPOT 数据的15天为窗口的滑动平均值，以形成每天 450 个值的数据集。为参考期提供了一个更稳健的概率密度函数，对特定一天的异常值给予较小的权重。在每个位置(即气候模型的网格点上)的数据集平均值可定义一个日基本气候态，由此可以反过来计算每日 PVPOT 异常。

PV10为较低PVPOT的百分比天数(PVPOT分布小于百分之十分位数的天数比例)。PV10代表了极低光伏功率百分比，它与高温或低下行短波辐射有关(由云和气溶胶引起)。PV10 估计值是随气候条件(温度、风速和辐照度)的变化而变化的，因此未来的某个时期可能会明显不同。同样类似的计算了，以百分之九十分位数定义的PV90。

PV10N每个季节内较低功率输出的事件数量。每个事件都是至少连续三天有低于百分之十分位数的功率输出。

PV10D：一个季节中最长事件的天数。

研究结果

在典型的浓度路径RCP4.5情景下，气候变化对于平均光伏发电输出的影响如下图所示。图1.a展示了预计到本世纪中叶PVPOT的变化情况，气候变化预计只会在较小到中等程度上改变平均光伏发电输出。夏季PVPOT 估计值在阿拉伯半岛部分地区的变化为-4%和在中欧的变化为+5%。PVPOT 的变化在其他地区不太明显，如阿塔卡马沙漠(+3%)、澳大利亚东南部(-2%)、中国东部和东南亚(+2%)、非洲西北部(-2%)、美国西南部(-2%)、美国东北部(+2%)和中亚(-3%) 。预计非洲大部分地区的光伏太阳能潜力变化不大(小于 3%)，但东非(坦桑尼亚周围)除外，该地区的夏季光伏太阳能潜力下降幅度略大。

图1. 未来夏季光伏潜力的变化在全球范围内平均来说是适度的。a–f， 在RCP4.5情景下，2036–2065 年相对于基准期（ 1961–1990 年）GCM 的多模式集合平均（MMM）的（a） PVPOT的夏季变化、（b）下行短波辐射辐照度的夏季变化、（c）地表环境温度的夏季变化、（d）云量百分比的夏季变化、（e）地表风速变化的夏季变化和 （f） 气溶胶光学厚度的夏季变化。这些图表是由南半球 12 月至 2 月(DJF)的数据和北半球 6 月至 8 月(JJA)的数据组合而成的。点画表示检测到的变化被认为是显著的区域。

图2. 未来冬季光伏潜能的变化仅与高纬度地区有关。a–f，从 1961–1990 年到 2036–2065 年(RCP4.5)基于 GCM 的多模式集合平均（MMM）（a） PVPOT的冬季变化、（b）下行短波辐射辐照度的冬季变化、（c）地表环境温度的冬季变化、（d）云量百分比的冬季变化、（e）地表风速变化的冬季变化和 （f） 气溶胶光学厚度的冬季变化。这些图表是由北半球 12 月至 2 月(DJF)的数据和南半球 6 月至 8 月(JJA)的数据组合而成的。点画表示检测到的变化被认为是显著的区域。

如图2所示。冬季的 PVPOT 变化预计与夏季的变化方向几乎相同。然而，变化的幅度在一些地区有所不同。例如，因为云量百分比的下降(图2.d)和气溶胶冬季的增幅不如夏季大(图2.f)，因此相应的 PVPOT 增幅预计冬季将不如夏季显著。北半球高纬度地区的PVPOT 估计值(图2.a)预计在冬季比夏季下降更剧烈，因为这些地区的云量预计会急剧增加(图2.d)。根据CMIP5 模型预测在本世纪北冰洋和高纬度陆地区域的云量百分比会增加。

预计到本世纪中叶，世界各地的平均 PVPOT 估计值的变化范围从较小到中等。然而，这些相对较小的变化掩盖了光伏发电输出极低天数的重要变化。预计到本世纪中叶，南欧光伏发电输出(PV10)极低的夏季天数将减少约 50%,但同期阿拉伯半岛的夏季天数将增加100%以上，即使是在中度排放情景下 (RCP4.5)。如图3.a所示。PV10的变化在其他太阳能光伏能源潜力高的地区也很重要；在 RCP4.5 情景下，美国西南部极低光伏输出日的百分比预计将增加约 30%，而在相同情景下，德国南部的 PV10 估计值预计将下降约 30%。在南部非洲、澳大利亚东南部、非洲西北部、中国东部、东南亚和阿塔卡马沙漠，变化不太明显(低于 20%)。在中纬度地区，PV10 估计值的变化预计在冬季没有夏季明显。例如，预计冬季阿拉伯半岛的 PV10 估计值将增加约 40%(图3b)，但在夏季可能会上升 100%以上(图3a)。预计高纬度地区冬季云量的增加(图2d)将导致北半球到本世纪中叶 PV10 估计值增加 50%以上(图3b)。

PV10N 的变化(图3.c,d)和 PV10D(图3.e,f)中，夏季变化也比冬天大得多，尤其是在低纬度地区。如前所述，事件被定义为连续三天的出现较低功率输出。而 PV10N的增加可能增加光伏功率的间歇性并影响网络稳定性。到本世纪中叶，阿拉伯半岛和非洲东北部每年夏天可能会经历两次以上的事件(目前通常每年夏天有一次)，这些事件中最长的可能持续八天(目前夏天最长的事件通常持续不到五天)。对于世界其他地区，PV10N 和 PV10D 值的变化预计不太显著。然而，到本世纪中叶，美国西南部、东南亚和印度北部每年夏天可能会经历一次或两次事件(目前他们通常每个夏天都会经历一次)，这些事件中最长的可能会持续四到六天(目前夏季最长的事件通常会持续大约三到四天)。低纬度和中纬度地区冬季的变化表现出类似的区域特征，但预计不会那么显著。

图3 . 夏季光伏发电间歇性的变化预计在欧洲和阿拉伯半岛会更强。显示了RCP4.5情景下2036–2065年相对于基准年1961–1990 PV10 (a，b)、PV10N (c，d)和 PV10D (e，f) ，对应于夏季的曲线(a、c、e)是通过汇集南半球的 DJF 数据和北半球的 JJA 数据制作的，而对应于冬季的曲线(b、d、f)是通过汇集南半球的 JJA 数据和北半球的 DJF 数据制作的。点表示检测到的变化被认为是显著的区域。

研究讨论

可持续的能源转换需要可靠的规划，以补偿光伏系统整个生命周期中由于气候变化带来的潜在负向影响。未来的气候可能会增加天气的可变性，增加可再生能源发电的间歇性，从而增加对储能和电网稳定服务的需求。了解光伏发电输出对不断变化的气候状况的响应，对于能源转型以及可持续发展至关重要。

先前的研究重点关注研究了气候变化对未来光伏发电输出的影响，发现气候变化预计会导致平均光伏发电量相对适度的变化。然而，通常没有考虑到增强的天气变化性对光伏功率输出的影响。本研究的结果证实，虽然平均光伏发电量预计只会发生轻微至中等程度的变化 (在 RCP4.5情景下)，但它们强调了这样一个事实，即这些相对温和的变化掩盖了光伏发电输出极低天数的重大变化。未来的气候将改变对光伏发电有影响的自然因素的时空分布，这些变化是不确定性的来源，可能会使能源规划复杂化，并在不久的将来损害能源部门的投资。例如，虽然云量下降可能会提高网络的可靠性，但温暖或多云条件的增加可能会在短时间内提高非常低的光伏功率输出，从而影响网络的稳定性。

未来气候相关的极端气候事件的变率产生的负面影响通常在当前的光伏发电输出估计中忽略。这种疏忽可能会损害光伏项目的经济可持续性。光伏发电输出极低天数的增加可能会加剧光伏发电的间歇性，使维持电网内的生产/消费平衡变得更加困难。特别是，极低功率输出的最长事件的大幅增加可能会影响生产成本（因为在这些更长的事件期间，需要增强能量存储以提供备用功率以及电网稳定服务)。

编辑&排版：朱羽遥

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