太阳能光伏发电是实现碳中和目标的重要支撑。随着我国能源系统向低碳化转型，污染物排放持续下降，空气质量改善将改变到达地表的太阳辐射，从而影响光伏发电效率和发电量。然而，不同碳中和技术路径在能源结构、减排重点和污染物排放变化方面存在显著差异，其对未来太阳能资源和光伏发电收益的影响仍缺乏系统量化。

近日，清华大学环境学院赵斌副教授团队与中国科学院大气物理研究所等单位合作，耦合中国全球能源模型（C-GEM）、气象化学耦合模式（WRF-Chem）和光伏模型链模型，构建了从能源转型路径、污染物排放变化、大气辐射响应到光伏发电收益的综合评估框架，定量揭示了不同碳中和路径下空气质量改善对我国未来光伏发电的调节作用。

研究团队设置了基准情景以及三类具有不同技术特征的碳中和路径，包括高可再生能源路径、高生物质能路径和碳捕集与封存路径。研究结果表明，不同碳中和路径带来的光伏发电增益存在显著差异（图1）。其中，以风能和太阳能等可再生能源大规模部署为特征的高可再生能源路径能够带来最显著的空气质量改善效益，并使2060年全国年光伏发电量相对于基准情景增加57526±10314吉瓦时，对应经济收益约为每年51.8±9.3亿美元。相比之下，高生物质能路径和碳捕集与封存路径下的新增年发电量分别为20717±3937吉瓦时和28899±5288吉瓦时，明显低于高可再生能源路径。这一增益的量级也具有重要意义，研究还将空气质量改善带来的光伏发电增益与光伏组件技术进步进行了对比讨论。高可再生能源路径下由空气质量改善带来的光伏发电潜力提升，已达到与近年来光伏组件效率和系统技术进步相当的量级。换言之，在不额外依赖光伏电池材料、组件制造工艺或系统设备升级投入的情况下，污染物减排和空气质量改善本身即可为光伏发电带来可观的“隐性增益”。

图1. 碳中和路径下空气质量改善导致的光伏发电收益（a）以及各区域占比（b）（BS：基准情景；HR：高可再生能源碳中和路径；HB：高生物质能碳中和路径；CS：高碳捕集与封存碳中和路径）

机制分析显示，空气质量改善提升光伏发电的关键在于地表太阳辐射增强。以往研究多关注气溶胶对太阳辐射的直接散射和吸收作用，即气溶胶-辐射相互作用。该研究进一步表明，在未来碳中和路径下，气溶胶-云相互作用对地表辐射增强的贡献更为突出，约占总辐射增益的3/4。污染物排放减少降低了气溶胶负荷，并通过影响云滴数浓度、液态水路径和云光学厚度等云微物理过程，使更多太阳辐射到达地表，从而提高光伏发电潜力。

研究还发现，空气质量改善带来的光伏发电增益具有明显区域差异。东部、华中和南方等经济发达、电力需求较高的地区，由于基准污染水平较高、减排后太阳辐射改善更显著，同时光伏装机布局较为集中，因此能够获得更大的发电增益和经济收益。这一结果表明，在未来能源系统规划中，应充分考虑空气质量改善与可再生能源部署之间的协同效应。特别是在高电力需求地区，空气质量改善不仅能够提升本地光伏发电能力，也有助于增强区域能源自给水平和电力系统韧性。

该研究指出，碳中和路径的选择不仅决定温室气体和大气污染物减排效果，也会通过气溶胶-云-辐射过程反作用于可再生能源发电表现。将空气质量变化纳入太阳能资源评估和能源系统规划，有助于更全面认识不同碳中和路径的综合效益，并为优化我国低碳能源转型路径提供科学依据。

该研究成果以“碳中和路径调控空气质量改善的光伏发电收益”（Carbon neutrality strategies modulate air quality effects on solar power generation）为题，于9月1日在线发表在《自然·通讯》（Nature Communications）。

论文第一作者为中国科学院大气物理研究所施红蓉，通讯作者为清华大学赵斌副教授和中国科学院大气物理研究所夏祥鳌研究员。

该研究得到国家重点研发计划、中国科学院战略性先导科技专项等项目支持。