本次分享香港科技大学王者教授的智能建筑与建造团队和青岛理工大学李岩学副教授在Cell出版社交叉学科期刊Nexus发表题为“Evaluating Rooftop PV's Impact on Power Supply-Demand Discrepancies in Grid Decarbonization”的文章。本文针对光伏系统的广泛应用造成的电网供需不平衡的问题，提出了一个跨学科框架，利用遥感技术，地理信息系统，计算机视觉和能量流计算框架，估计了日本九州地区屋顶光伏的利用率及发电潜力，量化了未来不同光伏扩张情景下的电网供需失衡现象，并考虑以储能为一种潜在的解决措施，估算了不同储能方案的容量需求和投资成本。本研究的结果可以帮助政策制定者制定战略计划并进行相关投资，助力电网系统实现碳中目标。
导读
促进可再生能源的安装部署是缓解全球变暖危机和实现可持续发展的关键方法。得益于政策支持、技术进步和成本降低，屋顶光伏发电变得越来越普及。随着日本向2035年能源结构路线迈进，政府进一步激励分布式光伏系统的发展。然而，光伏发电的广泛利用给电网的稳定运行带来了重大挑战。太阳能发电的随机性、间歇性和不可调度性对电网供需的实时平衡构成了重大威胁。光伏渗透率提高导致的电力系统供需失衡会使电网负荷特征表现为“鸭型曲线”，此现象最早出现在美国加州和夏威夷等光伏利用率较高的地区。“鸭型曲线”反映出光伏系统会造成中午过度发电的风险，而随着日落的临近，光伏发电减少，而电网需求迅速增加，因此需要额外补充发电作为备用资源，以维持电网的稳定性，此过程会产生额外的碳排放并带来财务负担。
九州是日本第三大岛，截至2023年底，九州累计电网整合光伏容量达到12080 MWp，在日本九个区域电网中，九州电网的电网光伏渗透率最高。虽然屋顶光伏系统的推广对住宅部门脱碳有着良好的前景，但它也对电网的可靠、高效和经济运行构成了挑战。目前的研究主要集中在屋顶光伏系统的识别及发电潜力估算，很少有研究深入探讨大尺度区域内屋顶光伏装置对电网运行动态的影响。针对这一问题，本文提出了一个跨学科框架，以日本九州地区为例，利用自下而上的方法量化屋顶光伏的利用率和其对电网供需模式及净零排放战略的影响。本文利用遥感技术和先进的计算机视觉模型，在大范围区域内有效提取不同地理环境中的屋顶光伏，并利用 GIS 运算和可视化技术对光伏部署模式进行空间分析。此外，本文应用能量流分析来研究光伏应用的后续影响，通过量化不同光伏应用情景下的电力供需差异，为大规模光伏集成运营、经济和政策层面提供关键见解。最后，我们估计并比较了防止弃光情景下的不同储能策略以及所需的经济投资。这项研究可以帮助政策制定者和电网运营商制定战略计划并进行相关投资，以实现电网的碳中和发展。
本文通过训练先进的Tranformer深度学习模型，对高分辨的谷歌卫星影像进行屋顶光伏识别，模型展现出99.3%的良好准确率（图1）。然后通过GIS空间运算，将卫星影像识别的屋顶光伏与建筑屋顶矢量数据进行空间连接，得到九州地区屋顶光伏利用率（图2）。在九州地区，按数量衡量的屋顶光伏系统普及率为 4.76%，按屋顶面积衡量的普及率为 9.77%。在九州各县中，按屋顶数量计算，熊本县的利用率最高，为 5.52%，而大分县的利用率最低，为 4.26%。按屋顶面积计算利用率，佐贺县是屋顶光伏利用率最高的地区，为 11.09%，而鹿儿岛的利用率在七个县中最低，为 8.37%。值得注意的是，我们的分析发现光伏利用率与家庭年平均收入等社会经济指标之间存在任何显著相关性。这表明，除了收入水平之外，其他因素也可能对九州地区屋顶光伏系统部署的决策产生影响。
图2. 九州地区屋顶面积、数量及屋顶光伏利用率
本文通过逐小时太阳辐射数据、GIS屋顶信息及光伏系统运行参数构建光伏发电模型，对九州地区进行高分辨率的屋顶光伏发电估算。图3（a） 展示了日本九州岛长崎、佐贺、福冈、熊本、大分、鹿儿岛、宫崎地区的光伏年发电量。图 3（b）-（d） 显示了福冈地区不同季度每小时光伏发电量的平均值和标准差，结果表明发电量在不同季节之间存在显著差异。
图3. 日本九州屋顶光伏年发电潜力
我们预测了随着屋顶光伏利用率进一步提高，九州地区可能出现的“鸭形曲线”的特征。图4 （a）展现了九州地区未来不同光伏渗透情景下的全年每小时电网净负荷，其中净负荷定义为电网总需求减去光伏发电量。图4（b-e）描述了当光伏渗透率为 40% 时的不同季节的电网净负荷曲线。结果表明，如果利用率超过 30%，太阳能弃光现象将显著增加，如果光伏利用率达到 50%，将导致每年20.9 TWh 的弃光，占光伏总发电量的 43.4%。最严重的弃光现象发生在过渡季，例如春季和秋季，这是因为白天光伏发电量高，而这些季节的电力需求相对较低。
图4. 九州地区全年观察到的每小时净负荷的平均值和标准差
图5. 九州电网弃光情况及所需的储能容量
