在传统和先进光伏技术下，光伏部署需要多少土地面积才能满足未来的能源需求？
传统的硅光伏组件技术需要全球约 0.5-1.2% 的土地面积才能满足不同 SSP 情景的预计能源需求，如果放置以最大限度地提高能量产生，东亚和太平洋地区以及中东和北非地区需要最多的土地面积。但是，如果传统的硅技术被更高效的光伏技术所取代，例如钙钛矿和 III-V 多结电池，满足全球能源需求所需的土地仅占土地面积的 0.3–1.0%（大约是硅光伏组件所需面积的二分之一到四分之三之间）（图1）。土地要求为：常规硅 （1.0-2.4%）、钙钛矿 （0.8-1.8%） 和 III-V 多结电池（0.5-1.1%）这使得满足未来能源需求所需的光伏土地总面积相当于当前的全球城市面积。
图 1：光伏能源生产满足全球和区域能源需求所需的土地面积。在SSP情景下，到 2085 年，使用传统硅 （Si） 和更高效的光伏技术满足全球和区域能源需求所需的土地面积。左上角的面板显示全球需求，后续面板表示区域需求。EAP – 东亚和太平洋地区、ECA – 欧洲和中亚、LAC – 拉丁美洲和加勒比地区、中东和北非地区、NA – 北美地区、SA – 南亚和 SSA – 撒哈拉以南非洲地区。
当考虑到气候变化对光伏能源生产的直接影响时，土地面积如何变化？
分析表明，当温度保持恒定但辐射变化时，PV潜力会增加。然而，当仅考虑温度的影响时，PV 潜力会降低。气候变化影响显示出强烈的区域差异，拉丁美洲和加勒比地区的光伏潜力下降高达 -3%，南亚下降高达 -8%。全球平均光伏发电潜力在考虑典型损失值的情况下，范围为1340–1363 kWh/kWp，撒哈拉以南非洲潜力最大，欧洲和中亚最小。太阳能辐射和温度变化导致全球光伏发电潜力在21世纪呈下降趋势。然而，新技术的推广、成本的降低及政策支持，将使光伏发电能够克服这些影响。为满足未来能源需求，使用传统硅材料的光伏发电所需土地面积将增加，在高排放情景下，需增加全球土地面积的1.5%（考虑the ground coverage ratio (GCR)时增加3%）。而使用III-V多结光伏发电技术时，所需土地面积将大幅减少至全球土地面积的0.7%（或1.4%）。在SSP-RCP情景下，满足2085年全球光伏能源需求将需要全球陆地面积的0.7-1.5%（常规Si）（图4），这比没有气候变化的情况下高出约0.2-0.3个百分点（图1）。
图 2：太阳辐射、温度和光伏潜力相对于基线的变化 （1991-2005）。该图说明了全球和亚全球尺度上不同气候情景下 （a） 年太阳辐射量、（b） 平均温度和 （c） 年光伏潜力的变化。
图 3：与基线（1991-2005 年）相比，2100 年太阳辐射、温度和 PV 潜力的空间变化。2100 年（a）年太阳辐射量、b 平均气温和（c）年光伏潜力相对于基线期的RCP 预测的变化。
图4：2085 年光伏能源生产所需的土地面积。到 2085 年，在各种SSP-RCP情景下，使用不同的光伏组件技术，该土地面积需要满足全球和区域能源需求。
与其他土地用途相结合时，光伏潜力如何变化？
图5：不同土地利用部门的预计光伏能源产量。左侧的y轴和橙色条形表示盈余和赤字。右边的 y 轴和红点表示在各种 SSP-RCP 情景下，到 2085年满足全球能源需求的比例。
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参考文献
Saxena, A., Brown, C., Arneth, A.et al. Advanced photovoltaic technology can reduce land requirements and climate impact on energy generation. Commun Earth Environ 5, 586 (2024). https://doi.org/10.1038/s43247-024-01754-4
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