摘要
住宅屋顶太阳能的采用对于实现住宅脱碳至关重要，其关键取决于对于家庭的价值。气候变化可能通过影响屋顶太阳能的发电能力和制冷需求来改变其价值，但迄今为止没有研究量化这一影响。本研究整合了超过2000个美国家庭的实际用电需求数据，涵盖17个城市，结合家庭层面的模拟与优化模型以及历史与未来气候的降尺度天气数据，量化了家庭层面气候变化对屋顶太阳能价值和技术经济最优装机容量的影响。结果表明，在代表性浓度（RCP）路径4.5情景下（指采取中等程度的减排措施后，到2100年将全球气温上升限制在2°C左右，温室气体的浓度达到约 650 ppm CO₂等效），到本世纪末，气候变化将使屋顶太阳能对家庭的价值增加达19%，并使技术经济最优装机容量增加最多25%。这一价值的增加在不同城市、家庭、未来变暖情景和零售电价结构中均表现出稳定性。
研究背景
住宅屋顶太阳能光伏系统（RSPV）是当前和未来可再生能源组合的关键部分。美国能源部预测，到2050年，美国将安装接近200 GW的RSPV，是2022年装机容量的8倍。
要增加RSPV的部署，需要提高住宅消费者的采用率。在影响RSPV投资的众多因素中，经济可行性最为重要。太阳能价值（VOS）是用于衡量RSPV经济可行性的常用指标。本研究具体将VOS定义为家庭层面从RSPV安装中获得的财务收益（电费节省加上出售多余RSPV电力的收入）减去投资成本。气候变化驱动的气象变化可能通过影响家庭RSPV收益而影响RSPV的未来价值和投资。在供应方面，气候变化导致的太阳辐射和环境空气温度变化可能会减少大部分地区的光伏发电量，从而降低RSPV的价值。在需求方面，气温上升将改变家庭用电需求模式，尤其是增加空间制冷负荷。气候变化可能使美国城市家庭的总制冷能耗增加40%—100%，制冷峰值能耗增加约20%。由于制冷负荷与光伏输出在时间上高度协同，增加的制冷用电需求可能会通过提高家庭RSPV收益进而增加VOS。
本研究量化了气候变化对美国17个城市超过2000个家庭的RSPV未来价值的影响。研究使用实际家庭制冷数据捕捉未来RSPV价值与家庭空间制冷需求之间的相互作用，考虑气候条件、建筑类型和用户行为的异质性。为预测不同气候下的家庭逐时制冷需求，在实际数据基础上训练了一系列特定家庭的回归模型。基于城市特定的辐射和温度数据模拟了逐时家庭RSPV的发电潜力。为估算VOS和每户的最优RSPV部署，使用了技术经济优化模型以最大化RSPV的净价值（收益减成本）。通过对历史和未来气候下的VOS及最优RSPV部署进行比较，研究量化了气候变化对这些价值的影响。
气候变化的影响
气候变化对住宅制冷需求和屋顶太阳能光伏潜力的影响
在RCP-4.5-Hotter情景下，到本世纪中期和末期，所有家庭的空间制冷电力需求平均增加了35%和64%（见图1）。寒冷城市的制冷电力需求在百分比上增加更显著（见图1b），原因有两点：（1）历史制冷强度较低的家庭制冷需求增加幅度更大；（2）寒冷城市的家庭制冷季节通常比炎热城市更长。各城市内部的家庭差异也很明显。
与各城市和气候情景下普遍增加的制冷负荷不同，屋顶太阳能光伏系统（RSPV）的容量因子（实际电能输出与给定时间段内理论最大电能输出的比率）在不同城市和未来情景中呈现出不同的趋势（见图1c）。太阳能容量因子与太阳辐射呈正相关（由于面板接收能量增加），而与空气温度呈负相关。虽然气候变化导致城市的表面温度上升，但由于温度、湿度和降水变化之间的相互作用，它对表面辐射强度的影响具有异质性。
图1. 气候变化引起的住宅冷却需求和太阳能潜力变化。
气候变化对家庭太阳能价值（VOS）的影响
气候变化驱动的家庭制冷和太阳能发电潜力的变化可能通过影响（1）每单位已部署屋顶太阳能光伏（RSPV）容量的太阳能价值（VOS）和（2）家庭可部署的技术经济最优RSPV容量，进而影响VOS。为了量化每单位已部署RSPV容量的VOS变化，我们首先通过优化历史气候下每个家庭的RSPV容量来最大化其VOS，然后在未来气候下量化该相同RSPV容量的VOS。这一RSPV优化模型考虑了特定城市的零售电价、太阳能上网电价、家庭电力需求和RSPV发电潜力曲线。
在除明尼阿波利斯外的所有城市中，在RCP-4.5-Hotter情景下，城市平均每瓦特VOS到世纪中叶和世纪末分别增加1%—14%以及0%—19%。在这些城市中，尽管RSPV发电潜力下降，但由于每单位RSPV电力发电的收入增加，VOS仍然上升。相反，到世纪末，RSPV发电潜力的变化使各城市平均家庭每单位已部署RSPV容量的VOS变化幅度为−19%至+12%。由于家庭之间需求特征和应对气候变化的差异，各城市家庭VOS变化存在显著的异质性。
气候变化对技术经济最优太阳能装机容量的影响
在气候变化的影响下，99%的家庭的技术经济最优RSPV容量增加。在RCP-4.5-Hotter情景下，平均家庭RSPV最优容量在世纪中叶和世纪末分别增加2%—15%和3%—25%。总体而言，气候变化不断增强技术经济最优RSPV的部署，随着最优RSPV容量从较冷的情景转变为较热的情景，且从世纪中叶延续至世纪末，各城市的最优RSPV容量均有所增加。在气候变化下，拥有更大太阳辐射量，特别是制冷强度增加的家庭，其最优RSPV容量的增加幅度往往更大（见图2a–c）。家庭部署的屋顶太阳能光伏（RSPV）面板数量将影响其太阳能价值（VOS），即面板为家庭提供的净经济价值。
图2. 气候变化对家庭层面技术经济最优的屋顶太阳能光伏（RSPV）容量和经济价值（VOS）的影响。
a–c展示了冷城市（a）、温和城市（b）和热城市（c）中技术经济最优RSPV容量增加与年制冷需求增加之间的关系。d–f展示了冷城市（d）、温和城市（e）和热城市（f）中家庭VOS增加与电力需求增加之间的关系。
结论
气候变化下，RSPV的价值将在美国多个城市中增加5%—20%。气候条件的变化还将使经济技术上最优的RSPV容量增加5%—25%。安装者和政策制定者在考虑RSPV的价值和规模时，应以未来气候而非历史气候为依据，以最大化家庭和电力系统的RSPV价值。
全球范围内，气候变化将增加许多地区的制冷需求，尤其是在目前气候温和的地区，同时对光伏（PV）发电潜力产生混合影响。即使光伏发电潜力存在增减变化，只要制冷需求增加，屋顶太阳能光伏（RSPV）的价值（VOS）也会随之增加。这表明，全球范围内，RSPV的价值有可能提升，特别是在未来制冷需求有限且光伏潜力显著下降的地区。
原文信息
原文链接
https://doi.org/10.1038/s41558-024-01978-4
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内容：杨一苇
编辑：李思成
审核：孟聪会
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