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【摘要】为了估计可再生能源对环境的影响，现在国内许多文献主要是通过研究可再生能源发电对燃煤发电的替代效应进行评估的。但是在本文中，我们将对这种方法予以质疑，并且在考虑到边际发电量改变这一事实以后，我们还会对中国西北地区光伏发电的环境影响进行重新评估。经过评估，2015年西北地区电网中光伏发电量高达17900GW·h，这相当于1.5个核电站的发电量。那么相比2010年，这将减少0.36%的SO2排放以及0.25%的NO2排放。我们进一步发现如果用光伏发电代替水力发电来满足西北电网高峰时期的用电需求，这并不会减少污染物的排放。这些结果显示短期内更具成本效益的发电方法还是采用脱硫脱硝技术的燃煤发电。
【关键词】光伏发电 减排 环境价值
一、引言
中国国民经济经过三十余年的快速发展，激发了对能源需求的更大幅度的增加，从2000年到2015年，中国电力消费的平均年增长率都保持在10%左右，但主要是依靠煤炭和水利发电，其中80%为燃煤发电，17%为水力发电。这种过度依赖燃煤发电的能源结构，已经引起了很大的环境问题。中国从2006年以来积极寻求改变这种能源结构的办法，而且自从可再生能源法颁布以来，开始大力发展光伏发电技术。
本文将重点评估光伏发电对西北地区电网的两种潜在优势，即高峰用电互补和良好的环境影响，进而获得一些相关的环境政策启示。由于电力需求在日间达到最高，并且当日间有太阳照射时，光伏发电比其他可再生能源发电有更大的峰值，这反过来使得光伏发电替代其他发电形式所带来的污染减排效应更加显著。但是西北电网有一个明显特征即部分高峰用电量是由水力发电来弥补的，因此为了更加准确地评估光伏发电的潜在环境效益，本文将基于西北电网特定的能源结构，负荷模式以及边际发电量来展示几种潜在的高峰发电替代情形，而不是像其他文章那样仅仅假设光伏发电将要替代燃煤发电。
二、西北地区光伏发电现状
中国西北地区在实现发电一体化的进程中，由于光伏发电需要额外的传输容量和后备电源，所以青海省将其2012年的光伏发电装机容量计划从200MW减少到100MW，这和2011年的安装容量相当。如果将这个安装速度看作是一个实际安装速度，那么我们在本文中可以将该实际安装速度假设为一个常数直到该地区各省份的安装计划实现。这意味着2011到2015年甘肃，青海，宁夏以及新疆地区每年光伏装机容量分别为100MW，80MW，40MW，和20MW。
由于中国现有的光伏电站的实际光伏发电量数据很难获得，所以我们利用美国可再生能源实验室系统顾问模型（NREL SAM）计算了甘肃，青海，宁夏，新疆地区2012～2015年光伏发电量。结果显示，2015年中国西北地区光伏发电量将达到18000GW·h左右，这相当于美国1.5个核电站的年发电量。
为了确定西北电网中太阳能发电所替代的边际发电量，我们需要确定光伏发电量增加对电网平均负荷曲线的影响。根据国家电网所提供的2005到2014年的数据来看，在夏季和冬季，负荷量随着时间的推移存在着线性增长。我们可以通过假设这种线性增长一直持续来模拟出2015年的负荷资料，并且运用一个简单的普通最小二乘法模型（OLS）来预测2015年夏季和冬季的负荷资料。
该模型为：PLi，j=β0+β1PLi-1，j+ωi，j
其中，PLi，j代表的是第i年j月的峰值负荷量，而PLi-1，j代表的是前一年i-1中j月的峰值负荷量，ωi，j为误差值，它的的平均值为0，并且服从标准正态分布，β0和β1则是需要估计的参数值。我们可以用五月份到九月份的数据来估算夏季时的β1，用十一月到第二年三月份的数据来估算冬季时的β1.2015年的负荷数据是符合线性回归分析的。
从测算出的数据中我们可以发现并网光伏发电将会对西北电网七月上午9：00到晚上9：00以及十二月上午10：00到晚上7：00的边际成本曲线产生影响。但是这种出现在两个高峰之间的额外发电量只是使得七月和十二月峰谷比率下降到19.6%和21.4%，与原有的夏季21.8%和冬季22%峰谷比率数据相比，这种下降是比较小的。光伏发电在夏季可能会替代一些晚高峰发电量，因为在夏季，白天时间很长，但是它很难抵消当天晚上到第二天上午之间发电机运行所带来的用电高峰。
三、西北电网中光伏发电的潜在减排效益
尽管西北电网的基础负荷是由火力和水力发电所提供的，但是由于火力发电较低的灵活性，水力发电有时也是被用来进行调峰的。而水力发电的调峰能力却被限制在旱季，这是因为，在雨季大量的水必须不断被释放以防酿成洪灾，所以水力发电只是承担起基础负荷的作用，弥补高峰用电量的重任则落在了燃煤发电上。所以燃煤发电的高峰发电能力就变得非常重要。
根据报告称，到2015年，西北电网将要增加15.5GW的水力发电容量，从而使得水力发电总容量达到36.5GW，考虑到水位的不确定性和预期火力发电峰值的增加，本文将用三种发电置换方案对太阳能发电项目的潜在环境效益进行评价。
（1）光伏发电替代燃煤发电。这是预期在冬季当光伏发电出现在用电高峰时间，在夏季光伏发电自身处在峰值。在雨季，当由水电提供基础电力时，光伏发电取代火力发电弥补高峰发电能力的作用可以很容易被观察到。
（2）光伏发电替代水力发电。考虑到西北电网未来几年可能的供电能力增加，这种作用无论光伏发电处于高峰还是非高峰都会显现。
（3）最后一种情况是光伏发电取代47%的水力发电和53%的火力发电。到2015年，火力发电将提供高达41.1GW的峰值容量，这相当于西北电网41%的火力发电容量。如果满足高峰用电需求的压力按水电36.5GW，火电41.1GW的比例分配，那么火力发电将提供高峰用电时间中53%的发电量，而最终这些发电量将由光伏发电代替提供。 根据核算的污染因子，我么可以利用下面的公式来计算上述三种置换方案所引起的2015年西北电网光伏发电所减少的污染排放量：
Ei=EFi×Li×G
其中Ei代表的是i类污染物总的减少量，EFi代表第i类污染物的排放因子，Li代表光伏发电所减少的i类污染物的排放比例，其数据是根据Fthenakis等人的估算得来，而G则代表2015年的光伏发电量。下表1展示了该估算数据。
四、潜在的减排量与政府目标的比较
根据表1，我们可以看到最大的减排量可能出现在情形一，即用光伏发电替代燃煤发电。根据政府“十二五”减排目标2015年火力发电中NOx和SOx的排放量将分别从2010年的1055万吨和956万吨减少到750万吨和800万吨，通过将2015年最好情形中经测算的减排量除以2015年总的NOx和SOx的排放量，我们可以发现2015年西北地区光伏发电项目在NOx和SOx的排放中只能帮助减少实际减排量与目标减排量差异的0.25%和0.36%。如此低的减排量可能主要是由以下三种因素影响的：
（1）与火力发电量相比，光伏发电量仍然太小了。
（2）由于煤是一种基础能源，火力发电厂可以24小时不间断工作，这也引起了相对比较高的污染量。而光伏发电由于受到日照时间的限制，所以不能24小时不间断地发电。
（3）即使给火力发电厂设定高于工业部门两倍的减排目标，仍然会产生相当于总排放量60%的排放水平，因此相比加强工业部门减排，将重点放在火力发电减排上无疑是缺乏效率的。
除了增加可再生能源的份额，中国还计划通过加快对火力发电站脱硫脱硝技术的升级换代来减少污染物的排放。按计划燃煤机组脱硫有效率将达到达到95%，脱硝有效率为75%。这需要花费1330亿元并将减少277万吨的SO2和358万吨的NOx排放。相比较而言，在光伏并网发电系统的初始投资预计会从2009年的每瓦3.018美元降至2014年2.515美元每瓦特，这需要约38亿至45亿美元在中国西北建立15.1兆瓦的光伏发电。这意味着在短期，投资光伏发电所带来的污染物减排效率只有采用脱硫脱硝技术的燃煤发电的1/5.尽管可再生能源技术的采用还会带来除污染物减排外其他的好处，但是如果我们只是将目标定位为环境和空气质量的改善，那么最有效益的方法提高脱硫脱硝技术的应用范围。
五、结论
经过评估，2015年西北地区电网中光伏发电量高达17900GW·h，这相当于美国1.5个核电站的发电量。但是光伏发电可能只会弥补两个日间用电高峰之间的用电量，而且所带来的环境影响主要依赖于所替代的发电模式，相比2010年，光伏发电将只减少0.36%的SO2排放以及0.25%的NO2排放。如果处于光伏发电只是替代水力发电这种最不利的情形中，那么光伏发电几乎不会带来任何的环境效益。短期来看，更加广泛的推广脱硫脱硝技术才是最具效益的减排办法。
参考文献
[1]Kaffine D，McBee B，Lieskovsky J.Emissions savings from wind power generation： evidence from Texas，California and the Upper Midwest.2013–04–02.
[2]曹琳，王灿.和基准线排放因子的计算研究.中国环境科学 2010，30（1）：7-11.
[3]魏晓霞，刘士玮.国外分布式发电发展情况分析及启示[J].能源技术经济，2010，22（9）：58-61，65.
[4]魏学好，周浩.中国火力发电行业减排污染物的环境价值标准估算.环境科学研究，2003，Vol.16，No.1.
[5]吴鹏，单葆国，葛旭波，等.坚强智能电网——服务国家碳减排目标[J].能源技术经济，2010，22（6）：9-13.
[6]王志轩，2050年中国煤电发展的战略思考[J].中国电力企业管理，2013（8）：34-41.
[7]朱群志，司磊磊，蒋挺燕.不同安装方式建筑光伏系统的经济性及环境效益[J].太阳能学报，2012，33（1）：24-29.
[8]赵波.大量分布式光伏电源接入对配电网的影响研究[J].浙江电力，2010，29（6）：5-8.
【关键词】光伏发电 减排 环境价值
一、引言
中国国民经济经过三十余年的快速发展，激发了对能源需求的更大幅度的增加，从2000年到2015年，中国电力消费的平均年增长率都保持在10%左右，但主要是依靠煤炭和水利发电，其中80%为燃煤发电，17%为水力发电。这种过度依赖燃煤发电的能源结构，已经引起了很大的环境问题。中国从2006年以来积极寻求改变这种能源结构的办法，而且自从可再生能源法颁布以来，开始大力发展光伏发电技术。
本文将重点评估光伏发电对西北地区电网的两种潜在优势，即高峰用电互补和良好的环境影响，进而获得一些相关的环境政策启示。由于电力需求在日间达到最高，并且当日间有太阳照射时，光伏发电比其他可再生能源发电有更大的峰值，这反过来使得光伏发电替代其他发电形式所带来的污染减排效应更加显著。但是西北电网有一个明显特征即部分高峰用电量是由水力发电来弥补的，因此为了更加准确地评估光伏发电的潜在环境效益，本文将基于西北电网特定的能源结构，负荷模式以及边际发电量来展示几种潜在的高峰发电替代情形，而不是像其他文章那样仅仅假设光伏发电将要替代燃煤发电。
二、西北地区光伏发电现状
中国西北地区在实现发电一体化的进程中，由于光伏发电需要额外的传输容量和后备电源，所以青海省将其2012年的光伏发电装机容量计划从200MW减少到100MW，这和2011年的安装容量相当。如果将这个安装速度看作是一个实际安装速度，那么我们在本文中可以将该实际安装速度假设为一个常数直到该地区各省份的安装计划实现。这意味着2011到2015年甘肃，青海，宁夏以及新疆地区每年光伏装机容量分别为100MW，80MW，40MW，和20MW。
由于中国现有的光伏电站的实际光伏发电量数据很难获得，所以我们利用美国可再生能源实验室系统顾问模型（NREL SAM）计算了甘肃，青海，宁夏，新疆地区2012～2015年光伏发电量。结果显示，2015年中国西北地区光伏发电量将达到18000GW·h左右，这相当于美国1.5个核电站的年发电量。
为了确定西北电网中太阳能发电所替代的边际发电量，我们需要确定光伏发电量增加对电网平均负荷曲线的影响。根据国家电网所提供的2005到2014年的数据来看，在夏季和冬季，负荷量随着时间的推移存在着线性增长。我们可以通过假设这种线性增长一直持续来模拟出2015年的负荷资料，并且运用一个简单的普通最小二乘法模型（OLS）来预测2015年夏季和冬季的负荷资料。
该模型为：PLi，j=β0+β1PLi-1，j+ωi，j
其中，PLi，j代表的是第i年j月的峰值负荷量，而PLi-1，j代表的是前一年i-1中j月的峰值负荷量，ωi，j为误差值，它的的平均值为0，并且服从标准正态分布，β0和β1则是需要估计的参数值。我们可以用五月份到九月份的数据来估算夏季时的β1，用十一月到第二年三月份的数据来估算冬季时的β1.2015年的负荷数据是符合线性回归分析的。
从测算出的数据中我们可以发现并网光伏发电将会对西北电网七月上午9：00到晚上9：00以及十二月上午10：00到晚上7：00的边际成本曲线产生影响。但是这种出现在两个高峰之间的额外发电量只是使得七月和十二月峰谷比率下降到19.6%和21.4%，与原有的夏季21.8%和冬季22%峰谷比率数据相比，这种下降是比较小的。光伏发电在夏季可能会替代一些晚高峰发电量，因为在夏季，白天时间很长，但是它很难抵消当天晚上到第二天上午之间发电机运行所带来的用电高峰。
三、西北电网中光伏发电的潜在减排效益
尽管西北电网的基础负荷是由火力和水力发电所提供的，但是由于火力发电较低的灵活性，水力发电有时也是被用来进行调峰的。而水力发电的调峰能力却被限制在旱季，这是因为，在雨季大量的水必须不断被释放以防酿成洪灾，所以水力发电只是承担起基础负荷的作用，弥补高峰用电量的重任则落在了燃煤发电上。所以燃煤发电的高峰发电能力就变得非常重要。
根据报告称，到2015年，西北电网将要增加15.5GW的水力发电容量，从而使得水力发电总容量达到36.5GW，考虑到水位的不确定性和预期火力发电峰值的增加，本文将用三种发电置换方案对太阳能发电项目的潜在环境效益进行评价。
（1）光伏发电替代燃煤发电。这是预期在冬季当光伏发电出现在用电高峰时间，在夏季光伏发电自身处在峰值。在雨季，当由水电提供基础电力时，光伏发电取代火力发电弥补高峰发电能力的作用可以很容易被观察到。
（2）光伏发电替代水力发电。考虑到西北电网未来几年可能的供电能力增加，这种作用无论光伏发电处于高峰还是非高峰都会显现。
（3）最后一种情况是光伏发电取代47%的水力发电和53%的火力发电。到2015年，火力发电将提供高达41.1GW的峰值容量，这相当于西北电网41%的火力发电容量。如果满足高峰用电需求的压力按水电36.5GW，火电41.1GW的比例分配，那么火力发电将提供高峰用电时间中53%的发电量，而最终这些发电量将由光伏发电代替提供。 根据核算的污染因子，我么可以利用下面的公式来计算上述三种置换方案所引起的2015年西北电网光伏发电所减少的污染排放量：
Ei=EFi×Li×G
其中Ei代表的是i类污染物总的减少量，EFi代表第i类污染物的排放因子，Li代表光伏发电所减少的i类污染物的排放比例，其数据是根据Fthenakis等人的估算得来，而G则代表2015年的光伏发电量。下表1展示了该估算数据。
四、潜在的减排量与政府目标的比较
根据表1，我们可以看到最大的减排量可能出现在情形一，即用光伏发电替代燃煤发电。根据政府“十二五”减排目标2015年火力发电中NOx和SOx的排放量将分别从2010年的1055万吨和956万吨减少到750万吨和800万吨，通过将2015年最好情形中经测算的减排量除以2015年总的NOx和SOx的排放量，我们可以发现2015年西北地区光伏发电项目在NOx和SOx的排放中只能帮助减少实际减排量与目标减排量差异的0.25%和0.36%。如此低的减排量可能主要是由以下三种因素影响的：
（1）与火力发电量相比，光伏发电量仍然太小了。
（2）由于煤是一种基础能源，火力发电厂可以24小时不间断工作，这也引起了相对比较高的污染量。而光伏发电由于受到日照时间的限制，所以不能24小时不间断地发电。
（3）即使给火力发电厂设定高于工业部门两倍的减排目标，仍然会产生相当于总排放量60%的排放水平，因此相比加强工业部门减排，将重点放在火力发电减排上无疑是缺乏效率的。
除了增加可再生能源的份额，中国还计划通过加快对火力发电站脱硫脱硝技术的升级换代来减少污染物的排放。按计划燃煤机组脱硫有效率将达到达到95%，脱硝有效率为75%。这需要花费1330亿元并将减少277万吨的SO2和358万吨的NOx排放。相比较而言，在光伏并网发电系统的初始投资预计会从2009年的每瓦3.018美元降至2014年2.515美元每瓦特，这需要约38亿至45亿美元在中国西北建立15.1兆瓦的光伏发电。这意味着在短期，投资光伏发电所带来的污染物减排效率只有采用脱硫脱硝技术的燃煤发电的1/5.尽管可再生能源技术的采用还会带来除污染物减排外其他的好处，但是如果我们只是将目标定位为环境和空气质量的改善，那么最有效益的方法提高脱硫脱硝技术的应用范围。
五、结论
经过评估，2015年西北地区电网中光伏发电量高达17900GW·h，这相当于美国1.5个核电站的发电量。但是光伏发电可能只会弥补两个日间用电高峰之间的用电量，而且所带来的环境影响主要依赖于所替代的发电模式，相比2010年，光伏发电将只减少0.36%的SO2排放以及0.25%的NO2排放。如果处于光伏发电只是替代水力发电这种最不利的情形中，那么光伏发电几乎不会带来任何的环境效益。短期来看，更加广泛的推广脱硫脱硝技术才是最具效益的减排办法。
参考文献
[1]Kaffine D，McBee B，Lieskovsky J.Emissions savings from wind power generation： evidence from Texas，California and the Upper Midwest.2013–04–02.
[2]曹琳，王灿.和基准线排放因子的计算研究.中国环境科学 2010，30（1）：7-11.
[3]魏晓霞，刘士玮.国外分布式发电发展情况分析及启示[J].能源技术经济，2010，22（9）：58-61，65.
[4]魏学好，周浩.中国火力发电行业减排污染物的环境价值标准估算.环境科学研究，2003，Vol.16，No.1.
[5]吴鹏，单葆国，葛旭波，等.坚强智能电网——服务国家碳减排目标[J].能源技术经济，2010，22（6）：9-13.
[6]王志轩，2050年中国煤电发展的战略思考[J].中国电力企业管理，2013（8）：34-41.
[7]朱群志，司磊磊，蒋挺燕.不同安装方式建筑光伏系统的经济性及环境效益[J].太阳能学报，2012，33（1）：24-29.
[8]赵波.大量分布式光伏电源接入对配电网的影响研究[J].浙江电力，2010，29（6）：5-8.