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为解决欧洲光伏电站土地利用冲突问题，TU Wien 的 Manuela Franz 等人开展欧洲露天光伏电站特定土地利用模式演变研究。结果显示 2006 - 2022 年相关土地利用减少 60%。该研究为能源转型土地规划提供关键依据，值得科研人员一读。
奥地利维也纳技术大学（TU Wien）传感器与执行器系统研究所的 Manuela Franz 和该校空间规划研究所区域规划与区域发展研究组的 Hartmut Dumke，在《Energy, Sustainability and Society》期刊上发表了题为 “Evolution of patterns of specific land use by free-field photovoltaic power plants in Europe from 2006 to 2022” 的论文。这篇论文对于研究欧洲光伏（Photovoltaic，PV）产业发展过程中的土地利用问题具有重要意义，为后续能源规划和可持续发展研究提供了关键的数据支持与理论依据。
研究概述
论文聚焦于欧洲露天光伏电站特定土地利用模式的演变。研究人员通过对多个关键性能指标（如单位装机功率土地利用、单位发电量土地利用等）的分析，探究了 2006 - 2022 年间欧洲露天光伏电站在土地利用方面的发展趋势，旨在为欧洲能源转型过程中的土地合理规划与光伏产业可持续发展提供参考。
研究背景
随着可再生能源转型的推进，土地利用面临着巨大挑战。光伏电站和风力电站被视为能源转型的重要驱动力，但它们对土地的需求日益增加，可能会达到一些工业国家的土地承载极限。在全球能源格局中，2022 年世界最终能源需求约为 441 艾焦（EJ，等于 122.5 拍瓦时（PWh）），其中电能占比 24% 。同年，全球电能需求为 29.5 PWh，欧盟占比 9.5% 。而基于太阳能（光伏和太阳能储能）的全球发电量在 2022 年约为 1.4 PWh，预计到 2030 年将增长 4 倍，2050 年增长 15 倍。这意味着大规模新能源基础设施建设即将展开，必然伴随着大量土地需求和空间结构变化。
在欧洲，2020 年欧盟（EU27）可再生能源在总能源中的平均占比为 22%，但各国差异显著，从马耳他的 10% 到瑞典的 60% 不等。部分非欧盟国家，如挪威和冰岛，可再生能源占比更高，分别达到 78% 和 84% 。同时，欧洲光伏电站的装机功率和发电量也在不断变化，不同国家在不同时期处于领先地位。例如，2010 年左右，德国、意大利、西班牙和捷克共和国在光伏扩张方面领先；2015 年左右，英国的光伏安装量达到峰值；2019 年后，德国再次引领，波兰、荷兰等国也积极跟进。
此外，光伏电站的地理位置对发电量影响巨大。在欧洲，从英国北部和瑞典的约 950 千瓦时 / 千瓦峰值（kWh/kWp）到地中海南部海岸线的 1900 kWh/kWp，全球水平太阳辐照的年度工业利用及相关光伏潜力差异显著，这导致光伏电站的电能产量因地理位置不同可相差高达 100%。综合这些因素，开展针对欧洲露天光伏电站特定土地利用的研究迫在眉睫，以应对能源转型带来的土地利用冲突问题。
研究方法
- 样本选取：研究选取了 107 个欧洲露天光伏电站作为样本，这些电站分布在不同地理区域且安装年份各异。样本涵盖了多种光伏模块安装类型，其中传统设计（南向固定倾角多排光伏模块）的电站占比 87%，其他特殊安装设计的电站也包含在内。同时，研究还纳入了 7 个来自墨西哥、南非和美国的光伏电站数据作对比。
- 数据收集：研究数据来源广泛，包括前期研究生成的地理信息系统（GIS）数据，以及通过谷歌搜索引擎进行在线研究获取的技术数据。数据来源涵盖光伏数据库、制造商和运营商参考资料、投资公司信息、媒体报道和游说团体信息等。对于部分数据缺失的电站，研究人员通过卫星图像进行计算和测量补充。
- 指标计算：根据收集的数据，研究人员计算了一系列与土地利用相关的关键性能指标，分为位置独立参数（如单位模块面积装机功率、单位模块面积土地利用、单位装机功率土地利用）和位置相关参数（如单位模块面积年发电量、单位发电量土地利用、能量密度、容量因子、功率密度）。通过对这些指标的分析，研究人员得以全面了解露天光伏电站的土地利用情况。
研究结果
- 空间和时间分布：研究样本中的光伏电站分布在不同国家和地区，其土地利用情况受当地太阳辐照、安装时的技术水平和应用的安装技术等因素影响。样本涵盖了 2006 - 2022 年的光伏电站，但 2007 年无记录。欧洲地区的光伏能源潜力在 950 - 1750 kWh/kWp 之间，对比国家可达 2000 kWh/kWp，且分布不均匀。样本中光伏电站的安装年份分布与欧洲市场趋势基本一致，但 2021 - 2022 年的光伏扩张因卫星图像提供延迟未完全体现在样本中。
- 与地理位置无关的特定土地利用
- 单位模块面积土地利用：欧洲露天光伏电站单位模块面积的土地利用在 2006 - 2022 年间呈下降趋势，线性趋势线显示减少了 41%。平均而言，整个样本的单位模块面积土地利用均值为 3.12，中位数为 3.05，即实际所需土地面积超过光伏模块电可用面积的 3 倍。不同国家的土地利用情况差异较大，早期的杆式单跟踪系统对趋势线斜率影响显著。
- 单位装机功率土地利用：单位装机功率的土地利用从 2006 年的 34.5 平方米 / 千瓦下降到 2022 年的 11.0 平方米 / 千瓦，线性趋势线显示减少了 68%。特殊安装设计（如杆式单跟踪光伏电站）对该指标影响较大，排除这些特殊设计后，土地利用减少了 62%。2021 年后，由于南北向行式跟踪系统的应用增加，土地利用略有上升。
- 与地理位置相关的特定土地利用
- 单位模块面积发电量：单位模块面积的年发电量呈上升趋势，2008 - 2022 年间中位数从 147 kWh/(m2?a) 增加到 291 kWh/(m2?a) ，实现了翻倍。跟踪系统和双面模块的应用显著提高了单位模块面积的发电量，而东西向固定倾角模块的空间节省安装类型则导致发电量明显降低。
- 单位发电量土地利用和能量密度：单位发电量的土地利用从 2008 年的 0.029 平方米?年 / 千瓦时下降到 2022 年的 0.011 平方米?年 / 千瓦时，线性趋势线显示减少了 60%。部分国家的光伏电站因采用高效模块和紧凑安装技术，土地利用值较低；而希腊的部分电站因模块效率低或地形因素，土地利用值较高。能量密度作为单位面积发电量的另一种表示形式，其变化趋势与单位发电量土地利用相关。
- 容量因子：容量因子（也称为年利用率）的趋势线近乎水平，欧洲平均值为 0.137 或 13.7% 。早期的杆式单跟踪光伏电站、行式跟踪系统的引入以及双面模块的应用，使平均容量因子增加到超过 0.15，增长了 15%。仅考虑传统光伏电站时，容量因子呈下降趋势，表明光伏电站的地理扩张向北方转移。
- 功率密度：功率密度与单位发电量土地利用成反比，从 2008 年的 4.4 W/m2 增加到 2022 年的 10.6 W/m2，线性趋势线显示增长了 2.8 倍。不同计算方法下的功率密度有所差异，但由于缺乏精确模块数据，无法进行详细对比分析。
- 与其他可再生能源电站土地利用的比较：研究对比了光伏电站与其他可再生能源电站（如风力、生物质、地热能、太阳能热能电站）的单位面积发电量。结果显示，太阳能热装置在无间隙的 pitched 屋顶上具有最高的单位面积发电量，而燃烧森林木屑获取热量的单位面积发电量最低，两者面积效率差异高达 1:131 。此外，光伏和太阳能热系统中，全表面模块占用和模块行间有空间的布置方式，其面积效率比约为 1:2 。风能和太阳能的数据有效性明显高于生物质能和地热能。
研究结论与讨论
研究表明，在 2006 - 2022 年间，欧洲露天光伏电站每产生一度电的土地利用减少了 60%，这主要得益于太阳能电池效率提高一倍、单位土地需求降低 30% 以及光伏电站地理位置的选择。然而，尽管跟踪系统和透明光伏模块有助于减少土地需求，但这种趋势将达到技术极限。随着欧洲能源战略中对交通、供暖和制冷电气化的推进，预计到 2050 年电力需求将翻倍，光伏电站在实现这一目标中起着关键作用，这就需要制定新的空间策略和场景。
一方面，小规模场景对整体能源转型的影响有限，实现重大进展需要区域间和国际间的合作，综合分析现有和未来的能源需求以及能源基础设施的合适地理位置。另一方面，未来欧洲能源战略应包括对光伏与其他可再生能源潜力的综合平衡和建模，因为风能、太阳能和地热能相较于生物质能和水能，虽能源产量分布不同，但潜力更大。研究还建议，光伏潜力过剩的地区应支持潜力有限的地区，但目前这一转变尚未开始，过去十年大部分新增光伏潜力都在能源产量中等的地区开发，而非太阳能资源更丰富的南欧地区。
此外，当前能源政策需要全面修订，从狭隘的区域或国家考虑转向更综合的欧洲一体化方法，重视农光互补（agri-PV）和建筑外立面集成光伏（fa?ade-integrated PV）等多用途和多层系统的潜力，这些系统目前价值被低估。未来 15 年应追求综合能源场景，欧洲电网需适应由大量小型能源发电站组成的 “新” 能源景观，取代过去少数巨型电站的时代。通过跨学科的综合空间和能源规划，结合反馈机制和社会文化背景，开发农业和能源景观的多种利用模式，是实现可持续发展的有前景策略。
这篇论文通过全面深入的研究，为欧洲光伏产业土地利用提供了重要的参考依据，对推动欧洲能源转型和可持续发展具有重要的指导意义，为后续相关政策制定和研究方向指明了方向。
