土地成本如何重塑中国光伏产业的技术竞争与可持续性发展路径：跟踪式与固定倾角系统的多维权衡分析

《Proceedings of the National Academy of Sciences》：The effect of land costs on the economic and sustainability performance of solar photovoltaics in China

这篇综述通过整合技术与空间维度，系统揭示了在中国光伏部署中，土地成本如何成为决定跟踪系统(SAT)与固定倾角系统(FTP)相对竞争力的核心因素。研究发现，尽管SAT可提升发电效率，但其更大的土地需求(功率密度低至42.1 W/m2)使其在土地成本(平均CN￥31.5/m2)高企的地区经济性降低，导致目前中国SAT采用率(12%)远低于美国(90%)。研究强调，必须在发电量、土地利用、材料消耗和碳减排等多维可持续发展目标间进行权衡，为全球能源转型提供关键决策依据。

　　

光伏技术中的土地利用权衡：固定倾角与单轴跟踪系统的比较

太阳能光伏(PV)的规模化对于全球脱碳至关重要，尤其在中国。尽管中国引领全球光伏装机，但其单轴跟踪系统(SAT)的采用率(12%)与美国(90%)形成鲜明对比。这种差异促使我们深入研究其背后的驱动因素。本研究通过开发一个空间明确的综合模型，在中国范围内评估和比较跟踪系统与固定倾角系统(FTP)在发电、土地利用、成本、可持续性和政策韧性方面的表现。

跟踪与固定倾角光伏系统的土地-能源权衡

光伏跟踪技术旨在通过跟随太阳轨迹来最大化能量捕获。本研究主要关注单轴跟踪系统，相比固定倾角系统，它能够在早晨和下午时段多产生约20%的电力，全国平均容量因子可提升至20.5%（单面组件）和21.4%（双面组件），而固定倾角系统分别为16.6%和17.4%。

然而，为实现这一效率提升，跟踪系统需要更大的土地面积以避免组件间的阴影遮挡。根据中国《光伏发电站设计规范》，固定倾角系统的功率密度(单位土地面积的装机容量)全国平均为88.0 W/m²，而单轴跟踪系统仅为42.1 W/m²。这种差异意味着，尽管跟踪系统单位装机容量发电量更高，但其单位土地面积的发电量却比固定倾角系统平均低50%。这种土地效率的差异深刻影响了两种技术在经济性和土地成本内部化后的竞争力。

土地成本惩罚：跟踪系统 vs. 固定倾角系统

传统研究通常认为跟踪系统因其更高的发电量而更具成本效益，但往往忽略了土地成本的影响。中国的土地成本（包括土地租金、耕地占用税和城镇土地使用税等）存在显著的空间异质性，东部、北部和中部地区平均成本为CN￥31.5/m²，是其他地区的两倍。

研究通过敏感性分析发现，太阳能发电成本对土地成本的变化极为敏感。当土地成本增加CN￥10/m²时，固定倾角系统的发电成本增加CN￥0.010/kWh，而跟踪系统的成本增加高达CN￥0.019/kWh，是前者的两倍。相比之下，发电成本对技术资本成本变化的敏感性则相反，跟踪系统低于固定倾角系统。因此，。总体上，更高的土地成本或更低的技术成本都会削弱跟踪系统的经济吸引力。

在模拟2025年高技术和土地成本的现实条件下，土地成本使固定倾角系统和单轴跟踪系统的全国平均度电成本(LCOE)分别增加了8.1%和19.7%。这一差异使得在土地成本较高的东部和北部广大地区，固定倾角系统更具成本竞争力。研究通过分析2022年之前的实际光伏电站数据，验证了这一成本模型：跟踪系统电站的平均土地成本显著低于固定倾角电站（21.0 CNY/m²vs. 24.8 CNY/m²），且跟踪系统装机在土地成本较低的西北电网占主导（52%）。

土地成本将影响可持续发展的多目标权衡

土地成本不仅影响发电成本，还会通过对技术选择偏好的改变，引发一系列连锁的可持续发展权衡。研究将不同的土地成本情景（下降、维持现状、上升）与中国2060年达到6 PWh（约占总发电量37.5%）的太阳能发展目标相结合进行模拟。

研究发现，土地成本上升会显著改变技术构成。在土地成本下降的情景下，跟踪系统的份额可达63.1%，而在土地成本上升的情景下，这一份额会降至31.1%。为达成相同的发电目标，这种向更节约土地的固定倾角系统的转变，将导致所需装机容量增加10.2%（年均装机从61.0 GW增至67.2 GW），同时使2060年的平准化度电成本从CN￥0.18/kWh升至CN￥0.22/kWh。

这种技术转变带来双重影响：一方面，它显著节约了土地，2060年的年新增土地需求从1417.2 km²降至1048.0 km²；但另一方面，它付出了环境代价。。具体包括：

1. 1.
   碳减排强度降低：由于优先选择了发电效率较低的系统，平均年温室气体(GHG)减排强度下降了5.5%。
2. 2.
   材料强度增加：为实现相同发电量，需要安装更多组件，导致全生命周期材料消耗增加，到2060年材料强度增加0.64 g/kWh。
3. 3.
   土地利用变化的碳排放：在清除植被的土地管理措施下，土地成本下降情景会导致最高的土地利用变化碳排放，年排放量到2060年可达7.0 Mt CO₂e，但这一数值不到累计碳减排总量的1%。若采用维护现有植被或播种牧草等措施，相关碳排放可减少65%以上，甚至实现碳汇。

讨论与启示

本研究通过定量比较揭示，跟踪系统可将发电效率提升18.4%至26.4%，但为实现相同装机，土地需求增加66.5%至208.4%。因此，中国高昂的土地成本使跟踪系统的发电成本增幅（19.7%）远高于固定倾角系统（8.1%），这部分解释了后者主导市场的原因。未来土地成本若持续上升，将推动技术选择进一步偏向于节约土地，但代价是装机容量需增加10%。

该研究的框架和发现具有全球意义。研究强调，决策者需要在土地效率、发电量、材料消耗和气候减缓等多个可持续目标之间进行谨慎权衡，并充分考虑特定区域的地理、经济和社会条件。例如，在土地资源丰富或成本较低的西部地区（如中国西北）鼓励采用跟踪技术，可能是平衡各方目标的可行策略。同时，跟踪技术能增强早晚高峰时段的发电能力，对电力系统稳定具有潜在价值。未来，若跟踪系统的技术成本溢价因技术进步和学习效应而降低，土地成本对其竞争力的影响可能会减弱。

研究也指出了现有分析的局限性，例如未考虑不同时段电力的价值差异、未将电网整合与传输基础设施纳入模型等。未来的研究需要将这些因素结合起来，以提供更全面的技术选择和部署策略评估。最终，这项研究为设计更平衡、更具韧性的脱碳战略提供了至关重要的见解，强调了土地经济学和政策在塑造可再生能源技术部署中的基础性作用。