评估住宅太阳能光伏应用的政策策略：基于系统动力学与启发式优化的方法

《Renewable Energy》：Assessing policy strategies for residential solar photovoltaic adoption: A system dynamics approach with heuristic optimization

　　

Felipe Oyarzún|Felipe Feijoo|Abhishake Kundu|Monica Castaneda

智利瓦尔帕莱索，瓦尔帕莱索天主教大学工业工程学院

摘要

尽管全球范围内大型太阳能光伏系统的应用发展迅速，但住宅屋顶光伏系统的普及程度依然有限。在智利，即使在电网价格与发电成本相当且采用净计费模式的情况下，其推广速度依然缓慢。因此，有必要对不同的住宅光伏政策设计进行系统评估。本研究基于系统动力学构建了一个模拟优化模型，用于内在地设计政策工具。该模型分析了净计费、净计量以及上网电价等补偿方案，以及资本补贴措施，并考虑了智利住宅领域三个大区在太阳能资源、电力需求以及初始应用水平方面的区域差异。研究结果表明，从全国范围来看，净计量是最有效的政策（每千瓦98美元），但到2050年只能实现2095兆瓦的装机容量。而上网电价结合50%的资本补贴则是最有效的政策，到2050年可实现4651兆瓦的装机容量，相当于有条件安装光伏的家庭的33%，不过其成本最高（每千瓦598美元）。在区域层面，相比常规情景，上网电价加上30%的资本补贴能让南部地区的光伏应用率提高21个百分点，北部地区则提高10.9个百分点。在北部地区，由于较高的太阳辐射强度，政策带来的提升效果相对较弱。

引言

过去十年间，全球范围内可再生能源发电量大幅增长。2024年，全球可再生能源发电容量较2023年增长了18%，新增容量达到了741吉瓦。在各类可再生能源技术中，太阳能光伏发电占据主导地位，2024年新增的可再生能源容量中有81%来自太阳能光伏，其全球累计装机容量已超过2.2太瓦。太阳能光伏的快速扩张得益于供应链的成熟以及技术的持续进步，这些因素共同推动了成本的显著下降[1]。

2024年，无论是屋顶光伏还是大型光伏系统，其装机容量都在增加。不过，大型光伏系统在市场中占据主导地位，新增装机容量中超过三分之二来自这类系统[2]。与此同时，屋顶太阳能光伏在推动脱碳、降低终端用户的用电成本、增强能源独立性以及提升电力系统灵活性方面发挥着重要作用[1]。

除了有助于扩大可再生能源的装机容量外，与集中式发电厂相比，屋顶太阳能光伏还具备多种技术经济和系统层面的优势。例如，它能够降低前期投资需求，提高资源分配效率，还能更好地满足日益多样化的用电需求[3]。屋顶光伏的大规模应用及其效果在很大程度上取决于各种公共政策干预，这些干预措施旨在克服经济、监管和市场方面的障碍，包括自用电量计划、前期安装补贴以及税收优惠等，这些措施都能通过降低资本成本和稳定收益来提升分布式光伏系统的投资吸引力[3]。为了进一步加速屋顶光伏的普及，尤其是在普及率较低的地区，需要借助分析工具来在实际条件下评估和优化公共政策。有效的政策设计越来越依赖于那些能够识别出既高效又有效的策略的建模方法。最新研究还表明，政策的实施效果在很大程度上取决于具体背景，会受到自用电量比例、用电需求特征以及社会经济状况等地方因素的影响[4]。

在此背景下，本文研究了影响住宅屋顶光伏普及的动力机制，重点探讨了经济激励、政策设计与消费者行为之间的相互作用。虽然已有大量文献研究了屋顶光伏的普及情况，但大部分研究要么采用静态或均衡模型，要么只关注短期结果或局部案例。这类方法难以捕捉反馈机制、时间延迟以及非线性效应，而这些因素对于理解长期的普及趋势和政策效果至关重要。因此，这类研究可能会对政策效果产生偏差，尤其是在评估长期普及动态和财政可持续性方面。在这种情况下，系统动力学是一种合适的方法，因为它已被广泛用于分析复杂的社会技术系统。系统动力学通过一组常微分方程来描述系统行为，从而能够分析系统结构如何随着时间推移产生动态变化[5]。

因此，本研究提出了一种详细的系统动力学模型，该模型能够明确体现影响住宅屋顶光伏长期普及的各种内在机制。所提出的方法结合了启发式优化技术，用于在动态条件下评估不同的激励方案和政策设计，从而在考虑区域差异的同时，判断各种政策的有效性、财政效率以及环境影响。此外，该模拟模型具有很强的适应性，能够适用于不同的市场环境，因此不仅限于某个国家的情况。本研究以智利为实证分析对象，该国在大型可再生能源的发展以及脱碳目标方面进展迅速，但住宅屋顶光伏的普及率相对较低。通过将模型与国家级数据相结合，本研究展示了如何运用所提出的方法来为政策设计提供依据，并找出加快屋顶光伏普及的路径。

本文的其余部分结构如下：第2节对相关文献进行综述；第3节介绍该方法论以及模拟模型的构建过程；第4节阐述实证分析的内容及所用数据，包括用于模型校准的智利相关数据；第5节分析研究结果及其政策意义；最后，第6节总结全文并指出未来研究的方向。

章节节选

文献综述

本节回顾了有关促进住宅光伏应用的各类策略的现有文献。根据方法论、所分析的政策工具以及地理范围，这些研究可分为不同类别。从方法论角度来看，相关文献包括静态模型和长期动态建模方法[6]。静态模型通常基于技术经济评估[7]、回归分析[8]或机器学习模型[9]，而动态模型则...

方法

本节对模拟模型进行了全面介绍。首先，给出了该模拟模型的结构示意图，包括其输入参数、核心组成部分以及输出结果。其次，阐述了驱动系统扩散过程的主要方程。最后，介绍了政策评估机制以及模型的验证方法。

数据与假设

本节介绍了用于评估所提模拟模型的案例研究。以下各小节将详细描述该案例研究、数据输入、参数以及用于运行模拟模型的假设条件。

结果与讨论

本节展示了第4节中提到的九种政策方案的结果。目前智利的监管框架（无补贴的净计费制度）被作为基准情景用于对比。该模拟模型便于对单一政策工具以及混合政策进行系统比较。

图5将所有政策方案映射到第3节中定义的效率-有效性空间中，各象限的边界是根据全国平均水平确定的（见表5）。这一静态参考框架有助于清晰地...

结论

本研究通过在一个按区域划分的模拟模型中同时评估政策效果和成本效率，弥补了以往光伏政策分析中的不足。通过结合系统动力学扩散模型与政策优化方法，该模型能够体现区域差异、政策之间的相互作用，以及应用普及与公共支出之间的权衡，从而便于在不同地区之间对各种单独政策及组合政策进行统一比较。

研究结果表明，...

CRediT作者贡献说明

Felipe Oyarzún：撰写——初稿，可视化，软件应用，方法论，数据整理，概念构建。Felipe Feijoo：撰写——初稿，指导监督，方法论，正式分析，概念构建。Abhishake Kundu：撰写——审阅与编辑，撰写——初稿，方法论，正式分析，数据整理。Monica Castaneda：撰写——初稿，指导监督，项目管理，正式分析，概念构建。

未引用参考文献

[37]、[38]、[39]

利益冲突声明

作者们声明存在以下可能被视为利益冲突的财务利益/个人关系：Monica Castaneda表示获得了智利国家研究与发展局的资金支持；Felipe Feijoo也表示获得了该机构的资金支持；Felipe Oyarzun同样表示得到了该机构的资助；Abhishake Kundu也提到了自己获得的资金支持情况...

致谢

Felipe Oyarzun、Abhishake Kundu和Monica Castaneda获得了智利国家研究与发展局“国际合作发展项目”的资助，项目编号为FONDECYT regular 1241548。Felipe Feijoo则获得了FONDECYT的资助，项目编号为1221894。所有作者还都获得了该机构的“国际交流促进项目”资助，项目编号为FOVI230228。作者们还要感谢2025年10月在克罗地亚杜布罗夫尼克举行的第20届能源、水资源与环境系统可持续发展会议。