综述：“天眼”系统的全生命周期评估：一种用于光伏系统的空地遥感技术

《Renewable Energy》：A Lifecycle Review of Sky Eyes: A Space-Air-Ground Remote Sensing for Photovoltaic Systems

　　摘要：遥感技术日益被视为下一代光伏系统部署的重要基础设施。随着全球减碳目标的推进，太阳能发展速度加快，而遥感则为应对土地限制、环境风险以及系统性能问题提供了关键的空间信息支持。本综述总结了与光伏系统诊断最为相关的光谱、空间和物理属性，并探讨了不同遥感技术在不同光伏系统规划、建设、运营和退役阶段的应用情况。现有研究显示，星载、机载和地面平台各具优势，但在不同生命周期阶段及应用场景下的成熟度存在差异。基于此，本文提出了一种以高度为依据、贯穿整个生命周期的评估框架，将各类遥感技术与光伏系统的各个阶段相联系，明确了它们在选址、生态监测、性能监控和风险评估中的作用。此外，本文还介绍了适用于不同类型土地的光伏系统遥感应用分类。综述进一步探讨了数据分辨率、多源数据融合、数据验证以及部署成本等方面的前沿应用及现有瓶颈。最后，强调了地理科学、工程学、能源系统和管理领域之间需要加强整合。这些研究结果表明，遥感正从一种被动的检测工具逐步转变为推动更具韧性和可追溯性的太阳能发展的战略性支撑手段。

引言：全球能源格局正在经历自工业革命以来最深刻的变革。根据国际可再生能源机构的最新预测，要实现《巴黎协定》中规定的1.5℃温控目标，到2030年每年需新增超过1000吉瓦的可再生能源装机容量，其中预计有60%以上来自光伏系统[1]。这一快速发展得益于三项关键技术突破：单结太阳能电池的效率已接近肖克利-奎塞尔极限[2]；双面光伏组件的出现提升了典型应用条件下的系统能量产出[3]；成本的大幅下降使得光伏发电的平准化成本达到了具有竞争力的水平[4]。然而，这种快速增长也带来了空间限制、环境约束以及系统稳定性等问题[5]。随着全球范围内光伏系统部署的加速，对大面积适宜种植太阳能植物的土地需求不断增加，从而引发了能源生产、农业发展以及城市建设之间的新的空间矛盾[6][7]。气候变化、极端天气事件以及海平面上升等动态因素进一步加剧了这些矛盾，不仅限制了可用土地的数量，还威胁到了相关基础设施的稳定性[8]。与历史上由羊毛产业引发的英国工业革命时期的局部土地变革不同，如今的光伏发展所带来的影响是全球性的，涉及食品、住房及能源系统等多个领域。这种空间与系统的紧密关联要求我们从被动的选址决策转向主动的、以数据为驱动的空间治理方式[10]。遥感技术凭借其能够持续、多尺度地观测土地利用状况、环境风险及系统性能的优势，逐渐从单纯的监测工具转变为推动实现空间平衡、具备气候适应能力的太阳能转型的重要基础设施[11]。

遥感技术能够捕捉不同波段的电磁辐射，并通过二次数据处理进行回溯分析，长期以来一直在能源领域发挥着重要作用[12][13][14]。近期的技术进步使得遥感技术更能满足特定需求：高光谱成像技术可用于分析影响光伏效率的积尘情况[15]；合成孔径雷达则可以全天候监测光伏组件上的积雪负荷[16]。这些创新标志着遥感技术正从通用的环境监测工具向专为新一代太阳能基础设施设计的、具备系统认知功能的工具转变。图1展示了不同类型的遥感技术及其与光伏应用相关的电磁频率范围[17]。

支持太阳能系统的遥感技术可根据其运行高度分为三层：轨道层（＞20公里）、机载层（200米–20公里）以及地面层（0–200米）[18]，此分类仅为方便起见，不同学科和领域可能采用不同的分类方法。这三层技术在不同覆盖范围、分辨率和响应速度方面各有优势，共同构成了现代光伏系统空间信息体系的基石。星载平台能够提供连续的大范围观测数据，对于太阳能资源评估和辐照度变化监测至关重要[19]，这类数据可用于特定区域或目标区域的监测，还可用于监测云层运动以实现光伏发电的短期预报[20]。机载系统，包括无人机、飞机、气球以及低地球轨道卫星，能够实现精准的高分辨率检测。高分辨率光学图像有助于在区域到城市尺度上对光伏系统进行清查和分析[21]，而基于数据的诊断方法则可用于检测分布式光伏阵列中的故障[22]。地面传感器主要用于基础设施监测，而组件级的故障诊断通常则需要通过近距离的热成像或电致发光检测来实现[23]。通过将时间序列遥感数据与机器学习及气候再分析技术相结合[24]，这些分层式的感知技术共同实现了从被动的环境监测向主动的、能够适应不同空间条件的光伏系统部署模式的转变[25][26]。

从实际应用情况来看，遥感技术在光伏系统各生命周期阶段的成熟度仍存在差异。规划和选址是目前应用最为成熟的环节，这得益于开放的卫星数据档案、基于GIS的太阳能潜力评估、土地利用分类以及大规模的光伏系统清查工作。运营监测领域也在快速发展，尤其是通过无人机进行热成像检测、电致发光成像以及自动故障识别等技术，不过这类应用的实施往往具有针对性，且依赖于现场验证。相比之下，遥感技术在施工质量管控、系统寿命评估以及退役处理方面的应用仍处于探索阶段。虽然这些后期应用在技术上可行，但其实际价值尚未通过长期的实地数据、成本分析或标准化的验证流程得到充分证明。现有的综述已经为遥感技术在光伏系统中的某些具体应用领域提供了有益见解，比如联合发电和运营监测等方面[27]，但它们普遍缺乏一个能够将遥感功能与光伏系统的整个生命周期——包括规划、建设、运营和退役——系统地联系起来的统一框架[28]。尽管先前的综述提供了许多有价值的技术见解，但它们大多采用针对特定阶段或特定传感器的视角，缺乏一种能够将不同感知技术与光伏系统各生命周期阶段的治理需求相结合的跨尺度整合策略[29]。此外，那些挑战传统认知的新兴感知技术也很少被提及[30]。大多数现有研究还采用静态的、单一时间点的选址适宜性评估或组件检测方法[31]。很少有研究将遥感技术视为一种能够综合考虑土地、能源与社会相互关系的空间决策工具。尤其是，在农业光伏园、水上浮动光伏电站以及工业再利用土地等新兴土地利用模式中，遥感技术在指导差异化部署方面的战略作用尚未得到充分发挥[32]。虽然有一些研究探讨了多源数据融合与环境监测的问题，但遥感数据与不断变化的土地条件之间的动态关联机制仍不完善。

为解决光伏研究中遥感技术应用碎片化且局限于特定阶段的问题，本综述采用了结构化的综合分析方法。通过三个维度对以往的研究进行比较：感知高度、光伏系统生命周期阶段以及应用功能。比较的重点在于分析星载、机载和地面遥感技术如何在选址、生态评估、施工监测、性能诊断、风险筛查以及系统寿命评估等方面发挥作用。通过这种综合分析，可以找出反复出现的应用模式和证据缺口，进而构建出一个贯穿整个生命周期的框架，将不同感知高度与光伏系统的各个阶段相联系。该框架将不同的感知技术对应到各阶段特定的技术功能、风险评估需求以及决策支持任务上。第2节对比了不同电磁频段和运行高度下的遥感技术，阐述了它们的物理感知原理以及在分辨率、成本和响应速度方面的优缺点。第3节将这些感知层次与光伏系统生命周期的具体需求相匹配，说明了如何通过多高度数据的整合来实现基于不同阶段的监测与优化。第4节将该框架扩展到不同类型的光伏系统部署模式，包括与基础设施一体化的部署、互补型土地利用、城市环境中的光伏应用以及再利用土地上的光伏系统。第5节则讨论了当前面临的关键技术和方法学挑战，以及构建互操作的多层次监测网络的重要性。这些章节将遥感技术重新定位为推动太阳能系统适应性发展的战略工具，而不仅仅是一种数据收集手段。更重要的是，遥感技术应作为连接地理空间信息、环境监测、能源系统以及计算方法的跨学科整合层，为未来的太阳能发展提供具备时空意识的基础设施。

片段对比：光伏系统中不同遥感技术的比较
由于开放获取的卫星图像、模块化机载平台以及可部署的地面传感器的出现，人们得以构建出一种多层次、可扩展的遥感架构。对于光伏应用而言，选择合适的感知配置不仅需要考虑观测能力，还需兼顾成本效益和部署可行性。图2展示了这种分层遥感架构中所存在的层次匹配关系以及相应的性能权衡。

遥感技术支持的光伏系统全生命周期管理
鉴于第2节中提到的各种遥感技术在成本、能力和运行限制方面的差异，将其整合到不同的空间尺度和时间范围内，就可以为光伏系统的全生命周期提供有针对性的支持。本节将遥感技术与光伏系统的生命周期相对应，说明不同感知技术是如何随着技术、环境和管理需求的演变而发展的。需要指出的是，目前关于遥感技术支持光伏系统部署的证据还不够充分。

而非引入新的分类方式，本节则通过将第3节中提出的以生命周期为导向的遥感框架应用于不同的土地利用场景，使其更具实用性。换句话说，这四种部署类型实际上是同一套“空间-空中-地面”任务链在不同场景下的具体体现。遥感技术能够在各种具有不同空间限制、环境特点的光伏应用场景中发挥作用。

未来展望与实施挑战
在讨论未来的研究方向之前，首先需要认识到，要真正实现基于生命周期导向的遥感-光伏系统，还面临着诸多复杂的实施障碍。首先，不同感知层次的数据获取情况存在差异：开放卫星档案虽然覆盖范围广且时间序列连续，但其空间分辨率和重访频率往往不足以用于组件级的精细诊断；而无人机、激光雷达以及地面传感器则能在一定程度上弥补这一缺陷。

结论
本综述将遥感技术重新定义为光伏系统治理领域的生命周期导向型基础设施。它并非将各种感知技术视为独立的 technical选项，而是将它们整合成一个涵盖星载、机载和地面层的垂直分层架构。在这个架构中，遥感技术作为一个完整的生命周期任务链，通过多高度的协同观测，将光伏系统的规划、建设、运营和退役各个环节有机结合起来。

作者贡献声明
刘正光：撰写——综述与编辑、撰写——初稿、方法论、正式分析、数据整理、概念构建。索特里斯·卡洛吉鲁：撰写——综述与编辑、监督、方法论、概念构建。宋晨晨：可视化处理。

利益冲突声明
作者声明不存在任何可能影响本文研究结果的已知财务利益或个人关系。

致谢
本研究部分得到了意大利研究与创新数字化部的资助，项目编号为PNRR-C9-I8-760089/23.05.2023，代码为CF 31/14.11.2022。

刘正光|宋晨晨|索特里斯·卡洛吉鲁
英国曼彻斯特大学化学工程系，曼彻斯特M13 9PL