《Sustainable Futures》：Advancing the renewable energy transition through land prioritisation and advanced photovoltaic technologies: A case study of Germany
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在实现国家气候目标的同时平衡土地利用与生物多样性目标，是各国大规模太阳能转型面临的共同挑战。地面安装光伏（Photovoltaic, PV）系统的战略布局对最大化能源产出、最小化土地占用至关重要。本研究通过评估不同土地利用限制与光伏技术情景下地面光伏系统的技术
在实现国家气候目标的同时平衡土地利用与生物多样性目标，是各国大规模太阳能转型面临的共同挑战。地面安装光伏（Photovoltaic, PV）系统的战略布局对最大化能源产出、最小化土地占用至关重要。本研究通过评估不同土地利用限制与光伏技术情景下地面光伏系统的技术潜力，探索节地型光伏部署策略。以德国为案例区，研究人员整合高分辨率气候数据、光伏潜力建模与土地适宜性评估，设置三级土地限制（最宽松、中等、最严格）与三级光伏技术效率（低、中、高）情景，量化土地适宜性与技术选择对能源产出的影响。结果表明，部署高效率光伏系统可使相同土地面积的发电量提升一倍以上；优先利用最高适宜性土地可产出高达759 TWh能源，而严格的土地利用限制会将该潜力压缩至仅97 TWh。研究发现，仅需占用德国不到1%的土地面积，结合最优场址选址与先进技术，即可在不损害保护区与生物多样性目标的前提下实现能源目标。通过将光伏部署与高适宜性土地及先进技术相匹配，各国可降低土地需求与环境权衡。本研究提出了一种可推广的路径，以在推进可再生能源转型的同时支撑可持续成果，其价值超越德国本土，对全球土地-能源规划具有重要参考意义。
该研究发表于《Sustainable Futures》，针对全球可再生能源扩张中土地竞争加剧、现有规划未充分整合土地适宜性与技术效率的问题，以德国能源转型（Energiewende）为背景开展研究。德国计划2030年可再生能源发电占比达80%、2035年实现100%可再生能源供电、2045年达成净零排放，其中光伏装机需在2030年达到215 GW，而2024年仅约99.3 GW，缺口显著。同时，巴西、中国等地区已出现光伏部署与农业生产、保护目标的冲突，亟需优化布局以提升单位土地能源产出。研究人员通过整合空间显式光伏潜力模型与土地适宜性评估框架，在德国不同土地限制与技术情景下量化光伏潜力，证明优先布局高适宜性土地并搭配高效技术，可在极低土地占用下满足甚至超越国家能源需求，为全球土地约束下的可再生能源规划提供了可复制的方法论。
研究人员采用的核心技术方法包括：1）基于CHELSA算法降尺度的1990–2014年1 km分辨率气候数据集（含太阳辐射、温度），驱动空间光伏潜力（PVOUT）模型，该模型整合面板朝向、技术损耗参数计算单位面积发电能力；2）采用既有土地适宜性分类体系，按太阳辐射、电网距离、坡度坡向、土壤侵蚀率将土地划分为高、中、边际适宜三类，并结合三级陆基限制情景（最宽松、中等、最严格）筛选可部署区域；3）设置三级光伏技术效率情景——常规硅基（18.5%）、钙钛矿（Perovskites, 24.8%）、III-V多结（III-V Multijunction, 35.8%），耦合土地适宜性与限制情景计算总发电量；4）引入德国《可再生能源法》（Erneuerbare-Energien-Gesetz, EEG）政策情景，对比能源目标导向部署与传统土地面积导向部署的效率差异。
研究结果如下：
3.1 德国空间显式光伏潜力
模型验证显示模拟值与现有光伏电站实测值拟合优度R2约0.8，性能可靠。光伏潜力呈南高北低分布：巴伐利亚（1100–1250 kWh/kW）、巴登-符腾堡（1100 kWh/kW）最高，莱茵兰-普法尔茨、萨尔州次之，北部各州虽潜力较低（900–1000 kWh/kW）但仍具备开发可行性。当前德国光伏装机仅占国土面积0.23%，年发电量约61 TWh，贡献全国电力需求的12%，高潜力区域仍有大量开发空间。
3.2 不同土地适宜性类型的光伏出力及对能源需求的贡献
最宽松情景下，1.8%的高适宜性土地即可通过所有效率等级的光伏技术满足德国当前电力需求；中等限制情景下需7.7%的中适宜性土地可满足当前总能源需求；最严格情景下，单一适宜性类型均无法独立满足当前电力或能源需求，仅中等限制情景下的高适宜性或EEG指定区域搭配中高效率技术可覆盖电力需求。
3.3 光伏技术与陆基限制的联合效应对能源产出的影响
最严格情景允许使用约2%国土面积，常规硅基技术可发电639 TWh，相当于当前电力需求，若换用III-V多结技术则翻倍至1237 TWh，可覆盖当前总能源需求的19%–36%；中等限制情景使用7%国土面积，可产出4–8倍当前电力需求，覆盖总能源需求的75%–146%；最宽松情景使用12%国土面积，可产出8–15倍当前电力需求，覆盖总能源需求的141%–273%。高效技术可产生富余电力，支撑供热、工业等全部门能源需求。
3.4 能源目标导向与土地面积导向部署策略的比较
从高适宜性土地开始逐步纳入低适宜性区域时，单位面积发电量呈下降趋势。最宽松情景下1.8%的高适宜性土地，比最严格情景下1.9%的总适宜性土地多发电120 TWh，已超过德国当前电力需求。EEG指定区域在最严格情景下可贡献233 TWh，占2030年可再生能源目标的52%，在最宽松情景下可达774 TWh。实现2030年215 GW光伏装机目标仅需新增约0.6%国土面积，具体随技术选型略有差异。
讨论部分指出，现有EEG指南未充分纳入场地适宜性差异，优先高适宜性土地可大幅降低达标所需土地面积，高适宜性土地的核心特征为高太阳辐射、低坡度、南向坡、近电网、低农地与生态价值。先进光伏技术可在不改变系统物理尺寸的前提下提升单位面积产出，III-V多结技术可减少50%土地需求，但钙钛矿的长期稳定性、III-V多结的制造成本仍是规模化障碍。陆基限制对生态保护至关重要，但过度限制会损失高潜力区域，建议在避开生态敏感区的前提下，优先利用道路沿线、铁路缓冲区、棕地等边际土地。德国2030年电力需求预计增长至700 TWh，结合中高适宜性土地与中高效率技术，仅需0.9%国土面积即可满足。能源目标导向策略比传统土地面积导向策略更高效，可推广至其他国家。研究同时指出局限性：未考虑未来气候变化、极端天气、经济成本与材料供应约束，建议后续纳入这些因素并探索农光互补、漂浮光伏、停车场光伏等多功能土地利用模式。
结论部分表明，该研究整合高分辨率气候数据、土地适宜性与政策约束，构建了可转移的土地-能源规划框架。优先高适宜性土地与高效光伏技术可显著降低土地需求、提升能源产出，能源目标导向部署比传统面积导向策略更具环境效益与实施效率。该框架可为全球土地约束下的可再生能源转型提供借鉴，结合先进技术与农光互补等双用途系统，可进一步缓解能源、环境与土地利用的冲突，支撑可持续发展。
