《自然 · 能源》：美国社会群体间的光伏性能不平等

原文信息

 

原文标题：Unequal solar photovoltaic performance by race and income partly reflects financing models and installer choices

 

发表期刊：Nature Energy （自然能源）

 

发表时间：2025年3月

 

作者信息：Mircea Gherghina, Fedor A. Dokshin & Benjamin Leffel

 

原文链接：https://www.nature.com/articles/s41560-025-01743-7

摘要

 

住宅太阳能光伏（PV）对于快速脱碳战略非常重要。为了描绘公平的能源转型，研究人员测量了住宅光伏采用方面的不平等，并确定了导致群体差异的因素。然而，我们对人们安装太阳能后的经历知之甚少。光伏系统之间的发电差异可能很大，即使考虑差异缩小，也可能导致不公平的结果。本研究使用测量康涅狄格州安装的26,000多套光伏系统的实际月发电量的数据来确定社区收入和种族在系统输出方面的显著差异。结果表明，融资模式的选择（购买或租赁）部分解释了观察到的差异。此外，安装商的系统生成差异很大，这凸显了公司行为导致了不公平的结果。这些发现强调了衡量可再生能源项目的质量和数量以确保公平能源转型的重要性。

 

1. 研究背景

 

住宅太阳能光伏（PV）发电是能源转型的重要组成部分。然而，在美国，住宅光伏系统的部署存在显著的不平等现象，在财富、种族和城乡等多个社会人口维度上均表现出装机差异。这些差异并非无关紧要，而是具有实际影响的，因为太阳能光伏系统能够为安装者及其社区带来经济、环境和健康方面的多重益处。尽管分布式光伏系统的部署正在加速推进，现有研究却很少关注系统安装之后的使用情况，也缺乏对这些社会差异是否延续到系统长期运行性能上的深入探讨。当前关于装机差异的研究往往忽略了诸如安装位置、环境因素、面板朝向、系统组件配置、设备状况与维护情况，以及设计与施工质量等可能影响系统性能的关键因素。

 

本研究聚焦于两个关键因素的交互作用，以探讨其在太阳能光伏部署中可能带来的差异性影响：融资模式与安装商行为。首先，融资方式的选择可能直接影响光伏系统的性能。房主可选择直接购买系统，或采用两种常见的第三方所有权（TPO）模式之一——租赁或购电协议（PPA）。由于TPO模式能够帮助房主规避太阳能系统高昂的前期投入成本，因此这一方式在低收入群体和少数族裔社区中尤为受到欢迎，显著拓宽了太阳能的可及性。其次，安装商与TPO作为关键中介，深刻影响了用户获取太阳能光伏的机会以及整个使用体验。尽管安装商在塑造住宅用户的太阳能体验中扮演着核心角色，但目前有关光伏部署差异的研究，对安装商行为的关注仍相对不足。

 

2. 方法

 

本文使用普通最小二乘回归来预测每月发电量作为关键自变量和控制的函数。在项目级别对标准误差进行聚类，以说明同一项目的观测值之间的依赖关系。完整的模型规格如下：

 

 

为了测试安装人员组织的性能变化，指定了一个线性模型，该模型将安装人员作为分类变量引入：

 

 

最后，考虑到融资模式的异质效应，修改了方程（1），以包括融资模式和收入十分位数以及融资模式和多数地位之间的交互项，如下所示：

 

 

3. 研究结果

 

3.1. 太阳能光伏性能差异

 

首先按低收入社区状态展示了所有系统的分布（图1a）和民族种族构成（图1b）。低收入社区绝大多数通过TPO选项采用太阳能光伏，仅购买了14.5%的装置，而租赁或根据PPA购买的系统分别为41.5%和44%。这与非低收入社区形成鲜明对比，在非低收入社区，购买比租赁更常见（33.1%对27.4%），尽管PPA仍然很受欢迎（占所有安装量的39.5%）。比较种族-多数地位类别的融资模式，白人占多数的人口普查区的购买系统率最高（32.3%）。在黑人占多数、西班牙裔占多数和非占多数的人口普查区，购买的系统分别仅占已安装太阳能光伏系统的8.8%、9.0%和13.1%。购买在亚裔占多数的人口普查区更为常见，但在康涅狄格州只有一个这样的区域，因此需要谨慎地从这一结果进行概括。因此，除了亚裔占多数的社区之外，绝大多数少数族裔和非多数派人口普查区都通过租赁和PPA安装太阳能光伏。安装在不同社区的光伏系统也因规模而异，平均而言，以白人为主的高收入社区安装了更大。

图1 按低收入状态和地区民族-种族多数划分的融资模式选择分布

 

3.2. 按人口统计和融资特征划分的差异

 

在探讨组织行为之前，我们认为融资模式对不同社区的影响可能并不一致。为检验这一假设，我们在模型中引入了融资模式与两个社会人口变量之间的交互项。图2展示了该模型的预测结果。结果显示，在租赁模式下，不同收入群体间的系统估计发电量差异并不显著。然而，在种族-族裔维度上，租赁系统的发电量存在明显差异：相比于少数族裔占多数或非白人占多数的人口普查区，白人占多数地区的租赁系统产出更高。

 

相比之下，在采用直接购买方式的系统中，发电量在两个社会维度上都表现出显著差异。非低收入社区的系统发电量明显高于低收入社区；同样，白人占多数社区的系统发电量也高于黑人占多数（P<0.05）和非多数群体占多数的人口普查区（P<0.001）。特别值得注意的是，这种种族维度上的异质性在“购买”这一融资模式中尤为明显。购买更受白人占多数社区欢迎，而在黑人占多数的社区中，租赁是最常见的融资方式（见图1b）。因此，当比较各类社区中最常采用的融资模式时可以发现：在控制其他系统特性相同的情况下，白人占多数地区通过购买方式安装的光伏系统，每月比黑人占多数地区通过租赁方式安装

 

图2 通过融资模型和区域低收入状态和区域民族-种族多数地位预测的月发电量

 

3.3. 组织和代际差异

 

图3b展示了23家安装商所安装的典型光伏系统在6月的预测发电量（各系统的具体特征在图标题中标注）。这些安装商每家均安装了至少200个住宅光伏系统，合计占样本中90%以上的安装量。图中反映出，不同安装商之间的平均月发电量存在显著差异，最佳与最差安装商所安装系统之间的月发电量估计差距超过100千瓦时。此外，图4进一步展示了这些公司在低收入社区的安装比例（见图3a）以及在不同种族-族裔主导地区的分布情况（见图3c）。图3a和图3c中的虚线分别表示全样本中低收入社区（24.2%）和非白人社区（18.1%）的系统平均安装比例。这些结果揭示，不同安装商在其服务社区的收入水平与族裔构成方面存在明显偏好。

 

从数据来看，发电量最高的几家公司往往更集中于高收入和白人占多数的社区；而发电量最低的公司则更倾向于在低收入和种族化社区开展业务。具体而言，月发电量排名前五的安装商在低收入社区的平均安装比例仅为9%，而发电量排名最后五位的公司，该比例高达39.1%。在种族-族裔维度上也观察到类似趋势：发电量最高的五家公司仅有4.6%的系统安装在多数-少数或非多数人口普查区，而排名最后五位的公司在这类社区的平均安装比例为24.3%，显著高于康涅狄格州的平均水平。我们还发现，公司规模（以安装数量衡量）似乎与系统性能呈负相关。在安装量超过1,000台的6家公司中，有5家属于发电量排名后9位的公司；而安装量超过3,000台的3家公司，全部位于发电量倒数7位之列。

 

图3 不同公司安装的典型太阳能光伏系统的月发电量以及他们安装光伏系统的人口普查区的社会人口特征，包括按低收入状态划分的安装比例和按地区民族-种族多数身份划分的安装比例

 

在图4中，我们重点展示了与系统发电量最高（图4a）和最低（图4b）相关的安装公司所服务区域的空间分布。相邻的图4c和图4d则分别绘制了低收入人口普查区和非白人占多数地区的分布情况。这些图像进一步揭示了系统发电性能与地理特征之间的关联，表现为发电量排名靠前与靠后的公司在每月安装地点上呈现出明显差异的地理模式。具体而言，发电量最高的公司倾向于将其系统部署在城市以外、经济条件较好且白人占多数的社区（见图4a），同时集中在少数几个人口较多的大型郊区。这些公司通常规模较小（见图3c），主要服务于本地市场。图4a中布里奇波特和哈特福德等城市区域的显著空白进一步印证了这一趋势：这些人口密集的城市社区几乎没有这些高性能系统的安装，部分区域甚至完全未被覆盖，仅有极少数的安装项目分布其中。与此形成鲜明对比的是，图4b显示的发电量最低的五家安装商，其主要市场则集中在经济较为贫困、种族化程度较高的城市社区，如哈特福德、布里奇波特和纽黑文（位于布里奇波特东北部）。值得注意的是，这些城市区域不仅是这些低性能安装商的重点服务对象，而且其中包括了样本中三大安装商中的两家。

 

图4 按人口普查区划分的绩效优异和业绩不佳的公司的每千户家庭的安装量分布

 

4 讨论和结论

 

住宅太阳能光伏的快速且公平的部署是美国脱碳战略中的关键组成部分。尽管已有研究测量了光伏采用率在不同群体间的差异，但对已安装系统性能层面的不平等关注甚少。本研究证实，光伏系统的发电性能存在实质性且有意义的差异，并且这种差异沿着种族和收入的社会维度显现。我们的分析发现，部分性能差异可归因于融资模式的选择。与直接购买系统相比，租赁系统在性能表现上往往较差，这可能是导致其为房主带来较少收益的一个重要原因。同时，安装公司作为住宅光伏市场中的关键中介，其行为对系统性能具有显著影响。本研究揭示了不同安装商之间在系统性能方面存在巨大的差异。

 

研究结果表明，单纯统计光伏系统的部署数量无法充分理解能源技术推广过程中的不平等现象。系统在投入使用后的性能评估同样不可或缺。此外，用户对太阳能的不良体验可能抑制未来的采用，削弱本应存在的同伴效应，而这种效应已被证明在推动光伏扩散中发挥着重要作用，也可能进一步加剧部署过程中的群体间差异。当前政策高度重视可再生能源装机规模的增长速度，然而，实现公平的能源转型不仅需要“数量”，更需关注“质量”。太阳能租赁作为一种日益流行的融资方式，虽在一定程度上拓展了弱势群体的可及性，但若其性能显著低于购买系统，反而可能造成能源转型成果的再次不平等。这一问题在大型安装商中尤为突出，他们往往更频繁地在低收入和少数族裔占多数的社区提供服务。

 

本研究在衡量住宅太阳能光伏系统性能差异方面迈出了关键的第一步，并希望能为未来关注安装过程和安装后用户体验的研究铺平道路。后续研究应进一步探讨弱势社区中系统性能不佳是否源于行业中的掠夺性商业行为、组织失效，或其他结构性因素。同时，也应探索系统性能差异如何影响用户的投资回报，并将发电数据与融资结构、电价信息及第三方所有权（TPO）合同条款等综合关联，以全面评估光伏系统的财务回报差异及其根本驱动因素。

转自气候变化经济学