云南省光伏产业空间格局演化及驱动因素研究

周 波, 杨栋会

(云南师范大学经济与管理学院, 昆明 650500)

构建现代化的能源体系是保障我国能源安全以及实现绿色发展的重要环节。国家发展改革委、国家能源局在《关于促进新时代新能源高质量发展实施方案》中明确提出要以光电和风电为基础加快构建清洁低碳、安全高效的能源体系。在众多清洁能源中太阳能因其绿色无害、储备充足和使用范围广泛的特点促使光伏发电成为优化能源结构、实现绿色发展的重要选择。因此,因地制宜地发展光伏产业、推动光伏产业规模化发展对实现高质量发展具有深刻影响。

云南发展光伏产业具有得天独厚的优势。一方面,云南拥有优秀的光照条件和较高的发电潜力,大多数地区的年辐射均值可超过5 800 MJ/m2,年有效日照天数超过282 d且具有较高的能源稳定度[1-2];另一方面,云南也存在巨大的市场潜力,根据在建电源投产时序测算,2023—2025年将出现8.5×109～2.8×1010kW·h的电量缺额,尤其在冬季枯水季出现结构性枯期缺电[3]。因此,依托资源禀赋以及市场潜力将云南打造成“光伏之都”是必要且可行的。但光伏产业现面临企业恶性竞争、低端产能过剩、缺乏创新效率等问题[4-6],科学合理的产业布局是缓解这些问题的关键。因此,研究光伏产业的空间格局演化规律、促进光伏产业协调发展,是云南省光伏产业高质量发展亟待解决的迫切问题。

随着光伏产业的蓬勃发展,学者们开展了一系列研究。研究内容聚焦光伏产业的形成与发展[7-8]、光伏产业政策绩效[9-11]、产业创新效率及影响因素分析[12]等,其中光伏产业的空间布局一直是学者们关注的重点。从研究对象来看,现有研究多将光伏产业进行笼统的表述[13-14],并没有将光伏产业进行产业链划分,因此缺乏对不同类型企业的研究。从研究尺度来看,受限于数据的可获取性,研究的尺度多限于国家和地区[15-17],不能体现各个省份之间在资源禀赋、政策等方面的差异。从研究思路来看,现有研究对光伏产业空间格局的形成多从市场规模、基础设施、制度政策、空间距离以及要素价格等宏观环境因素对光伏产业的形成与集聚进行解释[18-19],企业作为行业进行生产活动的基本单位,关于企业间区位关联对产业布局形成的研究并未出现。

利用云南省光伏企业的微观数据以及地理信息系统(geographic information system,GIS)空间分析方法对云南省光伏产业的空间格局演变进行研究,集中探讨传统区位因子、新区位因子以及企业间的区位关联对光伏产业空间格局的影响,以期为云南省协调各州市相关产业的布局提供一定的科学依据。

1 数据与方法

1.1 数据内涵

研究数据包括光伏产业上、中、下3个主要环节数据(图1)。上游环节包括太阳能级晶硅原料生产,主要包括硅矿石开采与冶金硅提纯、多晶硅提纯、单/多晶硅片加工与切割等环节;中游环节为太阳能电池制造以及其他光伏系统零部件(逆变器、汇流箱、光伏支架、线缆等光伏组件)的制造,太阳能电池主要分为:晶体硅电池、薄膜电池与新型电池3类,其中晶体硅电池分为多晶硅电池以及单晶硅电池,占据现有市场的主要份额;下游环节包括太阳能并网发电工程、太阳能设备销售与安装、光伏集成建筑等在内的光伏产业系统集成与安装以及太阳能设备运营以及维护。

图1 光伏产业链主要内容

1.2 数据来源与处理

采用全国工商企业注册数据创建样本库,为了降低该数据库带来的冗余与失真,以注册资本为基准,根据实际缴纳资本进行剔除与筛选,为此得到云南省光伏产业企业数据库,其具体属性包括企业名称、企业所在地、经营状态、主营业务等;后利用百度地图API获取每个企业所在地进行地理编码与坐标纠编(WGS1984);最终在Arc GIS 10.8.1上将云南省光伏企业的企业坐标转换为点状矢量数据。

1.3 研究方法

1.3.1 标准差椭圆

标准差椭圆(standard deviational ellipse,SDE)是揭示经济空间分布特征的常用方法,其通过中心、长轴、短轴、方位角等基本参数的空间分布椭圆对研究对象的空间分布特征进行整体描述[20]。当标准差椭圆的面积越小,其长轴与短轴越短时,说明研究对象的空间集聚程度越高;反之,聚集程度越低。采用此方法研究光伏产业的分布方向以及变化趋势,公式如下:

(1)

(2)

(3)

(4)

使用Arc GIS 10.8.1的空间分析统计工具构造光伏产业的空间标准差椭圆,输出椭圆大小为1个标准差,其范围覆盖了68%的要素点。

1.3.2 核密度估计法

核密度估计法(kernel density estimation,KDE)是估计样本点聚集程度的常用方法之一,采用该方法描述光伏产业的集聚特征。核密度值越高,说明样本点越集中,反之则分散,公式[21]为

(5)

式中:xi-x为估计点到样本点的距离;h为搜索半径;N为搜索半径内样本点的个数;K(·)为核密度方程。当f(x)越大时,说明空间中样本的集聚程度越高,反之则越低。

1.3.3 地理探测器模型

地理探测器模型是经济地理中用来揭示产业空间分布驱动因素的常用方法,采用该方法对光伏产业的驱动因素进行探测与识别,公式为[22]

(6)

式中:q为探测指标的大小;N和σ2为区域样本的数量及其方差;Nh和σh2为第h个影响因素的样本数量及其方差。当q越大时说明该探测因素所产生的影响越大。先采用自然断裂法将驱动因素转换为类型变量后再采用地理探测器模型对驱动力的大小进行测度。

1.3.4 协同区位商

协同区位商(co-location quotient,CLQ)是区位商的延伸,其旨在量化可能本身呈现的空间自相关的群体空间关联[23]。协同区位商主要有全局区位商(GCLQ)与局域协同区位商(LCLQ)两种,全局协同区位商旨在对A类点附近B类点的观察值与预期值之间的关系进行测度,局域协同区位商则旨在揭示两种要素点之间相关性的空间差异性[24]。当CLQ>1且P<0.05时具有协同区位;当CLQ<1且P<0时则具有隔离区位。采用该方法描述处在产业链不同位置间的企业之间的区位关联。全局区位商(GCLQ)与局域协同区位商(LCLQ)的计算公式[25-26]如下:

(7)

(8)

(9)

(10)

式中:N为所有样本点的数量;NA和NB分别为A类点和B类点的数量;NAi→B为拥有B类点作为其最近邻A类点的数量;wij为j对第i个A类点的重要程度;fij为是否为B类点的二进制变量(是为1,否为0);dij为第i个A类点与点j之间的距离;dib为第i个A类点附近的带宽距离。

2 云南省光伏产业的空间分异特征分析

2.1 云南省光伏产业的产业结构

从表1来看,云南省光伏产业结构呈现出企业数量显著增加,中、下游企业比重逐渐上升的趋势。具体来说,2011年光伏产业链主要由上游的硅加工产业构成,中、下游企业并未在云南形成较大规模;2016年,上游企业数量基本保持不变,中、下游企业数量迅速增加,尤其是下游企业,是2011年的25倍以上,下游企业开始占据整个产业的绝大多数;2021年,云南省光伏产业进一步发展,各阶段产业链的企业数量均有不同程度的增加,其中中游产业数量的增速最快,已经基本形成了1∶4∶5的格局。

表1 2011年、2016年、2021年云南省光伏产业企业数量及资本注册

此外,云南省光伏产业在数量和注册资本的不对称性也逐渐加深(表1、表2)。在2011年企业数量和注册资本上能基本保持一致,到了2021年占据企业数量12% 的上游占有了注册资本的36%,而下游企业在数量占有53% 的状况下仅占有注册资本的31%。上游企业由劳动密集型向资本密集型的转型是造成这一现象的主要原因。

表2 2011年、2016年、2021年云南省光伏产业中游企业构成

将处在中、下游产业链的企业进行进一步划分(表2、表3)可知:中游企业的发展在构成上无太大变化,太阳能电池制造与光伏组件的比例大约为1∶1;下游企业的发展则集中在太阳能集成建筑等家用光伏设备的安装和维护。对于中游企业,一方面,根据中国有色金属工业协会硅业分会、国家统计局以及《云南统计年鉴2022》数据显示,云南省单晶硅产能约占全国的1/4,但是太阳能电池产量却不足5%,因此硅材料加工与制造与太阳能电池之间的产能差距以及生产过程中较低的运输成本是导致太阳能电池制造企业不断发展;另一方面,光伏组件与太阳能电池在应用上具有互补性,太阳能电池企业的发展也带动光伏企业数量增加。对于下游企业,由于大型的光伏发电的设施所需的资本以及技术投入远高于家用小型发电设施,因此导致后者在下游企业中数量大幅增加。

表3 2011年、2016年、2021年云南省光伏产业下游企业构成

2.2 云南省光伏产业的空间格局

通过对云南省3个特征年份的光伏企业数量进行可视化处理发现:①从时间来看,企业的数量显著增长,东部增速明显高于西部,尤其以昆明及其周边城市最为显著;②从空间来看,光伏产业的发展重心由发散逐渐向昆明周边进行集聚。2011年省内与昆明市接壤的4个地州(曲靖市、楚雄州、玉溪市、红河州)的企业数量为48个;2016年为260家,地区数量增速为442%,超过省内平均增速(273%);此后,随着光伏企业在云南省的大量落地,2021年数量为652个并占据了省内总企业数的50%以上,光伏产业的发展重心逐渐向昆明移动。 2011年、2016年、2021年云南省光伏产业企业数量的空间分布如图2所示。

审图号:GS(2019)3333号

2.3 云南省光伏产业的空间集聚特征

2.3.1 呈现“东-西”的聚集发展且向昆明集聚的态势

根据云南省光伏产业特征年份的标准差椭圆(图3)得出光伏产业的分布范围、方向变化以及中心迁移的特征:①从分布范围来看,2011—2021年云南省光伏产业经历了“先分散后集聚”的分布演化特征。标准差椭圆在2011年的面积为192 785 km2,长轴长度为317.03 km;到了2021年该面积仅达到了144 426 km2,长轴长度为229.71 km。②从方向变化来看,标准差椭圆的方位角由92.84°变为88.74°,说明在2012—2022年的10年间光伏产业的分布方向并没有产生较大的变化,总体保持“东-西”聚集分布的态势。③从分布中心来看,中心坐标由2012年的楚雄彝族自治州西部(24.95°N、101.01°E)到2016年的楚雄彝族自治州中部(24.85°N、101.77°E)再到2021年的楚雄彝族自治州东部(24.97°N、102.10 °E),中心有由西向东迁移的趋势但速度有所放缓,并且标准差椭圆的长短轴差距变小,这说明光伏产业在云南省的分布有向南北拓展并且逐渐向昆明市集聚的趋势。

审图号:GS(2019)3333号

2.3.2 由“昆明-德宏”的双核布局向“以昆明为核心,曲靖-楚雄双副核心”的格局演化

通过对比3个特征年份的光伏产业的核密度图(图4)发现,云南省光伏产业的发展历经3个阶段:①第1阶段(2011年),以“昆明-德宏”为双核的产业布局。此阶段产业链中的企业主要集中在硅原料的获取加工和光伏设备的制造维护。德宏作为云南重要的硅原料产地会吸引大量的上游企业入驻;此外,光伏设备的制造与维护需要高素质的人才以及知识累积,并且此时光伏产业刚刚进入市场,因此昆明汇集大量的下游企业。②第2阶段(2016年),以昆明为中心向外围城市扩散的格局。此阶段大量的太阳能电池以及光伏组件制造企业开始以昆明为中心向周边地区扩散,地区中心城市光伏产业园开始建立与形成。③第3阶段(2021年),“以昆明为核心,曲靖-楚雄双副核心”的格局。随着政府引导以及产业内部的优胜劣汰,云南构建以太阳能电池生产和光伏设备的运营维护为主的产业结构,形成以昆明为核心的光伏发电服务中心以及曲靖经济技术开发区、楚雄高新技术产业开发区和楚雄禄丰产业园为核心的太阳能电池和光伏组件制造基地。

审图号:GS(2019)3333号

3 云南省光伏产业空间布局的驱动因素分析

3.1 云南省光伏产业空间布局区位因子分析

3.1.1 区位因子的选择

光伏产业是基于半导体技术和新能源需求而融合发展、快速兴起的技术密集型产业,是当今的朝阳产业。因此,该产业的发展需要从传统区位因子和新区位因子两个角度进行研究。

根据传统区位理论,地区的经济发展水平以及市场环境是影响产业集聚的重要因素。从地区经济发展水平来看,首先,新能源产业发展需要巨大的投资与优质的劳动力投入,良好的经济发展水平将为这些要素的提供给予保障[27];此外,新能源产业的发展与信息技术、数字技术等相关产业的发展相辅相成[28],相关产业的溢出效应能促进光伏产业的发展。因此采用人均GDP(EL)与产业高级化指数(IS)度量地区经济的发展状况。从市场环境的角度来看,优良的创新创业环境以及营商环境能够较好地培育新能源产业[29]。故采用中国市场创新创业指数(MV)和社会人均消费品零售总额(CP)度量创新创业环境以及营商环境。

此外,随着演化经济地理学在学术界的逐渐兴盛,制度因素和技术集聚成为许多学者研究新兴产业起源与集聚的新视角。从制度因素来说,光伏产业政策可以调节地区产业的供需结构进而影响地区产业的发展[30]。因此采用一般公共预算支出(PE)代表政策对供给面的影响,采用云南省“十四五”规划的光伏项目装机数(PI)代表政策对光伏产业需求端的导向性。从技术集聚角度来看,新能源产业发展过程中受到地区间知识存量,人才水平等方面的影响[31]。一方面,光伏产业作为原始集成创新的产业,投入风险高,一般的中小企业难以进行独立创新,因此需要与研究机构或高校进行联合研发[32];另一方面,技术密集型产业的发展需要高质量的劳动力,因此地区人才水平也会影响产业的集聚水平。因此研究采用规模以上工业企业有效发明专利数(NP)以衡量地区的知识存量,独立研究与开发机构人员数量(NS)衡量地区的人才水平。区位因子见表4。

表4 区位因子

3.1.2 区位因子探测结果的分析

表5显示:①从总体上看,技术集聚和市场环境是影响产业布局的主要因素。原因在于光伏产业作为技术密集型产业,拥有一定技术积累与高素质人才的地区更容易吸引企业,而良好的市场环境更加有利于多以中小企业为主的光伏产业的发展。②以上8种区位因子对处在产业链不同位置的企业所产生的效果是不同的。对于上游企业来说,更容易受到经济基础和政策因素的影响,这是因为光伏产业的上游企业基本以硅材料的加工为主,需要投入大量资金对厂房进行建设与维护并且政策会更加偏向于拥有丰富原材料的地区,因此地方经济水平以及政策因素对上游企业有较为显著的影响;中、下游企业多以技术密集型企业为主,因此技术集聚是推动中下游企业发展的重要路径。

表5 区位因子的探测结果

3.2 云南省光伏产业的区位关联分析

3.2.1 云南省光伏产业区位关联全局特征

表6为各产业链之间全局区位商的结果。结果表明,企业之间区位关联较弱。从处在同一产业链的同一企业来看,处在上游和中游产业链的同类企业之间有较为紧密的区位关联,其中中游企业相对于上游企业更紧密;下游企业的GCLQ为0.665且在1%的水平上显著,这说明下游企业间有明显的离散趋势,造成这一现象的主要原因是占据下游企业大多数的家用光伏设备企业为避免竞争而选择离散分布。

表6 2021年云南省光伏产业GCLQ值显著性结果统计

3.2.2 云南省光伏产业区位关联的局域特征——以昆明市为例

表7和图5分别用数值和图的形式描述了昆明市内企业间的区位关联。昆明市已经形成了中、下游企业之间的显著的区位关联,关联强度之间并没有存在较大的差距。尽管差距不大,但中游企业在同类型企业内部产生了区位关联且与下游企业产生了区位关联,其中以中游企业为核心与下游企业有9个显著点,平均LCLQ值为2.28且主要集中在官渡区,表明中游企业通过区位在官渡区吸引了大部分的下游企业入驻。原因在于太阳能电池等光伏组件是下游企业生产的主要原料,因此大部分下游企业会选择在中游企业附近入驻以降低运输成本。此外,中游企业绝大部分都选择在经济开发区或工业园区建设,因此中游企业之间也有较高的区位关联。总而言之,昆明市光伏产业的发展布局依托中游企业在官渡区的分布而展开。

表7 2021年昆明光伏产业LCLQ显著性结果统计

审图号:云S(2021)63号

4 结论与对策建议

4.1 结论

使用云南省2011年、2016年以及2021年光伏企业矢量数据,采用标准差椭圆、核密度分析、地理探测器模型及协同区位商等方法对云南省光伏产业的空间格局进行研究并分析其影响因素,得出以下结论。

(1)光伏产业总体处在快速发展的阶段。在产业结构方面,中、下游企业的数量正处在快速增长阶段,整个产业链的发展重心由以硅材料的加工向家用光伏设备倾斜。在地区发展方面,昆明及其周边4城的发展速度要明显高于其他地区。在产业空间格局方面,总体保持了“东-西”分布的格局,其发展重心有向昆明迁移的趋势。云南省光伏产业的发展格局由“德宏-昆明”双核心转变为“以昆明为核心,曲靖-楚雄双副核心”。

(2)技术集聚和市场环境是光伏产业发展的主要因素。此外,将光伏产业按照产业链进行划分,发现地方经济水平和政策因素是影响上游企业发展的关键因素,而中、下游企业的发展易受到技术积累的影响。

(3)云南省光伏企业之间的区位关联较弱。在上、中游的同类企业之间形成了较为紧密的区位关联,下游企业之间有离散的趋势。昆明市的中、下游企业之间形成了较为紧密的区位关联。昆明市光伏产业的发展布局依托中游企业在官渡区的分布而展开。

4.2 对策建议

(1)做好产业布局的长期规划。依托《云南省光伏产业发展三年行动(2022—2024年)》的规划要求以及现有的产业布局,集中力量扩大昆明、楚雄、曲靖三地的产业规模,使得规模经济最大化,促进技术和资本向其他地区的溢出。

(2)为当地企业提供“个性化”的政策支持。对于昆明及其周边城市来说,要依托昆明所拥有的技术与经济优势,尽力营造良好的营商环境和技术氛围,为发展中下游产业提供优质的发展环境;对于其他地区,加大基础设施建设,因地制宜地发展产业,形成有特色的光伏产业中心。

(3)加强知识产权的保护。光伏产业是技术密集型产业,专利以及制造技术是企业的核心竞争力。因此,保障企业的知识产权不受侵犯是光伏产业蓬勃发展的重要保证。无形的技术、工艺、配方等技术诀窍纳入知识产权保护的范畴,保护原创企业创新积极性,构建和完善保护产权的经济生态。

(4)尊重光伏产业的区位布局规律。对中游企业有极大依赖的下游企业,鼓励其通过授权、买卖等多种方式促进知识以及人才在企业间的流动,激发和推动相关企业进行技术革新进而完成产品迭代和产业升级。