光伏發(fā)電潛力分析
——以山西省為例

郭鵬 申彥波 陳峰 趙曉棟

（1 華風(fēng)氣象傳媒集團(tuán)有限責(zé)任公司，北京 100081；2 中國氣象局公共氣象服務(wù)中心，北京 100081；3 中國氣象局風(fēng)能太陽能資源中心，北京 100081；4 北京市規(guī)劃和自然資源委員會(huì)東城分局，北京 100013）

0 引言

截至2017年底，中國光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)達(dá)到了130 GW，但因?yàn)橹袊柲苜Y源與用電負(fù)荷極為不均，導(dǎo)致消納問題始終存在，對此國家針對性地出臺(tái)了多項(xiàng)政策措施，鼓勵(lì)中東部地區(qū)開發(fā)分布式電站。中東部地區(qū)光伏建設(shè)用地相對緊張，如何根據(jù)太陽能資源，考慮地形、地貌及用地性質(zhì)的制約，綜合評(píng)價(jià)光伏發(fā)電潛力，對于政府產(chǎn)業(yè)政策指定，以及市場投資行為都將有很大的實(shí)際意義。

關(guān)于光伏發(fā)電潛力，國內(nèi)已有一些研究，周揚(yáng)等[1]分析了江蘇省太陽能資源的時(shí)空分布特征，估算了江蘇省屋頂可裝機(jī)面積，并通過資源豐富度、穩(wěn)定性等方面分析了江蘇省太陽能資源潛力；閆加海等[2]分析了山西省太陽能資源的時(shí)空分布特征，通過太陽能可利用天數(shù)、穩(wěn)定度、最佳利用時(shí)段等方面分析了山西省太陽能資源潛力；梁玉蓮等[3]分析了華南地區(qū)太陽能資源的時(shí)空分布特征、資源豐富度、穩(wěn)定性，并探討了不同地形及下墊面下太陽能開發(fā)適宜性；李珂等[4]選取太陽能總輻射、日照時(shí)數(shù)和有效日照天數(shù)3個(gè)因子，利用多指標(biāo)評(píng)分法分析了中國陸地太陽能資源潛力；王利珍等[5]通過分析上海地區(qū)不同輻照度下單晶硅組件轉(zhuǎn)換效率，計(jì)算了全國光伏理論年發(fā)電量空間分布；謝國輝等[6]介紹了光伏電站基地開發(fā)潛力評(píng)估系統(tǒng)相關(guān)情況；Marcel等[7]利用PVGIS數(shù)據(jù)集對歐盟各成員國光伏系統(tǒng)年發(fā)電量進(jìn)行了估算，并分析了光伏潛力與各國電力負(fù)荷的關(guān)系。對于光伏發(fā)電潛力，上述研究工作在不同領(lǐng)域有所涉及，但內(nèi)容上仍存在針對性不強(qiáng)或考慮因素不夠全面等問題，因此探討全面的量化評(píng)價(jià)方法很有意義。

影響可再生能源發(fā)電潛力的因素眾多，美國能源局提出了可再生能源發(fā)電潛力四層模型：資源潛力、技術(shù)潛力、經(jīng)濟(jì)潛力和市場潛力，以光伏開發(fā)為例，資源潛力討論太陽能資源情況，技術(shù)潛力進(jìn)一步將地理及工程技術(shù)約束納入考慮，經(jīng)濟(jì)潛力和市場潛力則更進(jìn)一步考慮經(jīng)濟(jì)和政策因素。參考這一分析框架，在資源潛力和技術(shù)潛力的層面，本文選取山西省作為研究區(qū)域，嘗試以光伏發(fā)電年等效利用小時(shí)數(shù)、理論裝機(jī)量、土地利用率、理論發(fā)電量4個(gè)指標(biāo)為落腳點(diǎn)，通過模擬太陽能資源，量化地理?xiàng)l件對光伏開發(fā)的約束，形成了一套光伏發(fā)電潛力的量化分析方法。

1 區(qū)域介紹、數(shù)據(jù)和方法

1.1 區(qū)域介紹

山西省地處華北西部的黃土高原東翼，總體上屬于山地高原，整個(gè)輪廓略呈由東北斜向西南的平行四邊形。山西總的地勢是“兩山夾一川”，東西兩側(cè)為山地和丘陵隆起，中部為一列串珠式盆地沉陷，平原分布其間。山西省屬于溫帶大陸性季風(fēng)氣候，具有四季分明、雨熱同步、光照充足、南北氣候差異顯著、冬夏氣溫懸殊、晝夜溫差大的特點(diǎn)。

1.2 數(shù)據(jù)

氣象數(shù)據(jù)：山西省109個(gè)國家級(jí)氣象站近30年（1987—2016年）逐年、逐月日照時(shí)數(shù)、日照百分率數(shù)據(jù)，其中大同、太原、侯馬3個(gè)氣象站逐年、逐月輻射數(shù)據(jù)，資料來自國家氣象信息中心。

數(shù)字高程數(shù)據(jù)：采用SRTM3數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)主要由美國航空航天局（NASA）和國防部國家測繪局（NIMA）聯(lián)合測量，SRTM的全稱Shuttle Radar Topography Mission，即航天飛機(jī)雷達(dá)地形測繪使命，SRTM3分辨率為90 m。

土地利用數(shù)據(jù)：采用GlobeLand30-2010數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)為2010基準(zhǔn)年的30 m全球地表覆蓋遙感制圖數(shù)據(jù)產(chǎn)品，是“全球地表覆蓋遙感制圖與關(guān)鍵技術(shù)研究”的成果，數(shù)據(jù)來自國家基礎(chǔ)地理信息中心。

1.3 方法

1.3.1 太陽能資源

1）水平面總輻射年總量

根據(jù)《太陽能資源評(píng)估方法》（QX/T 89—2018），采用氣候?qū)W方法計(jì)算水平面總輻射、水平面直接輻射和水平面散射輻射的月值和年值。該方法通過氣候?qū)W原理，利用日照百分率間接計(jì)算到達(dá)地面的太陽輻射，水平面總輻射、水平面直接輻射和散射輻射的計(jì)算公式如下：

式中，Qg、Db和Sdif分別為水平面總輻射、水平面直接輻射和散射輻射；Q0表示天文輻射；s為日照百分率；a1，b1和a2，b2是經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。中國氣象局風(fēng)能太陽能資源中心利用全國122個(gè)輻射站（包括曾將開展過輻射觀測的站點(diǎn)）自開展輻射觀測以來的逐月觀測數(shù)據(jù)，建立水平面總輻射與日照百分率，以及水平面直接輻射與日照百分率的回歸方程，得到經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a1，b1和a2，b2，將其在全國進(jìn)行空間插值，獲得任意站點(diǎn)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，進(jìn)而利用該站點(diǎn)實(shí)測的日照百分率推算逐月水平面總輻射和水平面直接輻射，再將兩者相減得到散射輻射。

2）最佳斜面總輻射年總量

本文采用Klein-Hay模型計(jì)算傾斜面總輻射，該方法由國家標(biāo)準(zhǔn)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB 50797—2012）所推薦，其中斜面散射考慮各向異性，包含環(huán)日輻射和各向同性散射兩部分，主要計(jì)算公式如下：

斜面上接收到的太陽總輻射量QS由直接輻射量DS、天空散射輻射量SS及地面反射輻射量RS三部分組成，即

式中，QS、DS、SS、RS分別是傾斜面上的總輻射、直接輻射、散射輻射和反射輻射月輻照量；QH、DH、SH分別是水平面上的總輻射、直接輻射和散射輻射月輻照量；Rb是方位角為正南時(shí)，傾斜面與水平面上的日太陽直接輻射之比的月平均值；φ是緯度，β是傾斜面與水平面之間的夾角（傾角），δ是各月代表日的太陽赤緯，ω是各月代表日的日落時(shí)角，這四個(gè)量的單位均為角度（°）；δ和ω根據(jù)天文公式計(jì)算得到；ρ是月平均地表反照率，統(tǒng)一取0.2。

1.3.2 光伏發(fā)電潛力分析

光伏發(fā)電潛力的分析將以太陽能資源模擬為基礎(chǔ)，采用空間分析和空間統(tǒng)計(jì)方法，通過計(jì)算年等效利用小時(shí)數(shù)、理論裝機(jī)量、土地利用率、理論發(fā)電量4個(gè)指標(biāo)，量化光伏發(fā)電潛力。其中年等效利用小時(shí)數(shù)直接代表了不同地區(qū)的光伏發(fā)電效率，是電站選址的首要因素；理論裝機(jī)量和土地利用率代表了不同地區(qū)的裝機(jī)潛力和開發(fā)效率，是指導(dǎo)區(qū)域開發(fā)的宏觀指標(biāo)；理論發(fā)電量則直接量化了區(qū)域的光伏發(fā)電潛力。

1）年等效利用小時(shí)數(shù)

由于水平面總輻射無法完全代表光伏系統(tǒng)所接收到的太陽能資源，而年等效利用小時(shí)數(shù)因?yàn)榭紤]了電池板傾角及系統(tǒng)能量損耗，因此作為一項(xiàng)資源潛力的指標(biāo)更為合適。年等效利用小時(shí)數(shù)表示光伏電站發(fā)電量按照額定功率滿發(fā)所計(jì)算的小時(shí)數(shù)，本文按照固定式斜面光伏進(jìn)行評(píng)估，斜面傾角取當(dāng)?shù)刈罴褍A角，計(jì)算公式如下：

式中，E為年發(fā)電量，P為光伏電站標(biāo)稱功率，Hp為年峰值日照時(shí)數(shù)，通常用斜面總輻射年總量除以標(biāo)準(zhǔn)測試條件下的輻照度（1 kW/m2）得到，G為最佳斜面總輻射年總量，r為光伏電站系統(tǒng)效率，與電池效率、逆變器效率、輻射損耗等因素有關(guān)，一般介于0.7～0.9，本文取0.8。

2）理論裝機(jī)量

理論裝機(jī)量，表示在考慮地形地貌對光伏裝機(jī)的約束后，一定區(qū)域光伏電站的可裝機(jī)量，公式如下：

式中，P0為不考慮任何約束條件，理想狀況單位面積的光伏裝機(jī)量，根據(jù)實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，一般在40～50 MW/km2，本文取45 MW/km2。

Rs為土地利用率或裝機(jī)折減系數(shù)，代表單位面積可用于光伏開發(fā)的土地比例，由地形和下墊面決定，取值在0～1，主要考慮因素如下：

① 坡度大于10°且坡向?yàn)楸保?15°＜坡向＜45°）的區(qū)域不可開發(fā)。

② 坡度＞30°區(qū)域不可開發(fā)。

③ 坡度和下墊面不同，其土地利用系數(shù)不同

表1、表2和表3分別給出了不同坡向、坡度、下墊面下土地利用系數(shù)，土地利用率Rs取其中的最小值。其中，表1和表2依據(jù)山地光伏的施工經(jīng)驗(yàn)，主要考慮施工成本和難度；表3依據(jù)光伏開發(fā)中土地審批政策及工程經(jīng)驗(yàn)，主要從限制開發(fā)用地和可開發(fā)用地進(jìn)行考慮。

表1 不同坡向土地利用率Table 1 Land availability in different slope directions

表2 不同坡度下土地利用率Table 2 Land availability in different slopes

表3 不同下墊面土地利用率Table 3 Land availability in different land cover

3）理論發(fā)電量

理論發(fā)電量表示在單位面積下，考慮光伏開發(fā)的地形地貌約束條件，一年的總發(fā)電量，計(jì)算公式如下：

式中，H為年等效利用小時(shí)數(shù)，Ps為理論裝機(jī)量。

2 結(jié)果分析

按照1.3.2節(jié)中提出的光伏發(fā)電潛力分析方法，本文依次從太陽能資源、理論裝機(jī)量、光伏發(fā)電潛力3個(gè)層面進(jìn)行了分析。

2.1 山西省太陽能資源及光伏發(fā)電年等效利用小時(shí)數(shù)

圖1 山西省光伏發(fā)電太陽能資源：（a）為水平面總輻射年總量，（b）為年等效利用小時(shí)數(shù)Fig. 1 Solar energy resources of PV power generation in Shanxi Province (Figure a is the total annual radiation of the horizontal plane, and Figure b is the annual equivalent utilization hours)

從山西省水平面總輻射年總量的空間分布（圖1a）來看，總體呈由南向北逐漸遞增規(guī)律，其中低值區(qū)在全省南部，包括運(yùn)城、臨汾大部、長治大部、晉城大部、晉中西南部，此外還有太原中部、呂梁東南部等部分地區(qū)，值一般在1400 kW·h/m2以下；中值區(qū)多數(shù)位于山西中部，包括呂梁大部、太原大部、晉中大部、陽泉、忻州東南部，此外還有長治東南部、大同東南部等部分地區(qū)，年輻射值一般在1400～1500 kW·h/m2；總輻射高值區(qū)集中于山西北部，包括忻州西部及北部、朔州、大同大部，年總輻射值一般在1500 kW·h/m2以上。根據(jù)《太陽能資源等級(jí) 總輻射》（GB/T 31155—2014）[8]，山西省中部及北部屬于我國太陽能資源B類區(qū)（很豐富），南部屬于C類區(qū)（豐富）。

山西省固定式光伏發(fā)電年等效利用小時(shí)數(shù)與水平面總輻射的空間分布總體一致，局部存在差異。如圖1b所示，南部地區(qū)在1300 h以下，中部地區(qū)在1300～1400 h，北部地區(qū)在1400 h以上，其中朔州市北部、大同市北部可以達(dá)到1500 h以上。表4進(jìn)一步給出了各市年等效利用小時(shí)數(shù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，從極值分布來看，全省最大值為1576 h，出現(xiàn)在朔州市，最小值為1111 h，出現(xiàn)在臨汾市。從平均情況來看，年等效利用小時(shí)數(shù)最高為朔州市，達(dá)到1492 h，最低為晉城市，為1242 h。2017年山西全省光伏發(fā)電平均利用小時(shí)數(shù)為1371 h，如果以此為準(zhǔn)，朔州、大同、忻州光伏發(fā)電條件超過了平均水平，臨汾市和運(yùn)城市則發(fā)電條件較差。

2.2 山西省光伏發(fā)電理論裝機(jī)量及土地利用率

理論裝機(jī)量和土地利用率代表了不同地區(qū)的裝機(jī)潛力和開發(fā)效率，考慮地理環(huán)境約束，山西省光伏理論裝機(jī)量空間分布如圖2所示，圖中值代表了單位面積可裝機(jī)量。從圖中可以看到，大部分地區(qū)單位面積理論裝機(jī)量在10 MW/km2以下，其中呂梁山、太行山、五臺(tái)山、中條山等山區(qū)不具備開發(fā)條件，大同盆地、忻定盆地、太原盆地、臨汾盆地、運(yùn)城盆地等盆地地區(qū)因?yàn)槎噢r(nóng)用地，單位面積理論裝機(jī)量一般在5 MW/km2以下，其余丘陵地帶在5～10 MW/km2?？傮w上講，山西省光伏建設(shè)條件一般，可用地較分散，電站宏觀選址需要在丘陵地區(qū)“精挑細(xì)選”，挑選不宜耕作的土地進(jìn)行開發(fā)。

表4 山西省各市光伏發(fā)電年等效利用小時(shí)數(shù)Table 4 The annual equivalent utilization hours of PV power generation in Shanxi Province

圖2 理論裝機(jī)量格點(diǎn)分布圖Fig. 2 Spatial distribution of theoretical installed capacity

表5進(jìn)一步給出了各市光伏發(fā)電理論裝機(jī)量和土地平均利用率的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，前者反映了該地區(qū)光伏發(fā)電的總裝機(jī)潛力，后者反映可用于光伏建設(shè)的土地平均利用率。從理論裝機(jī)量來看，各市面積是決定因素，忻州、呂梁、臨汾因?yàn)槊娣e較大，理論裝機(jī)量排在前三，陽泉、晉城、太原排在最后三位。較高的平均利用率意味著開發(fā)用地相對集中，建設(shè)成本更低，從統(tǒng)計(jì)結(jié)果來看，各市土地利用率差距不大，在3%～9%，其中土地利用率較高的地區(qū)為忻州、呂梁、晉中、太原、大同、朔州，在6%以上；忻州多丘陵地帶，利用率最高，為8.2%，運(yùn)城以相對平坦的農(nóng)用地為主，利用率最低，為3.9%，這也印證了山西省電站宏觀選址需要在丘陵地區(qū)“精挑細(xì)選”，挑選不宜耕作的土地進(jìn)行開發(fā)的結(jié)論。

表5 山西省各市理論裝機(jī)量及土地利用率Table 5 The theoretical installed capacity and land availability of PV power generation in Shanxi Province

2.3 山西省光伏發(fā)電潛力

從2.2節(jié)的結(jié)論可以看到山西省施工建設(shè)條件差別不大，各市土地利用率在3%～9%，從光伏電站開發(fā)收益的角度，優(yōu)先選擇年等效利用小時(shí)數(shù)高的地區(qū)進(jìn)行開發(fā)，參考近年山西省實(shí)際光伏利用小時(shí)數(shù)（約1400 h）。本文將山西省分為3個(gè)區(qū)域：北部為I類區(qū)，包括朔州、大同、忻州，年等效利用小時(shí)數(shù)超過1400 h，為光伏開發(fā)最優(yōu)區(qū)域；中部為II類區(qū)，包括陽泉、呂梁、太原、晉中，年等效利用小時(shí)數(shù)在1300～1400 h，為光伏開發(fā)的次優(yōu)區(qū)域；南部為III類區(qū)，包括長治、晉城、臨汾、運(yùn)城，年等效利用小時(shí)數(shù)在1100～1300 h，為光伏開發(fā)的一般區(qū)域，圖3不同顏色代表了各地區(qū)年等效利用小時(shí)數(shù)的差異，并標(biāo)出了理論裝機(jī)量和年發(fā)電量數(shù)值。

圖3 山西省光伏發(fā)電潛力Fig. 3 Potential of PV power generation in Shanxi Province

表6按照3類分區(qū)統(tǒng)計(jì)了山西省光伏發(fā)電潛力，根據(jù)相關(guān)資料，2017年山西省全年全社會(huì)用電量為1991億kW·h，以此為標(biāo)尺，如果將I類地區(qū)宜于光伏電站建設(shè)的土地進(jìn)行開發(fā)，其光伏發(fā)電量將達(dá)到全省總用電量的1.2倍；將I類、II類地區(qū)進(jìn)行開發(fā)，其光伏發(fā)電量將達(dá)到全省總用電量的2.2倍；將3類地區(qū)全部進(jìn)行開發(fā)，其光伏發(fā)電量將達(dá)到全省總用電量的3倍。

表6 山西省光伏發(fā)電潛力Table 6 The potential PV power generation in Shanxi Province

3 結(jié)論

對于光伏發(fā)電潛力的分析，僅考慮水平面太陽能資源，或是粗略估算裝機(jī)量、發(fā)電量等指標(biāo)，都存在不全面和指導(dǎo)性不強(qiáng)的問題?；诖?，本文通過模擬太陽能資源，分析地形地貌對光伏開發(fā)的約束，針對年等效利用小時(shí)數(shù)、理論裝機(jī)量、土地利用率、理論發(fā)電量4個(gè)指標(biāo)進(jìn)行了精確量化，形成了一套光伏發(fā)電潛力分析方法。本文以山西省為例，對其光伏發(fā)電潛力分析的結(jié)論如下。

1）山西省北部地區(qū)（朔州、大同、忻州）固定式斜面光伏發(fā)電年等效利用小時(shí)數(shù)在1400 h以上，宜于優(yōu)先發(fā)展，中部地區(qū)（陽泉、呂梁、太原、晉中）次之，南部地區(qū)（長治、晉城、臨汾、運(yùn)城）再次之。

2）全省光伏發(fā)電土地利用率一般，在3%～9%，中北部地區(qū)，除陽泉外土地利用率相對較高，在6%以上，該地的地形地貌條件決定了電站宏觀選址需要在丘陵地區(qū)“精挑細(xì)選”。

3）如果將北部地區(qū)宜于光伏電站建設(shè)的土地進(jìn)行開發(fā)，其年總發(fā)電量將達(dá)到全省2017年總用電量的1.2倍；如果對全省適宜土地進(jìn)行開發(fā)，發(fā)電量將達(dá)到全省2017年總用電量的3倍。

光伏發(fā)電潛力影響因素眾多，更全面和精確的量化分析仍值得進(jìn)一步探討，如對光伏系統(tǒng)效率、開發(fā)的經(jīng)濟(jì)性等方面的考慮，這些將是下一步研究的方向。