基于土地利用系數的光伏發電并網體量預測研究

王 征，祁曉楓，楊雪瑞，張鳳舜，吉勝鈞

(1.國網遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽 110006；2.國家電網有限公司東北分部，遼寧 沈陽 110181)

1 光伏產業發展概況

1.1 各國發展規模

2017年光伏行業年度分析報告顯示：2016年全球光伏新增裝機70 GW，比2015年增長約30%，全球光伏裝機總量達到300 GW。在2019年，我國新增光伏發電裝機3011萬kW，新增集中式光伏裝機容量1791萬kW；新增分布式光伏裝機容量1220萬kW[1-2]。

1.2 遼寧省光伏發電情況

截至2019年底，遼寧光伏裝機343.22萬kW，同比增長13.64%；在國家產業政策引導下，“十三五”以來光伏共增長336.2萬kW，裝機占比由2015年的0.4%迅速增長至2019年的6.4%。預計到2025年，遼寧省光伏發電總裝機容量930萬kW，規劃機組均為本省消納。遼寧集中式光伏裝機主要集中于朝陽、阜新、錦州等地區，“十四五”規劃新增集中式光伏507萬kW。近期新增集中式光伏主要集中在丹東、朝陽、葫蘆島等遼西地區。綜合考慮太陽能資源、電網接入條件、消納市場和土地利用條件，建議除上述地區外，在“十四五”期間，優先在遼西等貧困地區發展平價式光伏電源。

1.3 土地使用情況

2015年國土資源部發布關于《光伏發電站工程項目用地控制指標的通知》(國土資規〔2015〕11號)，通知中對光伏電站的用地性質、用地指標等進行了詳細規定，對各種形式的光伏電站的用地性質進行了詳細測算。按照通知中的測算原則，我國光伏建設主要集中在北緯18°至北緯60°，按照平均北緯30°附近進行測算，每1萬kW光伏電站用地約16 hm2，我國2017年第1季度光伏電站占用土地約13 540 hm2，大部分使用未利用地、農用地，使用建設用地比例較低，只有2024 hm2。

2 用地矛盾問題及建議

2.1 土地矛盾日益突出

《中華人民共和國土地管理法》對我國土體性質作出了詳細規定：依據用途可分為農用地、建設用地和未利用地等。農用地包括耕地、林地、草地、農田水利用地、養殖水面等用于農業生產的土地；建設用地包括建筑和構筑物應用土地、城市和鄉村住房用地和公用事業設施用地、工業用地、市政交通及水利工程設施用地、軍事化建設設施用地等；除去以上用地，其他為未利用地。國土資源部聯合發改委等六部委于2015年9月18日出臺了《關于支持新產業新業態發展促進大眾創業萬眾創新用地的意見》，意見中明確提出了對于風力發電和光伏發電等新能源發電項目使用沙漠化等未利用土地的，即對不改變土地用途的，不占用其他土地、不改變土地性狀的用地部分，可按原地類認定，通過租賃等方式進行購買使用。雙方可簽訂補償協議，租賃土地報當地國土資源部門進行備案。由此規定可見，光伏電站占用未利用地可采取租賃等方式進行[3-5]。

自2013年以來，我國光伏發電裝機迅速增長，大型光伏電站建設對土地的需求逐年攀升，規模提升后，對土地需求也不斷提高，用地日趨緊張，特別是光伏布局向人口集中的中東部轉移，可用土地選擇有限，用地難問題將日益凸顯。多起光伏違建項目多發生在邊緣地帶。從近幾年的光伏違法占地案件可看出，一些企業主要違反了以下原則和規定：采取欺詐方式和手段獲得批準或者根本未經審批，非法占用土地；占用土地面積超出批準范圍；使用人不歸還非法批準的土地。例如，2014年8月，山東省有一企業在未審批的情況下，占用某縣某村耕地建設辦公大樓和光伏運維場地，占地面積0.082 hm2；2017年5月，濮陽某新能源科技有限公司占用當地河流灘地建設的200 MW光伏電站工程，該工程投資20.77億元，于2016年6月1日獲得安徽省發改委復核核準，但直至光伏本體安裝完成之時未獲得有關行政主管部門的審查意見，最終被強制叫停。

2.2 建筑行業光伏建設的鼓勵政策

政府政策對光伏建設和推廣過程中起著決定性作用，為促進建筑行業光伏的發展，我國在2006 年推出《可再生能源發電價格和費用分攤管理試行辦法(實施細則)》《可再生能源法》等法律規定。這些辦法及規定主要對電網公司全部收購光伏上網電量作出規定，還提出了光伏發電上網電價常規能源電價的差額在全網用戶主體中進行分攤等要求。隨后政府出臺了“太陽能建筑屋頂計劃”，并將補助向上調至20元/Wp。2011年我國又重新制定了光伏上網電價[6]。

國外已有較成熟、完善的光伏產業政策，我國在借鑒的基礎上初步形成了符合中國國情的光伏產業政策。然而這些政策雖在一定程度上促進了我國光伏建筑的發展，目前我國該領域的發展速度仍處于落后狀態，表1對國內外已有的光伏建筑政策進行了梳理，并進行對比分析。

表1 國內外建筑分布式光伏的激勵政策

與此同時，2016年全國國有建設用地供應5180萬hm2，倉儲和工業、房地產和基礎設施三類用地供應量分別為12.08萬hm2、10.75萬hm2和28.97萬hm2。2017年，我國光伏發電新增裝機容量為5306萬kW，創歷史新高，分布式光伏占總新增裝機比例為34%，分布式光伏發電發展有加快的趨勢，建議政府繼續加大扶持力度，進一步發展建筑物和工業廠房對光伏用地做出貢獻。除了補貼發電方外，在工業項目和建筑項目政策上也需給予鼓勵，加大總量控制指標，放寬規劃審批要求。

3 光伏并網消納方式及成本問題

3.1 光伏并網消納方式

集中式光伏和分布式光伏并網發電特點各不相同。集中式光伏并網發電主要特點是運行方式可靠，相對于分布式光伏可以更方便地進行功率和電壓控制，電網頻率波動更能便捷檢測和實現控制。但是光伏送出并網輸電線路較長，光伏發電由于光照波動使其成為電力系統的一個干擾源，線路自身具有阻抗，電流流過可產生低電壓問題。容量較大的光伏電站由多臺逆變器并聯而成，電力電子設備需要并聯控制，且控制技術有待完善。為保證電力系統安全，規模加大集中式光伏接入需要有低電壓穿越等功能，低電壓穿越與分布式孤島控制相矛盾。分布式光伏并網發電具有以下特點：靠近負荷中心的光伏電源，發電供給當地負荷使用，電源可視為負載，可充分減少變壓器和線路的輸送功率，從而減少線路損耗。充分發揮建筑物優勢，光伏組件可放在建筑物頂部和外墻，可有效減少土地的使用量。光伏與綜合能源和微電網的對接可提高電力系統運行的靈活性，也可以作為孤網獨立運行。

3.2 光伏并網消納成本

大型集中光伏項目選址多為偏遠地區，距離負荷距離遠，輸送過程損失大，增加光伏行業整體成本。但棄光問題依然嚴重，僅西北地區棄光電量就達70億kWh，平均棄光率近20%，新疆、甘肅棄光率高達32%、30%，2017年第1季度棄光電量27億kWh，全國平均棄光率達到13%。

文獻[7]中研究光伏，在涵蓋目前光伏發電和補貼政策情況下，根據并網的電壓等級和運行方式情況，計算不同分布式光伏電站項目成本和內部財務收益情況可知，大型集中光伏電站發電成本高于電價，項目本身不能盈利。但是通過計入補貼收入，分布式收益情況良好，發電成本遠遠低于其收益，個別項目收益率甚至超過20%。

通過運行綜合研究評估，解決問題的主要辦法為鼓勵和引導分布式光伏就地消納。間歇性光伏發電的出力特性使電力系統產生影響電網穩定性和安全性的干擾因素，導致配套電網成本上升。也就是說，光伏發電成本雖然降低了，其電網配套設施成本在增長。所以制約光伏大規模發展的主要因素是電網的接納能力和電網成本。大規模的集中光伏面臨消納問題和調峰問題等，而且由于我國光照資源和負荷位置的逆向分布，電網配套外送線路建設會相對困難，因此棄光似乎難以避免。

4 基于土地分散系數的光伏預測模型

4.1 土地承載光伏發電的形式

目前光伏發電的主要形式為大型光伏電站建設模式和分布式建設模式，這兩種光伏發電形式對土地的利用有以下特點：集中式光伏電站項目業主利用沙漠、灘涂、建設用地、山地和農業用地進行大規模光伏開發，地面光伏電站用地面積大，對土地利用率低。分布式光伏主要利用建筑、商業建筑和住宅或光電一體化建筑等形式，這種建設特點投資小、建設快、占地面積小。

在中國現有土地利用規劃管理中，對于每一個地塊用地面積的利用都有詳細復雜的管理規定，即“國家對土地控制性詳細規劃”。在建筑用地的規劃管理中，建筑用地最大建筑容量主要由建筑密度和容積率的最大值兩部分組成。由建筑用地最大建筑容量可以推算確定可能的最大建筑屋頂面積。因此，建筑物可安裝光伏設備的最大面積就可通過最大建筑屋頂面積結合利用系數法計算得出，再綜合考慮光伏設備利用面積輔以光伏發電運行原理，可以大致推算出城市建筑集群的光伏發電量[8]。

4.2 預測模型和預測結果

城市中土地的使用面積、建筑密度(BD) 和容積率(FAR) 可以出計算小區和廠區最大的建筑容量。推導出城市建筑的總占地面積，由此可確定某個城市最大的建筑容量。這里引入光照建筑總面積利用系數，光照建筑總面積與占地面積的比值(用符號f表示)，則可以計算出建筑的光照面積,見式(1)。

Sz=f1×BD×FAR×A

(1)

式中：Sz為可用光照射建筑面積；f1為屋頂總面積的利用系數；BD為建筑密度；FAR為容積率；A為用地面積。

考慮不同地區用地周圍建筑的影響因素，各種類型建筑具有不同相關特征的因素。按照不同城市光伏組件在建筑表面安裝的日照條件要求，在不同地點選取樣本研究，分別確定屋頂光伏可利用系數，即光伏可利用面積與建筑總面積的比值，用符號fpv表示，從而計算整個城市建筑光伏可安裝面積。

Srz=fpv×Sz

(2)

式中：Srz為建筑光伏可安裝面積；fpv為光伏可利用面積與建筑總面積的比值。

根據天津市房屋建筑調查結果可知如下系數邊界條件：容積率為2.53；建筑平均為33%；屋頂總面積利用系數為0.86；屋頂光伏利用系數為0.46。以1000 hm2建筑用地為例，利用式(1)和式(2)可算出約330 hm2的光伏組件面積，可釋放出20萬kW的光伏容量。可見對我國龐大的建筑群能接納的光伏容量是非常可觀的。

5 結束語

本文通過光伏項目土地利用政策和土地利用現狀研究認為，土地對光伏發電形式可產生重大影響。土地在集約化條件下，建設大型地面變電站可操作性難度越來越大，按照現行的補貼政策，就地消納的光伏從收益率和電網建設方面都要優于集中式光伏電站。通過土地系數法測算出1000 hm2城市建筑用地可釋放20萬kW分布式光伏容量。此研究結論有助于預測光伏產業市場發展趨勢及目標，對光伏發電并網及運營管理模式等相關配套政策的制定具有重要的借鑒意義。建議應進一步加大對分布式建筑光伏資助，完善相關配套政策，促進分布式光伏在我國進一步發展。