運用無人機技術進行分布式光伏資源快速識別的方法研究

文/李俊楠 吳佳

黨的二十大報告中提出了“積極穩妥推進碳達峰碳中和”的發展方針，明確以“雙碳”工作為總牽引，深化綠色能源結構轉型。分布式光伏發電因其良好的消納和電價優勢迎來了快速發展，但在實際開發規劃時缺乏有效評估手段。文章提出了一種區域分布式光伏資源稟賦快速識別和統計的方法，運用無人機航拍和衛星地理信息融合的方式實現目標區域的數字化建模，利用該方法對崇明島漁光互補光伏資源進行調研，實現了分布式光伏資源稟賦的分類統計，為開發規劃、項目投資、電網配套規劃等提供依據。

習近平總書記在第七十五屆聯合國大會上鄭重宣布：中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現碳中和。“十四五”時期是我國勝利實現第一個百年奮斗目標后，乘勢而上，向第二個百年奮斗目標進軍的第一個五年。世界發展大格局下，氣候、環境及能源問題日益嚴峻，能源環境、能源安全和能源成本是能源發展過程中無法逃避且必須給出答案的三個課題。優先開發可再生能源、提升新能源利用率是當前世界各國找到的為加快能源轉型、實現能源高質量發展的共同途徑。近十幾年來，分布式光伏、分散式風電、智能電網等技術進入了飛速發展時期，分布式能源布局的靈活性和經濟性優勢日益彰顯，使得“電從身邊來”這一創想從理念轉變成為現實，分布式能源的發展也更好地滿足了區域內就近客戶的用電需求。中國未來的能源規劃發展，強調的是可再生能源集中式開發與分散式利用并舉，陸上與海上并舉，優化開發布局，因地制宜發展分布式能源。

隨著近年來光伏發電產業在我國的高質量發展，分布式光伏的應用早已由陸上逐漸擴展到了水上。我國中東部地區水域廣闊，水系資源豐沛，各地已在眾多水域建設起光伏發電系統，形成了“上發電、下養魚”的新能源模式。漁光互補是一種典型的新型土地綜合利用方式，在池塘或灘涂灘上構建太陽能發電，使池塘養魚和光伏發電進行空間上的融合，充分利用空間資源，把發電、養殖、休閑、 垂釣、旅游、餐飲等各種項目綜合起來。此外，漁光互補可以利用太陽能發電的特質來改善池塘水質，增加池塘的水產品產量，為漁民提高經濟收入。漁光互補技術通過充分利用空間裕度，節約陸上資源，結合光伏資源開發，調節養殖環境，從而切實解決了光伏發電深化應用的“卡脖子”問題。

因此，利用科學有效的手段對分布式光伏資源稟賦進行統計分析，有利于光伏資源開發的合理規劃，有利于貫徹落實“碳達峰、碳中和”戰略目標，進一步切實推進新能源低碳發展，形成科學的供用能方案與開發空間、時序策略的協調發展，營造可持續的高質量綜合能源發展生態。

崇明島光伏資源開發條件與形勢

崇明島光伏資源概況

崇明島位于亞熱帶，屬季風性氣候，日照充分，雨量充沛，年日照時數在1900 小時左右，年累計太陽輻射量4200-5000MJ/m2，相當于日輻射量3.2-3.8kWh/m2。其中日照時數分布以夏季最多，達600—700 小時，占年總時數的三分之一左右；冬季最少，約360—465 小時，僅占年總時數的18%-23%。崇明島位于上海市北部，三面環江一面臨海，地處長江入海口，距上海市中心90 公里，太陽能資源比較豐富，在時間分布上太陽能資源夏季最豐富，冬季最少，春季多，秋季少，太陽總輻射主要集中在7、8、9 三個月，與上海市電力緊張的夏季同期。通過PVsyst 軟件分析，平均水平面輻射量為1270.9kWh/ m2·a，相當于4575.24MJ/ m2·a。

年均水平月輻射量統計

按照太陽能輻射量的地區分類，上海市可以歸屬于四類地區，是全國太陽能資源中等地區，崇明島先天自然地理條件優越，具備了規模化開發太陽能資源的先決條件。根據氣象行業標準QX/T 89-2008《太陽能資源評估方法》中，太陽能資源豐富程度評估等級進行評價，崇明島的太陽能資源應評定為“資源豐富”。

崇明島平均日輻照量的平均值、最大值出現在7 月，為151.7MJ/m2；最小值出現在12 月，為72.3MJ/m2，穩定度約為0.48，按照《太陽能資源等級總輻射》（GB/T 31155-2014）穩定度等級劃分標準，區域內的太陽能資源等級為很穩定，非常適合開發利用太陽能資源。

崇明島光伏資源開發形勢

度電成本下降凸顯邊際效益

根據國際可再生能源署的數據，過去十年中，分布式光伏發電的成本處于急劇下降的勢態，2010 年以來，太陽能光伏發電的成本在全球范圍內已經下降了 82%。得益于完善的配套環境、相對較低的投入成本和產業規模效應，我國光伏產品的生產成本始終處于全球最低水平。2020 年的光伏發電上網價格已降至新低點，僅為3.46 美分/kWh，如圖2 所示。目前，德國、日本、澳大利亞的居民用電價格均已高于分布式光伏的發電成本，中國的電價體系中存在工商業對居民的交叉補貼，所以呈現出居民電價顯著低于工商業電價的現象，但有報告預測居民用戶側的分布式光伏平價時代將在“十四五”時期的前期到來。

分布式光伏上行空間大

國家發改委下發《關于2021 年新能源上網電價政策有關事項的通知》，文件中指出：2021 年起，對新備案集中式光伏電站、工商業分布式光伏項目和新核準陸上風電項目，中央財政不再補貼，實行平價上網。“十四五”時期，隨著光伏產業成本的進一步降低，我國光伏產業將正式邁入“平價”時代，伴隨著無補貼時代到來和2060 年前碳中和的遠景目標，光伏產業將真正爆發。光伏進入平價新時代，未來十年國內需求年增9%，全球年增8.4%。中國工程院院士、華北電力大學原校長劉吉臻預計2030 年全社會用電量將達10 萬億千瓦時，保守估計到2030 年我國15%的電力來自光伏發電，未來十年光伏新增容量年均復合增速將超過9%，到2030 年，中國光伏裝機總容量將達1,428GW，如圖3 所示。

具備成熟的產業基礎

中國光伏產業經過多年發展，在清潔能源政策和市場需求的共同驅動下，光伏產業已成為我國為數不多的已形成國際競爭優勢、實現端到端自主可控、并有望率先成為我國戰略性新興產業的高質量發展典范，也是驅動我國能源轉型的重要引擎。在制造端，國產設備都已形成了成熟的配套體系，中國的產業化技術水平一直全球領先，多晶硅、硅片、電池片和組件產量已連續多年超過全球總產量的一半，根據中國光伏行業協會的統計，2019 年量產的單晶硅和多晶硅電池平均轉化效率分別達到22.3%和19.3%；在需求端，截至2019年，我國光伏累計裝機容量為205GW，占全球光伏總裝機容量的25.8%，累計裝機容量連續五年排名全球第一，新增裝機容量連續七年排名全球第一。另外，集成了建筑與光伏功能的BIPV 技術也日趨成熟，產品種類和成本也逐漸滿足工程建設要求，隨著BIPV 技術的不斷發展，建筑設計理念的不斷提升，必將會有合適的應用場景。

崇明島“漁光互補”項目發展形勢

上海市為改善能源結構，同時緩解電力供需矛盾，在大力加強電網建設，增加區外來電的同時，因地制宜地發展本地新能源，作為上海市電力供應的有益補充，崇明島“漁光互補”項目的開發就是典型創新措施。目前，崇明島已有70MW 前哨漁光互補項目投運，158MW 港西漁光互補項目在建，81MW 華星漁光互補項目在可行性研究方案階段。本項目上海華電崇明華星漁光互補光伏發電項目位

于上海市崇明區綠華鎮水產養殖場，是新型能源漁光互補項目，利用現有魚塘的水面及魚塘間道路布置太陽能電池板，形成不占用耕地的發電站。該項目是上海市能源消耗補充的“及時雨”，不但能改善能源結構，還能保護生態環境，優化區域電網結構、儲備線路通道，對促進當地社會和經濟的發展具有重要意義。

無人機技術快速識別光伏容量

區域數字化建模

通過無人機航拍和衛星圖片信息的方式可以準確獲取魚塘水域的最新狀況、地理信息、周邊遮擋等關鍵信息，通過衛星測量、計算障礙物及陰影區域，可以獲得較為精確的安裝區域信息，實現安裝區域數字化建模。

陰影避讓分析

光伏系統的陰影主要由遮擋物或光伏組件本身產生，按照經驗，陰影避讓需要滿足在太陽高度角最低的某天中，從當地時間午前9 時至午后3 時之間，其光伏組件不受遮擋物陰影影響為宜。通過測算固定式光伏組件陣列前后間距，光伏方陣陣列間距，可能遮擋物與方陣底邊垂直距離等數據，可以通過無人機拍攝技術捕獲分布式光伏的工程邊界并進行計算。

工作邊界識別結果

結合邊界模型和陰影避讓分析，最終得到目標區域的數字化模型，在此模型基礎上避開陰影區域開展裝機容量測算和發電量分析，可以獲得較為準確的結果。

崇明島光伏裝機容量評估

光伏資源分類

光伏開發的潛力主要受地理位置、天氣條件、可用屋頂面積、水域面積、未來城市規劃等因素影響。崇明島位于上海市北部，具有較為豐富的光伏資源，除了有豐富天然的水域條件，島內更有多個大中型工業產業園區。尤其是在產城融合范圍內，形成了以規模化工業廠房園區為主的工業廠房屋頂資源，以物流倉庫為代表的物流倉儲屋頂，以學校、醫院、公共交通系統等為典型的公共設施屋頂資源，以城鎮和農村居民進行改造建設的戶用屋頂資源，以農光互補、漁光互補為應用場景的“光伏+”農業資源，以灘涂、河道、未利用地、車棚等合理化開發為基礎的空置地資源，以及以在建建筑、未來規劃、BIPV 新技術應用等為主要方向的增量資源。

工業廠房屋頂：工業廠房屋頂主要包括工業廠房、辦公樓、商場等可安裝光伏系統的建筑屋頂，崇明島工業廠房屋頂光伏資源主要集中在重裝備產業區、物流保稅園區、臨港奉賢園區等區域。

物流倉儲屋頂：物流倉儲屋頂主要包括物流園區、物流倉庫等大型倉儲的建筑屋頂，物流倉儲屋頂一般可以建設較大規模的光伏系統，崇明島物流倉儲屋頂光伏資源主要集中在裝備產業區、物流園區等區域。

公共設施屋頂：崇明島承載著上海能源、生態和交通三大樞紐功能，學校、醫院等公共設施配套日益完善，存在大量的屋頂資源可供開發。

戶用屋頂：戶用屋頂資源主要分為城鎮居民屋頂和農村居民屋頂，城鎮居民的屋頂一般為公用部分，而農村居民屋頂的產權較為清晰，更加適合建設分布式光伏系統。

“光伏+”農業：“光伏+”農業作為一種新興的農業形式，將光伏發電與現代農業種植和高效農業設施三者有機結合，涵蓋了漁業、林業、種植業和畜牧業等，其中最常見的就是農光互補、漁光互補等形式。

空置地資源：合理化開發利用灘涂、河道、車棚、一般農業用地性質的荒地等空置地資源，能夠建設集中式或分布式光伏電站，既可以充分發揮土地資源的價值，又可以實現規模效益，彌補光伏建設方式單一的不足。

增量資源：除上述存量光伏資源外，結合崇明島城市規劃，將在建和未來規劃的建筑作為增量光伏資源進行統計，結合BIPV 技術的應用，達到光伏和建筑一體化建設的效果。這部分增量資源既包括工廠、倉儲、商辦樓、軌道交通場站、交通樞紐等建筑的屋頂資源，也包括采用BIPV 幕墻光伏的建筑、快速路音屏障等。

光伏裝機容量評估

對崇明島范圍內的各類水域、園區屋頂資源進行分類統計并進行數字化建模，利用邊界識別技術計算各屋頂組件布置后的裝機容量，裝機容量評估及分布，考慮規劃中建筑的光伏資源，“十四五”期間崇明島光伏預計裝機容量約652MW。其中，“光伏+”農業、工業廠房屋頂、物流倉儲屋頂和未來增量建筑是崇明島光伏資源開發的重點方向，尤其是“光伏+”農業和工業廠房這類存量資源，可以建成較大規模的光伏電站，為崇明島加快能源結構轉型提供大量綠色低碳能源。

本文提出了一種利用工程邊界識別技術的區域分布式光伏資源稟賦快速統計方法，通過無人機航拍和衛星地理信息融合的方式實現目標區域的數字化建模，快速分析目標區域分布式光伏裝機容量，利用該技術對崇明島分布式光伏資源稟賦進行分類統計，較為準確的計算出崇明島光伏資源開發潛力，為光伏資源開發規劃、項目投資、電網配套規劃等提供依據。