縣級區(qū)域風能和太陽能資源開發(fā)潛力精細化評估——以突泉縣為例

摘 要：風能和太陽能資源的開發(fā)利用被認為是解決能源危機與氣候問題的有效途徑，詳細了解縣級區(qū)域的風能和太陽能資源分布情況及其開發(fā)潛力，對地方可再生能源開發(fā)利用規(guī)劃和具體的工程選址等有重要的指導意義。基于風能資源數(shù)值模擬技術、SMARTS分光譜輻射傳輸模式、GIS空間分析技術等，綜合考慮資源稟賦、地形、土地利用約束、永久基本農(nóng)田、自然保護區(qū)、生態(tài)保護紅線、規(guī)劃政策等因素，構建了完整的縣級區(qū)域風能和太陽能資源開發(fā)潛力精細化評估方法和流程。以內(nèi)蒙古自治區(qū)突泉縣為例，開展了千米級風能和太陽能資源開發(fā)潛力精細化評估。研究結果表明：突泉縣風能資源豐富，風速和風功率密度的空間分布呈現(xiàn)西北高、東南低特征；太陽能資源呈西北高、東南低分布特征；建議將最佳傾斜面年總太陽輻照量在1900 kWh/m2的東南部地區(qū)作為光伏發(fā)電優(yōu)先開發(fā)區(qū)，將可利用風能資源等級為“豐富”或“非常豐富”的九龍鄉(xiāng)、水泉鎮(zhèn)北部等地區(qū)作為風電優(yōu)先開發(fā)區(qū)。

關鍵詞：風能資源；太陽能資源；風電；光伏發(fā)電；技術開發(fā)量

中圖分類號：X37 文獻標志碼：A

0" 引言

在全球能源轉型和氣候變化的背景下，大力發(fā)展可再生能源已成為國際社會的共識和重要戰(zhàn)略方向。中國明確提出“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(xiàn)碳中和”的目標，這對可再生能源的發(fā)展提出了更高要求。全面勘查和評估中國風能、太陽能資源的可利用潛力，按照資源稟賦、土地用途、生態(tài)保護、城鄉(xiāng)建設等情況，準確識別各縣域單元的可開發(fā)資源，是風能和太陽能資源合理布局與高效開發(fā)的基礎[1]。

近年來，國內(nèi)外學者積極開展不同尺度下的風能、太陽能時空分布規(guī)律和開發(fā)潛力評估工作。例如：Mcelroy等[2]利用GEOS-5 DAS同化數(shù)據(jù)，以額定功率為1.5 MW、輪轂高度為80 m的風電機組為參考，結合土地利用約束和地形限制，得出中國風電開發(fā)容量因子的空間分布；Feng等[3]結合地理信息系統(tǒng)（GIS）技術、主流風電機組的參數(shù)、精細化的風速分布模型、土地利用約束和地形因素、風電機組排列方式等，估算了中國陸上風能資源開發(fā)潛力；朱蓉等[4]基于中國氣象局風能資源高時空分辨率數(shù)據(jù)集和測風塔實測數(shù)據(jù)的氣候學分析，采用中國主流風電機組參數(shù)，評估了中國陸上與近海可利用風能資源的分布和技術開發(fā)量；Lu等[5]利用GEOS-5 FP同化數(shù)據(jù)，綜合考慮資源稟賦、地形和土地利用約束、緯度依賴的光伏組件設置和時變效率系數(shù)等因素，評估了中國集中式光伏發(fā)電的開發(fā)潛力；梁玉蓮等[6]采用氣候學統(tǒng)計與SMARTS地形訂正方法，評估了華南地區(qū)的太陽能資源空間分布及可利用潛力；毛愛涵等[7]基于模型模擬和空間分析等方法，對青海省太陽能、風能的發(fā)電潛力及經(jīng)濟價值進行評估；孫朋杰等[8]引入再分析資料及地形數(shù)據(jù)，對湖北省房縣開展太陽能資源精細化評估和技術可開發(fā)量計算。然而，當前研究仍存在的問題有：可利用的觀測資料較少，數(shù)據(jù)集的時空分辨率較低，未綜合考慮復雜地形、生態(tài)保護、城鄉(xiāng)規(guī)劃政策等約束條件，難以滿足縣級區(qū)域對風能和太陽能資源的精細化評估需求。

本文以內(nèi)蒙古自治區(qū)突泉縣為例，對其構建完整的風能和太陽能資源開發(fā)潛力精細化評估方法，結合風能資源數(shù)值模擬技術、SMARTS分光譜輻射傳輸模式、GIS空間分析技術，綜合考慮資源稟賦條件、地形、土地利用約束、永久基本農(nóng)田、自然保護區(qū)、生態(tài)保護紅線、規(guī)劃政策等因素，開展千米級風能和太陽能資源開發(fā)潛力的精細化評估，旨在為縣級區(qū)域合理高效利用可再生資源提供科學依據(jù)和指導建議。

1" 突泉縣概況

突泉縣位于內(nèi)蒙古自治區(qū)東部、興安盟中南部，地處大興安嶺向松嫩平原的過渡地帶，地理坐標為45.2°～46.1°N、120.7°～122.2°E，地勢為西北高、東南低，海拔為185.5～1392.1 m，屬溫帶大陸性季風氣候。全年降水較少，日照充足，年平均日照時數(shù)為2941 h，是中國日照豐富的地區(qū)之一。風能資源較為豐富，年平均風速為4.4 m/s，極大風速為29.8 m/s，年平均大風日數(shù)為35.2天。

2" 數(shù)據(jù)與方法

本文針對縣級區(qū)域風能和太陽能資源開發(fā)潛力進行精細化評估時，采用的技術路線主要包括3部分：風能資源精細化評估、太陽能資源精細化評估，以及風能和太陽能資源的開發(fā)潛力精細化評估，如圖1所示。

2.1" 風能資源精細化評估

風能資源精細化評估利用中國氣象局自主研發(fā)的新一代風能資源精細模擬評估系統(tǒng)[9]，采用數(shù)值模擬的方法獲得格點化風能資源參數(shù)[4]。在第4次全國風能資源詳查成果[10]的基礎上，以天氣背景分類與典型日篩選系統(tǒng)[9，11]、中尺度和小尺度數(shù)值預報模式為基本技術框架，增加基于實測資料的統(tǒng)計分析和檢驗訂正模塊和多種降尺度分析模塊[12-13]，改進優(yōu)化了風能資源精細GIS空間分析系統(tǒng)。該方法顯著提升了復雜下墊面風場的模擬能力，建立了代表近30年風能資源長年代氣候統(tǒng)計特征的全國1 km×1 km高分辨率風能資源數(shù)據(jù)集（本研究區(qū)域的風能資源數(shù)據(jù)從該數(shù)據(jù)集中獲取），該數(shù)據(jù)集在平坦地形下的相對誤差約為5%，復雜地形下約為8%[4]。

2.2" 太陽能資源精細化評估

太陽能資源精細化評估基于SMARTS分光譜輻射傳輸模式[14-16]計算晴天太陽輻照量，計算時所需輸入的云類型、云量、氣溶膠類型、氣溶膠光學厚度、大氣可降水量、臭氧等影響太陽輻射的參數(shù)主要來源于遙感衛(wèi)星和ERA5再分析資料。

首先，根據(jù)文獻[17]的方法，將晴天總太陽輻照量作為初始量，以氣候學統(tǒng)計建立總太陽輻照量與日照百分率的關系，利用全國國家氣象站1992—2021年的日照百分率實測數(shù)據(jù)，計算得到站點年總太陽輻照量。然后，根據(jù)文獻[18]的方法，建立年總太陽輻照量隨海拔的變化關系，結合1 km×1 km分辨率的數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)，對站點總太陽輻照量進行空間插值和地形訂正，獲得1 km×1 km分辨率的格點化太陽能資源數(shù)據(jù)集（本研究區(qū)域的太陽能資源數(shù)據(jù)從該數(shù)據(jù)集中獲取）。最后，根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設計規(guī)范》，采用Klein模型[19]計算傾斜面總太陽輻照量，確定光伏組件最佳傾斜面總太陽輻照量，作為資源分析和評估的依據(jù)。

2.3" 風能和太陽能資源開發(fā)潛力精細化評估

采用SRTM地形數(shù)據(jù)作為DEM數(shù)據(jù)；生態(tài)保護紅線、永久基本農(nóng)田、自然保護區(qū)等信息來源于突泉縣自然資源局，土地利用約束數(shù)據(jù)來源于突泉縣政府提供的第3次土地利用調(diào)查結果；規(guī)劃政策參考2022年5月突泉縣發(fā)展和改革委發(fā)布的《突泉縣新能源發(fā)展規(guī)劃》。

本研究以技術開發(fā)量定量表征風能和太陽能資源的開發(fā)潛力，其定義為：在現(xiàn)行技術條件下，剔除自然、社會制約因素后，某區(qū)域的風電、光伏發(fā)電裝機容量潛力。技術開發(fā)量取決于兩個因素：1）裝機容量系數(shù)上限，即在當前的光伏組件額定功率技術條件下，平坦地形時單位面積上的風電或光伏發(fā)電裝機容量系數(shù)（光伏發(fā)電裝機容量會受到緯度影響）；2）制約因素，即風能和太陽能資源稟賦、生態(tài)保護紅線、永久基本農(nóng)田、自然保護區(qū)和森林、草地、水體、城鎮(zhèn)等自然與社會因素，以及坡度、坡向的影響。

根據(jù)NB/T 31098—2016《風電場工程規(guī)劃報告編制規(guī)程》，風電裝機容量系數(shù)上限為5 MW/km2。考慮到近年來風電技術的技術進步和大容量風電機組逐步投入市場應用，本研究將該數(shù)值調(diào)高至6 MW/km2。

參考2023年自然資源部下發(fā)的《光伏發(fā)電站工程項目用地控制指標》，結合突泉縣所在緯度范圍（45～47°N）商業(yè)化光伏組件光電轉換效率（通常為15%～25%，本文取20%），計算得到光伏發(fā)電裝機容量上限為34～42 MW/km2。考慮到近年來高效光伏組件技術的進步，本文對光伏發(fā)電裝機容量的上限設定為45 MW/km2。

基于中國目前各類地形下風電的裝機容量情況調(diào)查結果，并參考文獻[4]中的方法，得到不同坡度下風電的土地可利用率；按照NB/T 32046—2018《光伏發(fā)電工程規(guī)劃報告編制規(guī)程》，對不同地形區(qū)光伏發(fā)電裝機容量系數(shù)進行折減，得到光伏發(fā)電的土地可利用率。風電和光伏發(fā)電在不同坡度下的土地可利用率q如表1所示。

根據(jù)國家政策及突泉縣國土管理要求，本研究所考慮的風電、光伏發(fā)電不可開發(fā)區(qū)域包括：生態(tài)保護紅線、永久基本農(nóng)田、自然保護區(qū)、濕地、商服用地、工礦用地、住宅用地、公共管理與公共服務用地、交通運輸用地、水域及水利設施用地、特殊用地等。對于植被覆蓋豐富區(qū)和牧場等區(qū)域，在這些區(qū)域采用限制開發(fā)的策略。根據(jù)文獻[4]、土地審批政策及工程經(jīng)驗，確定突泉縣不同地類下的風電、光伏發(fā)電土地可利用率如表2所示。

參考《突泉縣新能源發(fā)展規(guī)劃》，該縣大體上遵循“以集中式為主開發(fā)風電、以分布式為主開發(fā)光伏發(fā)電”的策略。本文也遵循這一原則，在適合風電開發(fā)的區(qū)域不再考慮光伏發(fā)電開發(fā)，僅在水泉鎮(zhèn)、太平鄉(xiāng)和突泉鎮(zhèn)按照前述方法測算光伏發(fā)電的土地可利用率和裝機容量系數(shù)。參考文獻[4]提出的可利用風能資源等級二元劃分法，結合年平均風速v和土地可利用率，對突泉縣風能資源等級進行劃分，劃分結果如表3所示。

3" 評估結果與建議

3.1" 風能資源精細化評估結果

突泉縣風能資源豐富，100 m高度下的年平均風速和風功率密度Pwd的空間分布呈現(xiàn)出西北部高、東南部低的特征，如圖3所示。全縣100 m高度年平均風速為7.5 m/s，100 m高度年平均風功率密度約為445 W/m2，根據(jù)NB/T 31147—2018《風電場工程風能資源測量與評估技術規(guī)范》，突泉縣風能資源屬于3級資源區(qū)，較為豐富。

經(jīng)統(tǒng)計，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)100 m高度下的年均風速和風功率密度如表4所示。

3.2太陽能資源精細化評估結果

突泉縣的太陽能資源空間分布總體呈現(xiàn)西北部高、東南部低的空間分布特征，寶石鎮(zhèn)的西北部最高，水泉鎮(zhèn)和太平鄉(xiāng)的東南部最低，如圖4所示，全縣平均的水平面年總太陽輻照量QH和最佳傾斜面處總太陽輻照量Qi分別為1483和1921 kWh/m2。

各鄉(xiāng)、鎮(zhèn)平均的水平面年總太陽輻照量和最佳傾斜面年總太陽輻照量如表5所示。根據(jù)GB/T 31155—2014《太陽能資源等級 總輻射》，各鄉(xiāng)、鎮(zhèn)的太陽能資源總量等級均為B類“很豐富”，穩(wěn)定度等級為C類“一般”。

3.3" 開發(fā)潛力精細化評估結果

突泉縣風電、光伏發(fā)電的土地利用率及裝機容量系數(shù)空間分布如圖5所示。西北部的寶石鎮(zhèn)受生態(tài)保護的制約，土地可利用率較低；中部的學田鄉(xiāng)、六戶鎮(zhèn)、永安鎮(zhèn)受土地利用類型影響較大，土地利用率介于0.2～0.4之間，風電開發(fā)的裝機容量系數(shù)約為2 MW/km2；東北部的東杜爾基鎮(zhèn)、九龍鄉(xiāng)和水泉鎮(zhèn)北部最適合風電開發(fā)，土地利用率多在0.6以上，裝機容量系數(shù)在5 MW/km2左右；東南部的水泉鎮(zhèn)、太平鄉(xiāng)、突泉鎮(zhèn)部分地區(qū)光伏發(fā)電裝機容量系數(shù)受地類的影響，取值約為27 MW/km2。

突泉縣風電技術開發(fā)量共計452.35萬kW，各鄉(xiāng)、鎮(zhèn)之間差異明顯，六戶鎮(zhèn)最多、太平鄉(xiāng)最少。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)在不同風速段的技術開發(fā)量隨高度增加而變化明顯，在100 m高度，年平均風速均大于6.5 m/s，技術開發(fā)量最多的風速段是在7.0～7.5 m/s之間，占總量的47%；而在120 m高度，年平均風速幾乎都大于7 m/s，技術開發(fā)量最多的風速段集中在7.5 m/s以上，占總量的70%，如表6所示。

采用二元劃分法，以100 m高度為例，得到突泉縣風能資源可利用等級區(qū)劃，如圖6所示。九龍鄉(xiāng)、水泉鎮(zhèn)北部、東杜爾基鎮(zhèn)中東部等區(qū)域的風能資源為“豐富”或“非常豐富”，可優(yōu)先開發(fā)；永安鎮(zhèn)、六戶鎮(zhèn)中北部、學田鄉(xiāng)風能資源“一般”或“較豐富”，在開發(fā)風電時可考慮選擇輪轂較高（100 m以上）的大功率風電機組，以提高發(fā)電效率。

突泉縣光伏發(fā)電技術開發(fā)量共計451.2萬kW，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)之間差異明顯。從不同檔級最佳傾斜面年總太陽輻照量技術開發(fā)量來看，突泉縣的光伏發(fā)電開發(fā)量主要集中在1800～1900 kWh/m2之間，占總量的2/3；其余1/3技術開發(fā)量所對應的最佳傾斜面年總太陽輻照量均在1900 kWh/m2以上，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的技術開發(fā)量如表7所示。

建議將最佳傾斜面年總太陽輻照量在1900 kWh/m2以上的東南部地區(qū)，作為優(yōu)先開發(fā)區(qū)；突泉鎮(zhèn)、寶石鎮(zhèn)、學田鄉(xiāng)和六戶鎮(zhèn)等西部資源優(yōu)勢區(qū)開發(fā)分布式光伏發(fā)電。

3.4" 建議

中國在風能太陽能資源開發(fā)潛力評估方面仍需進一步完善：

1） 數(shù)據(jù)補充。中國的太陽輻照量觀測數(shù)據(jù)和測風塔較少，這在一定程度上影響了風能太陽能資源評估的精度。建議豐富太陽輻照量觀測數(shù)據(jù)和測風塔數(shù)據(jù)，進一步更新風能和太陽能資源數(shù)據(jù)集。

2） 技術和政策更新。在技術開發(fā)量計算中，本研究參考現(xiàn)行行業(yè)規(guī)范和標準設定單位面積裝機容量，而在實際風電、光伏發(fā)電開發(fā)中，當選用的風電機組或光伏組件參數(shù)與本研究存在較大差異時，可能致評估結果偏差；不同地類的風電、光伏發(fā)電土地可利用率根據(jù)相關政策或文獻選取，具有一定不確定性。隨著風電機組、光伏組件等技術的不斷發(fā)展和應用，以及大氣環(huán)流的長期演變，風能和太陽能資源及其技術開發(fā)量等均可能有所變化。因此，建議不斷跟進新技術、新政策的發(fā)展，適時更新評估結果。

4" 結論

本文基于風能資源數(shù)值模擬技術、SMARTS分光譜輻射傳輸模式、GIS空間分析技術，對資源稟賦、地形、土地利用約束、永久基本農(nóng)田、自然保護區(qū)、生態(tài)保護紅線、規(guī)劃政策等因素精確量化，構建了完整的縣級區(qū)域風能和太陽能資源開發(fā)潛力精細化評估方法和流程，生成了1 km×1 km高分辨率的風能和太陽能資源開發(fā)潛力圖譜，能夠滿足縣級區(qū)域的精細化評估需求。研究結果表明：突泉縣的風能資源比較豐富，風速和風功率密度的空間分布均呈現(xiàn)西北部高、東南部低的特征，且隨測量高度的增加該特征更為明顯。九龍鄉(xiāng)、水泉鎮(zhèn)北部、東杜爾基鎮(zhèn)中東部等區(qū)域的可利用風資源等級為“豐富”或“非常豐富”，建議優(yōu)先開發(fā)；永安鎮(zhèn)、六戶鎮(zhèn)中北部、學田鄉(xiāng)可利用風資源等級為“一般”或“較豐富”，建議安裝高輪轂的大功率風電機組，以提高發(fā)電效率。該縣太陽能資源總體呈現(xiàn)西北部高、東南低的空間分布特征，全縣平均的水平面、最佳傾斜面年總太陽輻照量分別為1483 kWh/m2、1921 kWh/m2。

本研究為突泉縣風能和太陽能資源的合理開發(fā)與科學布局提供了科學依據(jù)，同時也為其他縣級區(qū)域的可再生能源開發(fā)潛力評估提供了方法參考。

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REFINED ASSESSMENT OF WIND AND SOLAR ENERGY RESOURCES AND TECHNICAL POTENTIAL AT COUNTY LEVEL——

A CASE STUDY OF TUQUAN COUNTY

Wang Xueqi1，2，Gao Jinbing1，2，Ye Dong1，2，Jia Beixi1，2，Hu Yueming1，2，Shen Yanbo1，2

（1. China Meteorological Administration Energy Meteorology Key Laboratory，Beijing 100081，China；

2. CMA Public Meteorological Service Centre，Beijing 100081，China）

Abstract：The development and utilization of wind and solar energy are considered effective approaches to addressing the energy crisis and climate issues. A detailed understanding of the distribution and development potential of wind and solar energy resources at the county level is of significant importance for guiding local renewable energy development planning and specific project site selection. This paper is based on numerical simulation technology of wind energy resources，SMARTS spectral radiative transfer model，GIS spatial analysis technology，etc.，comprehensively considering factors such as resource endowment，terrain，land use type，permanent basic farmland，nature reserves，ecological protection red lines，planning policies，etc.，to construct a complete county level regional wind and solar energy resource development potential refined evaluation method and process. Taking Tuquan County in the Inner Mongolia Autonomous Region as an example，this paper conducts a refined assessment of wind and solar energy resource development potential at a kilometer scale. The research results show that Tuquan County is rich in wind energy resources，with the spatial distribution of wind speed and wind power density characterized by higher values in the northwest and lower values in the southeast. The distribution of solar energy resources also shows a pattern of higher values in the northwest and lower values in the southeast. It is recommended that the southeast region，with an annual total solar irradiance on the optimal tilt surface of 1900 kWh/m2，be designated as a priority development area for PV power generation. Meanwhile，areas such as Jiulong Township and the northern part of Shuiquan Town，where the exploitable wind energy resource level is classified as \"abundant\" or \"very abundant\"，should be considered as priority development areas for wind power.

Keywords：wind energy resources；solar energy resources；wind power generation；PV pouer generation；technical potential