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

0 引言

截至2017年底，中國光伏發(fā)電累計裝機達到了130 GW，但因為中國太陽能資源與用電負荷極為不均，導致消納問題始終存在，對此國家針對性地出臺了多項政策措施，鼓勵中東部地區(qū)開發(fā)分布式電站。中東部地區(qū)光伏建設用地相對緊張，如何根據太陽能資源，考慮地形、地貌及用地性質的制約，綜合評價光伏發(fā)電潛力，對于政府產業(yè)政策指定，以及市場投資行為都將有很大的實際意義。

關于光伏發(fā)電潛力，國內已有一些研究，周揚等[1]分析了江蘇省太陽能資源的時空分布特征，估算了江蘇省屋頂可裝機面積，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、日照時數(shù)和有效日照天數(shù)3個因子，利用多指標評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換效率，計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)潛力評估系統(tǒng)相關情況；Marcel等[7]利用PVGIS數(shù)據集對歐盟各成員國光伏系統(tǒng)年發(fā)電量進行了估算，并分析了光伏潛力與各國電力負荷的關系。對于光伏發(fā)電潛力，上述研究工作在不同領域有所涉及，但內容上仍存在針對性不強或考慮因素不夠全面等問題，因此探討全面的量化評價方法很有意義。

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、技術潛力、經濟潛力和市場潛力，以光伏開發(fā)為例，資源潛力討論太陽能資源情況，技術潛力進一步將地理及工程技術約束納入考慮，經濟潛力和市場潛力則更進一步考慮經濟和政策因素。參考這一分析框架，在資源潛力和技術潛力的層面，本文選取山西省作為研究區(qū)域，嘗試以光伏發(fā)電年等效利用小時數(shù)、理論裝機量、土地利用率、理論發(fā)電量4個指標為落腳點，通過模擬太陽能資源，量化地理條件對光伏開發(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。

1.2 數(shù)據

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

數(shù)字高程數(shù)據：采用SRTM3數(shù)據，該數(shù)據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，即航天飛機雷達地形測繪使命，SRTM3分辨率為90 m。

土地利用數(shù)據：采用GlobeLand30-2010數(shù)據，該數(shù)據為2010基準年的30 m全球地表覆蓋遙感制圖數(shù)據產品，是“全球地表覆蓋遙感制圖與關鍵技術研究”的成果，數(shù)據來自國家基礎地理信息中心。

1.3 方法

1.3.1 太陽能資源

1）水平面總輻射年總量

根據《太陽能資源評估方法》（QX/T 89—2018），采用氣候學方法計算水平面總輻射、水平面直接輻射和水平面散射輻射的月值和年值。該方法通過氣候學原理，利用日照百分率間接計算到達地面的太陽輻射，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是經驗系數(shù)。中國氣象局風能太陽能資源中心利用全國122個輻射站（包括曾將開展過輻射觀測的站點）自開展輻射觀測以來的逐月觀測數(shù)據，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，得到經驗系數(shù)a1，b1和a2，b2，將其在全國進行空間插值，獲得任意站點的經驗系數(shù)，進而利用該站點實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模型計算傾斜面總輻射，該方法由國家標準《光伏發(fā)電站設計規(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，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角，這四個量的單位均為角度（°）；δ和ω根據天文公式計算得到；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，采用空間分析和空間統(tǒng)計方法，通過計算年等效利用小時數(shù)、理論裝機量、土地利用率、理論發(fā)電量4個指標，量化光伏發(fā)電潛力。其中年等效利用小時數(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；理論裝機量和土地利用率代表了不同地區(qū)的裝機潛力和開發(fā)效率，是指導區(qū)域開發(fā)的宏觀指標；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，而年等效利用小時數(shù)因為考慮了電池板傾角及系統(tǒng)能量損耗，因此作為一項資源潛力的指標更為合適。年等效利用小時數(shù)表示光伏電站發(fā)電量按照額定功率滿發(fā)所計算的小時數(shù)，本文按照固定式斜面光伏進行評估，斜面傾角取當?shù)刈罴褍A角，計算公式如下：

式中，E為年發(fā)電量，P為光伏電站標稱功率，Hp為年峰值日照時數(shù)，通常用斜面總輻射年總量除以標準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，一般介于0.7～0.9，本文取0.8。

2）理論裝機量

理論裝機量，表示在考慮地形地貌對光伏裝機的約束后，一定區(qū)域光伏電站的可裝機量，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量，根據實際工程經驗，一般在40～50 MW/km2，本文取45 MW/km2。

Rs為土地利用率或裝機折減系數(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°且坡向為北（315°＜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依據山地光伏的施工經驗，主要考慮施工成本和難度；表3依據光伏開發(fā)中土地審批政策及工程經驗，主要從限制開發(fā)用地和可開發(fā)用地進行考慮。

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，計算公式如下：

式中，H為年等效利用小時數(shù)，Ps為理論裝機量。

2 結果分析

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、理論裝機量、光伏發(fā)電潛力3個層面進行了分析。

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《太陽能資源等級 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、大同市北部可以達到1500 h以上。表4進一步給出了各市年等效利用小時數(shù)的統(tǒng)計結果，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，年等效利用小時數(shù)最高為朔州市，達到1492 h，最低為晉城市，為1242 h。2017年山西全省光伏發(fā)電平均利用小時數(shù)為1371 h，如果以此為準，朔州、大同、忻州光伏發(fā)電條件超過了平均水平，臨汾市和運城市則發(fā)電條件較差。

2.2 山西省光伏發(fā)電理論裝機量及土地利用率

理論裝機量和土地利用率代表了不同地區(qū)的裝機潛力和開發(fā)效率，考慮地理環(huán)境約束，山西省光伏理論裝機量空間分布如圖2所示，圖中值代表了單位面積可裝機量。從圖中可以看到，大部分地區(qū)單位面積理論裝機量在10 MW/km2以下，其中呂梁山、太行山、五臺山、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、運城盆地等盆地地區(qū)因為多農用地，單位面積理論裝機量一般在5 MW/km2以下，其余丘陵地帶在5～10 MW/km2。總體上講，山西省光伏建設條件一般，可用地較分散，電站宏觀選址需要在丘陵地區(qū)“精挑細選”，挑選不宜耕作的土地進行開發(fā)。

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

圖2 理論裝機量格點分布圖Fig. 2 Spatial distribution of theoretical installed capacity

表5進一步給出了各市光伏發(fā)電理論裝機量和土地平均利用率的統(tǒng)計結果，前者反映了該地區(qū)光伏發(fā)電的總裝機潛力，后者反映可用于光伏建設的土地平均利用率。從理論裝機量來看，各市面積是決定因素，忻州、呂梁、臨汾因為面積較大，理論裝機量排在前三，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，建設成本更低，從統(tǒng)計結果來看，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%，運城以相對平坦的農用地為主，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)“精挑細選”，挑選不宜耕作的土地進行開發(fā)的結論。

表5 山西省各市理論裝機量及土地利用率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)的結論可以看到山西省施工建設條件差別不大，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數(shù)高的地區(qū)進行開發(fā)，參考近年山西省實際光伏利用小時數(shù)（約1400 h）。本文將山西省分為3個區(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、運城，年等效利用小時數(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)年等效利用小時數(shù)的差異，并標出了理論裝機量和年發(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)計了山西省光伏發(fā)電潛力，根據相關資料，2017年山西省全年全社會用電量為1991億kW·h，以此為標尺，如果將I類地區(qū)宜于光伏電站建設的土地進行開發(fā)，其光伏發(fā)電量將達到全省總用電量的1.2倍；將I類、II類地區(qū)進行開發(fā)，其光伏發(fā)電量將達到全省總用電量的2.2倍；將3類地區(qū)全部進行開發(fā)，其光伏發(fā)電量將達到全省總用電量的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，或是粗略估算裝機量、發(fā)電量等指標，都存在不全面和指導性不強的問題?；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數(shù)、理論裝機量、土地利用率、理論發(fā)電量4個指標進行了精確量化，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)“精挑細選”。

3）如果將北部地區(qū)宜于光伏電站建設的土地進行開發(fā)，其年總發(fā)電量將達到全省2017年總用電量的1.2倍；如果對全省適宜土地進行開發(fā)，發(fā)電量將達到全省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一步探討，如對光伏系統(tǒng)效率、開發(fā)的經濟性等方面的考慮，這些將是下一步研究的方向。