基于土地利用系數(shù)的光伏發(fā)電并網(wǎng)體量預(yù)測(cè)研究

王 征，祁曉楓，楊雪瑞，張鳳舜，吉?jiǎng)兮x

(1.國(guó)網(wǎng)遼寧省電力有限公司，遼寧 沈陽(yáng) 110006；2.國(guó)家電網(wǎng)有限公司東北分部，遼寧 沈陽(yáng) 110181)

1 光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展概況

1.1 各國(guó)發(fā)展規(guī)模

2017年光伏行業(yè)年度分析報(bào)告顯示：2016年全球光伏新增裝機(jī)70 GW，比2015年增長(zhǎng)約30%，全球光伏裝機(jī)總量達(dá)到300 GW。在2019年，我國(guó)新增光伏發(fā)電裝機(jī)3011萬(wàn)kW，新增集中式光伏裝機(jī)容量1791萬(wàn)kW；新增分布式光伏裝機(jī)容量1220萬(wàn)kW[1-2]。

1.2 遼寧省光伏發(fā)電情況

截至2019年底，遼寧光伏裝機(jī)343.22萬(wàn)kW，同比增長(zhǎng)13.64%；在國(guó)家產(chǎn)業(yè)政策引導(dǎo)下，“十三五”以來光伏共增長(zhǎng)336.2萬(wàn)kW，裝機(jī)占比由2015年的0.4%迅速增長(zhǎng)至2019年的6.4%。預(yù)計(jì)到2025年，遼寧省光伏發(fā)電總裝機(jī)容量930萬(wàn)kW，規(guī)劃?rùn)C(jī)組均為本省消納。遼寧集中式光伏裝機(jī)主要集中于朝陽(yáng)、阜新、錦州等地區(qū)，“十四五”規(guī)劃新增集中式光伏507萬(wàn)kW。近期新增集中式光伏主要集中在丹東、朝陽(yáng)、葫蘆島等遼西地區(qū)。綜合考慮太陽(yáng)能資源、電網(wǎng)接入條件、消納市場(chǎng)和土地利用條件，建議除上述地區(qū)外，在“十四五”期間，優(yōu)先在遼西等貧困地區(qū)發(fā)展平價(jià)式光伏電源。

1.3 土地使用情況

2015年國(guó)土資源部發(fā)布關(guān)于《光伏發(fā)電站工程項(xiàng)目用地控制指標(biāo)的通知》(國(guó)土資規(guī)〔2015〕11號(hào))，通知中對(duì)光伏電站的用地性質(zhì)、用地指標(biāo)等進(jìn)行了詳細(xì)規(guī)定，對(duì)各種形式的光伏電站的用地性質(zhì)進(jìn)行了詳細(xì)測(cè)算。按照通知中的測(cè)算原則，我國(guó)光伏建設(shè)主要集中在北緯18°至北緯60°，按照平均北緯30°附近進(jìn)行測(cè)算，每1萬(wàn)kW光伏電站用地約16 hm2，我國(guó)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(nóng)用地，使用建設(shè)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(guó)土地管理法》對(duì)我國(guó)土體性質(zhì)作出了詳細(xì)規(guī)定：依據(jù)用途可分為農(nóng)用地、建設(shè)用地和未利用地等。農(nóng)用地包括耕地、林地、草地、農(nóng)田水利用地、養(yǎng)殖水面等用于農(nóng)業(yè)生產(chǎn)的土地；建設(shè)用地包括建筑和構(gòu)筑物應(yīng)用土地、城市和鄉(xiāng)村住房用地和公用事業(yè)設(shè)施用地、工業(yè)用地、市政交通及水利工程設(shè)施用地、軍事化建設(shè)設(shè)施用地等；除去以上用地，其他為未利用地。國(guó)土資源部聯(lián)合發(fā)改委等六部委于2015年9月18日出臺(tái)了《關(guān)于支持新產(chǎn)業(yè)新業(yè)態(tài)發(fā)展促進(jìn)大眾創(chuàng)業(yè)萬(wàn)眾創(chuàng)新用地的意見》，意見中明確提出了對(duì)于風(fēng)力發(fā)電和光伏發(fā)電等新能源發(fā)電項(xiàng)目使用沙漠化等未利用土地的，即對(duì)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(rèn)定，通過租賃等方式進(jìn)行購(gòu)買使用。雙方可簽訂補(bǔ)償協(xié)議，租賃土地報(bào)當(dāng)?shù)貒?guó)土資源部門進(jìn)行備案。由此規(guī)定可見，光伏電站占用未利用地可采取租賃等方式進(jìn)行[3-5]。

自2013年以來，我國(guó)光伏發(fā)電裝機(jī)迅速增長(zhǎng)，大型光伏電站建設(shè)對(duì)土地的需求逐年攀升，規(guī)模提升后，對(duì)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(zhuǎn)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(xiàng)目多發(fā)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(yè)主要違反了以下原則和規(guī)定：采取欺詐方式和手段獲得批準(zhǔn)或者根本未經(jīng)審批，非法占用土地；占用土地面積超出批準(zhǔn)范圍；使用人不歸還非法批準(zhǔn)的土地。例如，2014年8月，山東省有一企業(yè)在未審批的情況下，占用某縣某村耕地建設(shè)辦公大樓和光伏運(yùn)維場(chǎng)地，占地面積0.082 hm2；2017年5月，濮陽(yáng)某新能源科技有限公司占用當(dāng)?shù)睾恿鳛┑亟ㄔO(shè)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(fā)改委復(fù)核核準(zhǔn)，但直至光伏本體安裝完成之時(shí)未獲得有關(guān)行政主管部門的審查意見，最終被強(qiáng)制叫停。

2.2 建筑行業(yè)光伏建設(shè)的鼓勵(lì)政策

政府政策對(duì)光伏建設(shè)和推廣過程中起著決定性作用，為促進(jìn)建筑行業(yè)光伏的發(fā)展，我國(guó)在2006 年推出《可再生能源發(fā)電價(jià)格和費(fèi)用分?jǐn)偣芾碓囆修k法(實(shí)施細(xì)則)》《可再生能源法》等法律規(guī)定。這些辦法及規(guī)定主要對(duì)電網(wǎng)公司全部收購(gòu)光伏上網(wǎng)電量作出規(guī)定，還提出了光伏發(fā)電上網(wǎng)電價(jià)常規(guī)能源電價(jià)的差額在全網(wǎng)用戶主體中進(jìn)行分?jǐn)偟纫?。隨后政府出臺(tái)了“太陽(yáng)能建筑屋頂計(jì)劃”，并將補(bǔ)助向上調(diào)至20元/Wp。2011年我國(guó)又重新制定了光伏上網(wǎng)電價(jià)[6]。

國(guó)外已有較成熟、完善的光伏產(chǎn)業(yè)政策，我國(guó)在借鑒的基礎(chǔ)上初步形成了符合中國(guó)國(guó)情的光伏產(chǎn)業(yè)政策。然而這些政策雖在一定程度上促進(jìn)了我國(guó)光伏建筑的發(fā)展，目前我國(guó)該領(lǐng)域的發(fā)展速度仍處于落后狀態(tài)，表1對(duì)國(guó)內(nèi)外已有的光伏建筑政策進(jìn)行了梳理，并進(jìn)行對(duì)比分析。

表1 國(guó)內(nèi)外建筑分布式光伏的激勵(lì)政策

與此同時(shí)，2016年全國(guó)國(guó)有建設(shè)用地供應(yīng)5180萬(wàn)hm2，倉(cāng)儲(chǔ)和工業(yè)、房地產(chǎn)和基礎(chǔ)設(shè)施三類用地供應(yīng)量分別為12.08萬(wàn)hm2、10.75萬(wàn)hm2和28.97萬(wàn)hm2。2017年，我國(guó)光伏發(fā)電新增裝機(jī)容量為5306萬(wàn)kW，創(chuàng)歷史新高，分布式光伏占總新增裝機(jī)比例為34%，分布式光伏發(fā)電發(fā)展有加快的趨勢(shì)，建議政府繼續(xù)加大扶持力度，進(jìn)一步發(fā)展建筑物和工業(yè)廠房對(duì)光伏用地做出貢獻(xiàn)。除了補(bǔ)貼發(fā)電方外，在工業(yè)項(xiàng)目和建筑項(xiàng)目政策上也需給予鼓勵(lì)，加大總量控制指標(biāo)，放寬規(guī)劃審批要求。

3 光伏并網(wǎng)消納方式及成本問題

3.1 光伏并網(wǎng)消納方式

集中式光伏和分布式光伏并網(wǎng)發(fā)電特點(diǎn)各不相同。集中式光伏并網(wǎng)發(fā)電主要特點(diǎn)是運(yùn)行方式可靠，相對(duì)于分布式光伏可以更方便地進(jìn)行功率和電壓控制，電網(wǎng)頻率波動(dòng)更能便捷檢測(cè)和實(shí)現(xiàn)控制。但是光伏送出并網(wǎng)輸電線路較長(zhǎng)，光伏發(fā)電由于光照波動(dòng)使其成為電力系統(tǒng)的一個(gè)干擾源，線路自身具有阻抗，電流流過可產(chǎn)生低電壓?jiǎn)栴}。容量較大的光伏電站由多臺(tái)逆變器并聯(lián)而成，電力電子設(shè)備需要并聯(lián)控制，且控制技術(shù)有待完善。為保證電力系統(tǒng)安全，規(guī)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(wǎng)發(fā)電具有以下特點(diǎn)：靠近負(fù)荷中心的光伏電源，發(fā)電供給當(dāng)?shù)刎?fù)荷使用，電源可視為負(fù)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(fā)揮建筑物優(yōu)勢(shì)，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(wǎng)的對(duì)接可提高電力系統(tǒng)運(yùn)行的靈活性，也可以作為孤網(wǎng)獨(dú)立運(yùn)行。

3.2 光伏并網(wǎng)消納成本

大型集中光伏項(xiàng)目選址多為偏遠(yuǎn)地區(qū)，距離負(fù)荷距離遠(yuǎn)，輸送過程損失大，增加光伏行業(yè)整體成本。但棄光問題依然嚴(yán)重，僅西北地區(qū)棄光電量就達(dá)70億kWh，平均棄光率近20%，新疆、甘肅棄光率高達(dá)32%、30%，2017年第1季度棄光電量27億kWh，全國(guó)平均棄光率達(dá)到13%。

文獻(xiàn)[7]中研究光伏，在涵蓋目前光伏發(fā)電和補(bǔ)貼政策情況下，根據(jù)并網(wǎng)的電壓等級(jí)和運(yùn)行方式情況，計(jì)算不同分布式光伏電站項(xiàng)目成本和內(nèi)部財(cái)務(wù)收益情況可知，大型集中光伏電站發(fā)電成本高于電價(jià)，項(xiàng)目本身不能盈利。但是通過計(jì)入補(bǔ)貼收入，分布式收益情況良好，發(fā)電成本遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其收益，個(gè)別項(xiàng)目收益率甚至超過20%。

通過運(yùn)行綜合研究評(píng)估，解決問題的主要辦法為鼓勵(lì)和引導(dǎo)分布式光伏就地消納。間歇性光伏發(fā)電的出力特性使電力系統(tǒng)產(chǎn)生影響電網(wǎng)穩(wěn)定性和安全性的干擾因素，導(dǎo)致配套電網(wǎng)成本上升。也就是說，光伏發(fā)電成本雖然降低了，其電網(wǎng)配套設(shè)施成本在增長(zhǎng)。所以制約光伏大規(guī)模發(fā)展的主要因素是電網(wǎng)的接納能力和電網(wǎng)成本。大規(guī)模的集中光伏面臨消納問題和調(diào)峰問題等，而且由于我國(guó)光照資源和負(fù)荷位置的逆向分布，電網(wǎng)配套外送線路建設(shè)會(huì)相對(duì)困難，因此棄光似乎難以避免。

4 基于土地分散系數(shù)的光伏預(yù)測(cè)模型

4.1 土地承載光伏發(fā)電的形式

目前光伏發(fā)電的主要形式為大型光伏電站建設(shè)模式和分布式建設(shè)模式，這兩種光伏發(fā)電形式對(duì)土地的利用有以下特點(diǎn)：集中式光伏電站項(xiàng)目業(yè)主利用沙漠、灘涂、建設(shè)用地、山地和農(nóng)業(yè)用地進(jìn)行大規(guī)模光伏開發(fā)，地面光伏電站用地面積大，對(duì)土地利用率低。分布式光伏主要利用建筑、商業(yè)建筑和住宅或光電一體化建筑等形式，這種建設(shè)特點(diǎn)投資小、建設(shè)快、占地面積小。

在中國(guó)現(xiàn)有土地利用規(guī)劃管理中，對(duì)于每一個(gè)地塊用地面積的利用都有詳細(xì)復(fù)雜的管理規(guī)定，即“國(guó)家對(duì)土地控制性詳細(xì)規(guī)劃”。在建筑用地的規(guī)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(shè)備的最大面積就可通過最大建筑屋頂面積結(jié)合利用系數(shù)法計(jì)算得出，再綜合考慮光伏設(shè)備利用面積輔以光伏發(fā)電運(yùn)行原理，可以大致推算出城市建筑集群的光伏發(fā)電量[8]。

4.2 預(yù)測(cè)模型和預(yù)測(cè)結(jié)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(jì)算小區(qū)和廠區(qū)最大的建筑容量。推導(dǎo)出城市建筑的總占地面積，由此可確定某個(gè)城市最大的建筑容量。這里引入光照建筑總面積利用系數(shù)，光照建筑總面積與占地面積的比值(用符號(hào)f表示)，則可以計(jì)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(shù)；BD為建筑密度；FAR為容積率；A為用地面積。

考慮不同地區(qū)用地周圍建筑的影響因素，各種類型建筑具有不同相關(guān)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(diǎn)選取樣本研究，分別確定屋頂光伏可利用系數(shù)，即光伏可利用面積與建筑總面積的比值，用符號(hào)fpv表示，從而計(jì)算整個(gè)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(jù)天津市房屋建筑調(diào)查結(jié)果可知如下系數(shù)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(shù)為0.86；屋頂光伏利用系數(shù)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(wàn)kW的光伏容量?？梢妼?duì)我國(guó)龐大的建筑群能接納的光伏容量是非常可觀的。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文通過光伏項(xiàng)目土地利用政策和土地利用現(xiàn)狀研究認(rèn)為，土地對(duì)光伏發(fā)電形式可產(chǎn)生重大影響。土地在集約化條件下，建設(shè)大型地面變電站可操作性難度越來越大，按照現(xiàn)行的補(bǔ)貼政策，就地消納的光伏從收益率和電網(wǎng)建設(shè)方面都要優(yōu)于集中式光伏電站。通過土地系數(shù)法測(cè)算出1000 hm2城市建筑用地可釋放20萬(wàn)kW分布式光伏容量。此研究結(jié)論有助于預(yù)測(cè)光伏產(chǎn)業(yè)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)及目標(biāo)，對(duì)光伏發(fā)電并網(wǎng)及運(yùn)營(yíng)管理模式等相關(guān)配套政策的制定具有重要的借鑒意義。建議應(yīng)進(jìn)一步加大對(duì)分布式建筑光伏資助，完善相關(guān)配套政策，促進(jìn)分布式光伏在我國(guó)進(jìn)一步發(fā)展。