化德縣太陽能資源評估及光伏發(fā)電技術(shù)可開發(fā)量的研究

摘 要：利用內(nèi)蒙古自治區(qū)化德縣氣象站1993—2022年的月太陽輻射資料、月平均日照時數(shù)和日照百分率資料，以及空間分辨率為75 m×75 m的國家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，通過地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)對化德縣的太陽能資源進行了分析和評估；然后考慮當?shù)氐匦斡绊懀谔蕹豢砷_發(fā)區(qū)域和一定比例的限制開發(fā)區(qū)域后，得到了當?shù)氐墓夥l(fā)電可開發(fā)區(qū)域，并對其光伏發(fā)電的技術(shù)可開發(fā)量進行了計算。研究結(jié)果表明：1）全縣的多年平均水平面太陽總輻照量的平均值為1561.3 kWh/m2，固定式光伏發(fā)電最佳傾斜面的多年平均太陽總輻照量的平均值為2076.3 kWh/m2，可調(diào)節(jié)式光伏發(fā)電最佳傾斜面的多年平均太陽總輻照量的平均值為2141.6 kWh/m2，屬于中國太陽能資源總量等級B類（即“很豐富”）。2）全縣太陽能資源的空間分布總體呈現(xiàn)從西南到東北逐漸降低的特征，年內(nèi)水平面太陽總輻照量呈正態(tài)分布特征，屬于中國太陽能資源穩(wěn)定度等級C類（即“一般”）。3）全縣的光伏發(fā)電可利用土地面積占全縣總面積的31.71%，光伏發(fā)電技術(shù)可開發(fā)量為2107.5萬kW，主要集中在太陽總輻照量為2000～2200 kWh/m2的區(qū)域。由此可見，化德縣的太陽能資源有較大開發(fā)空間，光伏發(fā)電的開發(fā)潛力巨大。研究結(jié)果可為后續(xù)化德縣的太陽能資源開發(fā)及光伏電站建設(shè)提供技術(shù)支撐和科學依據(jù)。

關(guān)鍵詞：太陽能資源評估；光伏發(fā)電；太陽輻射；太陽總輻照量；技術(shù)可開發(fā)量

中圖分類號：TM615 "文獻標志碼：A

0 "引言

太陽能是一種清潔能源，具有“取之不盡、用之不竭”的可再生性，資源開發(fā)潛力巨大。為了保護生態(tài)環(huán)境，近年來，針對此類清潔能源的開發(fā)變得尤為重要[1]。中國的太陽能資源豐富，空間分布上呈現(xiàn)從東北到西南遞增的趨勢，目前，全國各地都陸續(xù)開展了針對太陽能資源的評估及開發(fā)潛力研究。比如：梁玉蓮等[2]、王志玲等[3]分別對華南地區(qū)、河北省承德市的太陽能資源進行了評估，并對其可開發(fā)潛力進行了研究；杜東升等[4]、蘇勇勇[5]、王重洋等[6]、王優(yōu)等[7]也分別對湖南省、山西省、甘肅省武威市涼州區(qū)、遼寧省朝陽市的太陽能資源進行了評估。

內(nèi)蒙古自治區(qū)中西部地區(qū)的太陽能資源為“最豐富”且穩(wěn)定[1]?！坝行蛴行ч_發(fā)能源資源，改造提升新能源產(chǎn)業(yè)，提高新能源占比”是《內(nèi)蒙古自治區(qū)國民經(jīng)濟和社會發(fā)展第十四個五年規(guī)劃和2035年遠景目標綱要》中的重要內(nèi)容，因此，針對內(nèi)蒙古自治區(qū)各地太陽能資源開展的研究也逐漸增多。彭軍等[8]對內(nèi)蒙古自治區(qū)全區(qū)的太陽能資源空間分布情況和光伏發(fā)電開發(fā)的可行性進行了分析；王志春等[9]評估了赤峰市的太陽能資源，并研究了其開發(fā)潛力；陳培生等[10]對呼和浩特市托克托縣的太陽能資源進行了評估。

化德縣位于內(nèi)蒙古自治區(qū)中部的烏蘭察布市，太陽能資源豐富，為了更好地開發(fā)該地區(qū)的太陽能資源，有必要針對化德縣開展太陽能資源評估及光伏發(fā)電技術(shù)可開發(fā)量研究。本文首先基于地理信息系統(tǒng)（GIS）技術(shù)對化德縣的太陽能資源等級及穩(wěn)定度等級、空間分布、時間變化特征進行分析和評估；然后考慮當?shù)氐匦斡绊?，在剔除不可開發(fā)區(qū)域和一定比例的限制開發(fā)區(qū)域后，得到當?shù)氐墓夥l(fā)電可開發(fā)區(qū)域，并進一步計算光伏發(fā)電技術(shù)可開發(fā)量。

1 "資料來源與計算方法

1.1 "資料來源

1）數(shù)字高程模型（DEM）數(shù)據(jù)。來源于國家基礎(chǔ)地理數(shù)據(jù)，空間分辨率為75 m×75 m。

2）輻射觀測資料。根據(jù)化德縣氣象站1993—2022年的月太陽輻射資料，計算得到該地區(qū)1993—2022年逐月1 km分辨率下的太陽輻射數(shù)據(jù)和光伏發(fā)電相關(guān)要素，具體包括：水平面太陽總輻照量、水平面太陽直接輻照量、水平面太陽散射輻照量；光伏發(fā)電在光伏組件固定角度形式（下文簡稱為“固定式光伏發(fā)電”）下接收的太陽總輻照量最大時的傾斜面及傾角（下文分別簡稱為“最佳傾斜面”和“最佳傾角”）、最佳傾斜面太陽總輻照量，光伏發(fā)電在光伏組件可調(diào)節(jié)角度形式（下文簡稱為“可調(diào)節(jié)式光伏發(fā)電”）下的最佳傾斜面太陽總輻照量等。

3）日照觀測資料。來源于化德縣氣象站1993—2022年的月平均日照時數(shù)和日照百分率資料。

本文所采用的相關(guān)太陽輻射資料已經(jīng)過初步質(zhì)量控制，對所有數(shù)據(jù)進行了異常值和缺失值檢驗。

1.2 "計算方法

1.2.1 "水平面太陽能資源計算方法

根據(jù)GB/T 37526—2019 《太陽能資源評估方法》[11]的第6章，水平面太陽總輻照量Q的計算式為：

Q=Q0（aG+bG s） " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （1）

式中：Q0為水平面天文輻照量，kWh/m2，其計算方法參見GB/T 37526—2019的附錄B；aG、bG均為經(jīng)驗系數(shù)，其計算方法參見文獻[12]；s為日照百分率，%。

根據(jù)曾燕等[12-13]提出的計算模型，水平面太陽直接輻照量Qb和水平面太陽散射輻照量Qd的計算式分別為：

（2）

（3）

式中：a、b、c均為經(jīng)驗系數(shù)[12-13]，其中a、b的計算方法參見GB/T 37526—2019的附錄C。

1.2.2 "傾斜面太陽能資源計算方法

本文采用Klein模型[14]計算傾斜面月太陽總輻照量Qs，其計算式為：

Qs=Ds+Ss+Rs " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （4）

式中：Ds為傾斜面月太陽直接輻照量，kWh/m2；Ss為傾斜面月太陽散射輻照量，kWh/m2；Rs為傾斜面月反射輻照量，kWh/m2。

其中：

Ds=DHRb " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " " （5）

式中：DH為水平面月太陽直接輻照量，kWh/m2；Rb為太陽方位角為正南時，傾斜面與水平面的日太陽直接輻射量之比的月平均值。

（6）

式中：SH為水平面月太陽散射輻照量，kWh/m2；β為傾斜面與水平面之間的夾角（或傾角），（° ）。

（7）

式中：QH為水平面月太陽總輻照量，kWh/m2；ρ為月平均地表反照率，本文以建設(shè)在干燥地表上的光伏電站為例，近似取0.2。

太陽方位角為正南時，傾斜面與水平面的日太陽直接輻射量之比的月平均值的計算式為：

式中：φ為當?shù)鼐暥扰c水平面之間的夾角（或傾角），（° ）；δ為各月代表日的太陽赤緯，（° ），可由天文公式計算得到；ω為各月代表日的日落時角，（° ），可由天文公式計算得到。

2 "化德縣太陽能資源的精細化評估

2.1 "水平面太陽總輻照量

根據(jù)化德縣1993—2022年的太陽輻射資料評估該地區(qū)的太陽能資源情況，其多年平均水平面太陽總輻照量的空間分布如圖1所示。

從圖1可以看出：1）化德縣的多年平均水平面太陽總輻照量總體呈現(xiàn)從西南到東北逐漸降低的空間分布特征，其中，朝陽鎮(zhèn)南部地區(qū)的值最高，可達到1570 kWh/m2以上；七號鎮(zhèn)東北部地區(qū)的值最低，為1541 kWh/m2。全縣的多年平均水平面太陽總輻照量的平均值為1561.3 kWh/m2。

2）根據(jù)GB/T 31155—2014《太陽能資源等級 總輻射》[15]中的等級劃分標準，由于化德縣各地區(qū)的多年平均水平面太陽總輻照量均在1400～1750 kWh/m2之間，則該地區(qū)的太陽能資源總量等級為B類（即“很豐富”）。因此，對化德縣而言，太陽能資源不是光伏發(fā)電開發(fā)的約束性因素。

化德縣1993—2022年的多年平均水平面太陽總輻照量的年內(nèi)變化情況，如圖2所示。

從圖2可以看出：1）化德縣的多年平均水平面太陽總輻照量的年內(nèi)變化呈正態(tài)分布特征，并具有明顯的季節(jié)變化特征，即夏季的值最高，春季和秋季的值次之，冬季的值最低。該變化與所在地的溫度和日照時長呈正相關(guān)，而且春季和秋季的大風、沙塵暴天氣，夏季和冬季的雨、雪天氣均對太陽輻射存在一定的減弱作用。

2） 1年之中，5月的多年平均水平面太陽總輻照量最高，可達203.1 kWh/m2；12月的值最低，為60.0 kWh/m2；兩者的比值為0.30。根據(jù)GB/T 31155—2014[15]的穩(wěn)定度等級劃分標準，由于化德縣的多年平均水平面太陽總輻照量的最低月和最高月比值在0.28～0.36之間，則該地區(qū)的太陽能資源穩(wěn)定度等級為C類（即“一般”）。

2.2 "固定式光伏發(fā)電最佳傾斜面的太陽總輻照量

根據(jù)前文式（7），可以計算得出化德縣采用固定式光伏發(fā)電時的最佳傾角（即傾斜面與水平面之間的夾角）為41°。化德縣1993—2022年的固定式光伏發(fā)電最佳傾斜面的多年平均太陽總輻照量的空間分布如圖3所示。

從圖3可以看出：化德縣的固定式光伏發(fā)電最佳傾斜面的多年平均太陽總輻照量的空間分布總體呈現(xiàn)從西南到東北逐漸降低的特征，其中，朝陽鎮(zhèn)南部地區(qū)的值最高，可達到2100 kWh/m2以上；七號鎮(zhèn)東北部地區(qū)的值最低，為2033.4 kWh/m2。全縣的固定式光伏發(fā)電最佳傾斜面的多年平均太陽總輻照量的平均值為2076.3 kWh/m2。

2.3 "可調(diào)節(jié)式光伏發(fā)電最佳傾斜面的太陽總輻照量

化德縣1993—2022年的可調(diào)節(jié)式光伏發(fā)電最佳傾斜面的多年平均太陽總輻照量的空間分布如圖4所示。

從圖4可以看出：化德縣的可調(diào)節(jié)式光伏發(fā)電最佳傾斜面的多年平均太陽總輻照量的空間分布總體呈現(xiàn)從西南到東北逐漸降低的特征，其中，朝陽鎮(zhèn)南部地區(qū)的值最高，可達到2160 kWh/m2以上；七號鎮(zhèn)東北部地區(qū)的值最低，為2107 kWh/m2。全縣的可調(diào)節(jié)式光伏發(fā)電最佳傾斜面的多年平均太陽總輻照量的平均值為2141.6 kWh/m2。

3 "光伏發(fā)電技術(shù)可開發(fā)量計算

化德縣大部分地區(qū)介于41°N～42°N之間，參考2015年國土資源部發(fā)布的《光伏發(fā)電站工程項目用地控制指標》（國土資規(guī)[2015]11號），測算得到該地區(qū)光伏發(fā)電的單位面積裝機容量的上限范圍為42～46 MW/km2?？紤]到近年來光伏行業(yè)在高效光伏組件方面的技術(shù)進步，本文選擇化德縣光伏發(fā)電的單位面積裝機容量上限為50 MW/km2。

3.1 "地形影響

根據(jù)NB/T 32046—2018《光伏發(fā)電工程規(guī)劃報告編制規(guī)程》，用于光伏發(fā)電時，不同地形條件（比如：坡度αp和坡向）對應(yīng)的土地可利用率不同，具體如表1所示。

化德縣的坡度分布如圖5所示。從圖5可以看出：化德縣沒有坡度大于30°的區(qū)域；坡度在6°～30°的區(qū)域主要分布在公臘胡洞鄉(xiāng)中部和西北部地區(qū)、德包圖鄉(xiāng)中部地區(qū)、七號鎮(zhèn)西北部地區(qū)、白音特拉鄉(xiāng)東北部地區(qū)、長順鎮(zhèn)中部地區(qū)，以及朝陽鎮(zhèn)西南部地區(qū)，這些地區(qū)占化德縣總面積的28.84%；坡度在6°以下的區(qū)域主要分布在各個鄉(xiāng)鎮(zhèn)的大部分地區(qū)，占化德縣總面積的71.16%。從地形情況來看，有利于光伏電站的開發(fā)建設(shè)。但由于化德縣的地形復雜，本文暫不考慮坡度大于6°的土地的開發(fā)利用。

3.2 "可開發(fā)區(qū)域的確定

1）光伏發(fā)電不可開發(fā)區(qū)域。根據(jù)相關(guān)國家政策及化德縣關(guān)于國土管理的相關(guān)要求，本文所考慮的光伏發(fā)電不可開發(fā)區(qū)域包括：生態(tài)保護紅線、基本農(nóng)田、果園、公共設(shè)施用地、商業(yè)服務(wù)業(yè)設(shè)施用地、工礦用地、住宅用地、交通運輸用地、水域及水利設(shè)施用地、特殊用地等。其中，防風固沙區(qū)域、基本農(nóng)田信息來源于化德縣政府，其他地類信息來源于化德縣政府的第2次土地利用調(diào)查數(shù)據(jù)。

2）光伏發(fā)電限制開發(fā)區(qū)域。在植被覆蓋豐富區(qū)域和牧場等區(qū)域，太陽能資源的開發(fā)利用可能會對環(huán)境產(chǎn)生不同程度的影響，因此在這些區(qū)域通常會按一定比例實施限制開發(fā)策略?；驴h的不同土地利用類型對應(yīng)的光伏發(fā)電土地可利用率如表2所示。

3）光伏發(fā)電可開發(fā)區(qū)域。首先利用GIS技術(shù)剔除不可開發(fā)區(qū)域，然后按照表2的光伏發(fā)電土地可利用率疊加不同的限制開發(fā)區(qū)域后，即可得到光伏發(fā)電可開發(fā)區(qū)域。

綜上，考慮草地、林地的影響后，化德縣的光伏發(fā)電土地可利用率的空間分布如圖6所示。

從圖6可以看出：化德縣的光伏發(fā)電可開發(fā)區(qū)域主要分布在公臘胡洞鄉(xiāng)中部地區(qū)、德包圖鄉(xiāng)東北部和西北部地區(qū)、七號鎮(zhèn)南部地區(qū)、白音特拉鄉(xiāng)東北部和西南部地區(qū)、長順鎮(zhèn)中部和東北部地區(qū)，以及朝陽鎮(zhèn)南部地區(qū)。

3.3 "技術(shù)可開發(fā)量

將圖6的光伏發(fā)電可開發(fā)區(qū)域按照草地、林地等的可利用情況疊加光伏發(fā)電單位面積裝機容量計算后，可得到該區(qū)域的光伏發(fā)電技術(shù)可開發(fā)量；再按照不同檔位的固定式光伏發(fā)電最佳傾斜面的太陽總輻照量進行統(tǒng)計，即可得到采用固定式光伏發(fā)電時化德縣的光伏發(fā)電技術(shù)可開發(fā)量。

通過計算，化德縣的光伏發(fā)電可利用土地面積為803.65 km2，占全縣總面積的31.71%，光伏發(fā)電技術(shù)可開發(fā)量為2107.5萬kW。各鄉(xiāng)鎮(zhèn)的光伏發(fā)電技術(shù)可開發(fā)量有所差異，其中，朝陽鎮(zhèn)的光伏發(fā)電可開發(fā)區(qū)域面積最大；公臘胡洞鄉(xiāng)由于受地形影響，其光伏發(fā)電可開發(fā)區(qū)域的面積相對較少?；驴h的光伏發(fā)電技術(shù)可開發(fā)量主要集中在太陽總輻照量為2000～2200 kWh/m2的區(qū)域，全縣太陽總輻照量大于2100 kWh/m2的區(qū)域的光伏發(fā)電可利用土地面積占全縣光伏發(fā)電可利用土地面積的93.60%，七號鎮(zhèn)東北部地區(qū)的太陽總輻照量在2000～2100 kWh/m2之間。

4 "結(jié)論

本文基于GIS技術(shù)對內(nèi)蒙古自治區(qū)化德縣的太陽能資源進行了分析和評估，然后考慮當?shù)氐匦斡绊懀谔蕹豢砷_發(fā)區(qū)域和一定比例的限制開發(fā)區(qū)域后，得到了當?shù)氐墓夥l(fā)電可開發(fā)區(qū)域，并對其光伏發(fā)電的技術(shù)可開發(fā)量進行了計算，得到以下結(jié)論：

1）全縣的多年平均水平面太陽總輻照量的平均值為1561.3 kWh/m2，屬于中國太陽能資源總量等級B類（即“很豐富”）。其中，固定式光伏發(fā)電最佳傾斜面的值為2076.3 kWh/m2，可調(diào)節(jié)式光伏發(fā)電最佳傾斜面的值為2141.6 kWh/m2。

2）全縣太陽能資源的空間分布總體呈現(xiàn)從西南到東北逐漸降低的特征，年內(nèi)水平面太陽總輻照量呈正態(tài)分布特征，屬于中國太陽能資源穩(wěn)定度等級C類（即“一般”）。

3）全縣的光伏發(fā)電可利用土地面積占全縣總面積的31.71%，光伏發(fā)電技術(shù)可開發(fā)量為2107.5萬kW，其主要集中在太陽總輻照量為2000～2200 kWh/m2的區(qū)域。

綜上可知，化德縣的太陽能資源有較大開發(fā)空間，光伏發(fā)電的開發(fā)潛力巨大。本文研究結(jié)果可為后續(xù)化德縣的太陽能資源開發(fā)及光伏電站建設(shè)提供技術(shù)支撐和科學依據(jù)，推動該地區(qū)的綠色低碳經(jīng)濟發(fā)展，為推進當?shù)剜l(xiāng)村振興提供能源支持。

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RESEARCH ON EVALUATION OF SOLAR ENERGY RESOURCES AND

TECHNICAL EXPLOITABLE AMOUNT OF PV POWER

GENERATION IN HUADE COUNTY

Wang Lele1，2，Dong Fang2，Wang Manfei2，Ma Yufeng2，Ma Yuan2

（1. Liaocheng meteorological Service Center，Liaocheng 252000，China；

2. Climate center of Inner Mongolia Autonomous Region，Huhhot 010051，China）

Abstract：This paper uses monthly solar radiation data，monthly average sunshine hours，and sunshine percentage data from the Huade County Meteorological Station in Inner Mongolia Autonomous Region from 1993 to 2022，as well as national basic geographic data with a spatial resolution of 75 m×75 m，to analyze and evaluate the solar energy resources in Huade County through GIS technology. Then，considering the influence of local terrain，after excluding undeveloped areas and a certain proportion of restricted development areas，the local PV power generation exploitable areas are obtained，and the technical exploitable amount of PV power generation is calculated. The research results show that： 1） The mean value of annual average total solar irradiance on the horizontal plane in the whole county is 1561.3 kWh/m2，the mean value of annual average total solar irradiance on the optimal inclined plane of fixed PV power generation is 2076.3 kWh/m2，and the mean value of annual average total solar irradiance on the optimal inclined plane of adjustable PV power generation is 2141.6 kWh/m2，belonging to Class B （i.e. \"very abundant\"） of China's total solar energy resources. 2） The spatial distribution of solar energy resources in the whole county shows a gradual decrease from southwest to northeast，and the total solar irradiance on the horizontal plane during the year follows a normal distribution，belonging to the stability level C （i.e. \"general\"） of China's solar energy resources. 3） The available land area for PV power generation in the county accounts for 31.71% of the total area，and the technical exploitable amount of PV power generation is 21075 MW，mainly concentrated in the area with a total solar irradiance of 2000～2200 kWh/m2. From this，it can be seen that there is great potential for the development of solar energy resources in Huade County，and the development potential of PV power generation is enormous. The research results can provide technical support and scientific basis for the development of solar energy resources and the construction of PV power stations in Huade County in the future.

Keywords：solar energy resource evaluation；PV power generation；solar radiation；total solar irradiance；technical exploitable amount