雷 鳴，韋關(guān)祥，趙 青

(中國電建集團(tuán)西北勘測設(shè)計(jì)研究院有限公司，西安 710065)

0 引言

2020年9月，中國明確提出2030年碳達(dá)峰與2060年碳中和的目標(biāo)(即“雙碳”目標(biāo))，光伏發(fā)電作為實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)的重要方式之一，已經(jīng)進(jìn)入全新的發(fā)展階段，即將迎來新的10年黃金發(fā)展期。

2022年，光伏發(fā)電項(xiàng)目規(guī)劃被寫入了中國22個(gè)省(區(qū)、市)的省級(jí)政府工作報(bào)告。根據(jù)浙江、山東、內(nèi)蒙古、河北、甘肅、四川、天津、青海等20個(gè)省(區(qū)、市)已發(fā)布的新能源發(fā)展規(guī)劃報(bào)告，“十四五”期間這20個(gè)省(區(qū)、市)規(guī)劃的光伏發(fā)電新增裝機(jī)規(guī)模合計(jì)約280 GW，其中，山東、內(nèi)蒙古、河北、甘肅和青海這5個(gè)省(區(qū))規(guī)劃的光伏發(fā)電新增裝機(jī)規(guī)模分別為34.28、32.62、32.10、32.03、30.00 GW。

近年來，隨著光伏電站的大規(guī)模建設(shè)，光伏發(fā)電項(xiàng)目開發(fā)遇到的“用地難”問題成為制約“雙碳”目標(biāo)實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵因素。光伏電站建設(shè)前期傳統(tǒng)的宏觀選址方法多以“現(xiàn)場走訪—選地圈地—初步測算場址范圍”為主，選地圈地后，電站方的資源工程師需要攜帶圈選得到的范圍結(jié)果到自然資源局、林草局、水利局、環(huán)保局等政府部門逐一落實(shí)環(huán)境敏感性區(qū)域，然后再對(duì)圖紙進(jìn)行調(diào)整，從而初步測算場址范圍。此種方法存在以下缺點(diǎn)：1)資源工程師需要在與各個(gè)政府部門對(duì)接過程中，反復(fù)對(duì)圈選的場址進(jìn)行核對(duì)與修改，存在大量重復(fù)工作，工作效率較低，篩選場址進(jìn)度慢；2)項(xiàng)目投資方與資源工程師對(duì)所選地地形地貌并不熟悉，場址的初選位置主要依賴于當(dāng)?shù)叵驅(qū)В驅(qū)в捎谌狈I(yè)知識(shí)，常導(dǎo)致所推薦的場址不理想，影響項(xiàng)目進(jìn)度及后期收益；3)選取的場址區(qū)域往往小于該地區(qū)實(shí)際可開發(fā)利用的范圍，導(dǎo)致場址范圍通常偏小。

由于存在上述缺點(diǎn)和局限性，導(dǎo)致該選址方法較適用于小規(guī)模、小區(qū)域光伏電站的宏觀選址，不適用于現(xiàn)階段以縣、市、省甚至大流域?yàn)閱挝坏拇笠?guī)模光伏電站的宏觀選址工作。鑒于此，本文提出一種基于地理信息系統(tǒng)(GIS)技術(shù)的大規(guī)模光伏電站宏觀選址方案，該方案是將GIS技術(shù)與Candela3D軟件快速布置光伏組件的功能相結(jié)合，以期為今后大規(guī)模光伏電站建設(shè)前期的宏觀選址提供新思路。

1 光伏電站宏觀選址

光伏電站的宏觀選址首先需要考慮坡度、坡向、陰影、匯水區(qū)域和資源條件，一般情況下，光伏陣列的布置應(yīng)保證當(dāng)?shù)囟寥照嫣枙r(shí)09:00～15:00時(shí)段內(nèi)前、后、左、右的光伏組件互不遮擋。其次，需要充分考慮并有效避開自然保護(hù)區(qū)、壓覆礦、生態(tài)紅線、基本農(nóng)田、水源保護(hù)地及風(fēng)景區(qū)等環(huán)境敏感性區(qū)域，并使規(guī)劃項(xiàng)目與環(huán)境敏感性區(qū)域之間留有一定的避讓距離作為緩沖，避免后期由于場平時(shí)工人操作不當(dāng)、施工期偶遇極端氣候等原因擾動(dòng)環(huán)境敏感性區(qū)域。

2 工作思路

在GIS技術(shù)下使用Python語言對(duì)地形數(shù)據(jù)進(jìn)行處理[1-2]，利用處理結(jié)果再結(jié)合大規(guī)模光伏電站的光伏組件布置方式，由計(jì)算機(jī)執(zhí)行光伏電站的宏觀選址，從而實(shí)現(xiàn)大規(guī)模光伏電站選址規(guī)劃高效快捷及項(xiàng)目發(fā)電收益最大化的目標(biāo)。大規(guī)模光伏電站宏觀選址的具體步驟如下：

1)以省界、市界、縣界或給定區(qū)域?yàn)檫吔缱鳛楣夥娬窘ㄔO(shè)的目標(biāo)區(qū)域，獲取該區(qū)域內(nèi)的矢量地形數(shù)據(jù) (ASTER、STRM3數(shù)據(jù)或?qū)崪y地形數(shù)據(jù)等)、太陽能資源數(shù)據(jù)，以及環(huán)境敏感性區(qū)域的分布圖。

2)將矢量地形數(shù)據(jù)柵格化生成由柵格點(diǎn)組成的數(shù)字高程模型(DEM)，逐步進(jìn)行坡度、坡向、陰影、匯水區(qū)等分析，生成可用地形區(qū)域。

3)針對(duì)基本農(nóng)田、礦產(chǎn)資源、自然保護(hù)區(qū)、公益林、水源保護(hù)區(qū)、生態(tài)保護(hù)紅線等環(huán)境敏感性區(qū)域的分布圖進(jìn)行分析計(jì)算，生成緩沖帶，篩選出可用場址區(qū)域。

4)對(duì)太陽能資源進(jìn)行分析，將年總輻射量大于1050 kWh/m2的區(qū)域生成資源可用區(qū)域。

5)以最小裝機(jī)規(guī)?；蜃钚≌鞯孛娣e為閾值對(duì)項(xiàng)目初選的可用場址區(qū)域進(jìn)行篩選，通過Python語言對(duì)不滿足要求的場址進(jìn)行剔除，將滿足要求且距離相近的場址進(jìn)行合并。

6)采用Candela3D軟件進(jìn)行光伏組件布置，并匯總最終結(jié)果，從而得出規(guī)劃區(qū)域內(nèi)光伏電站直流側(cè)裝機(jī)規(guī)模。

大規(guī)模光伏電站宏觀選址流程圖如圖1所示。

圖1 大規(guī)模光伏電站宏觀選址流程圖Fig. 1 Flow chart of macro site selection of large-scale PV power station

3 GIS技術(shù)和Candela3D軟件的光伏組件布置方法在宏觀選址中的應(yīng)用

3.1 太陽能資源分析

太陽能資源的豐富程度是光伏電站發(fā)電收益的重要決定因素之一。首先對(duì)初選的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行太陽能資源甄選，將太陽能資源條件好的區(qū)域作為資源可用區(qū)域。在甄選時(shí)重點(diǎn)考慮總太陽輻射量GHI，其是地球表面某一觀測點(diǎn)水平面上接收的太陽直射輻射量DNI與太陽散射輻射量DHI的總和。水平面上接收的總太陽輻射量的計(jì)算公式為：

年總太陽輻射量的等級(jí)劃分[3]如表1所示。

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表1 年總太陽輻射量的等級(jí)劃分Table 1 Classification of annual total solar radiation

為保證規(guī)劃的光伏電站的發(fā)電收益，在宏觀選址時(shí)只考慮A、B、C類資源區(qū)域，將D類資源區(qū)域劃為限建區(qū)。

3.2 用地政策分析

光伏發(fā)電項(xiàng)目規(guī)劃必須滿足自然資源部辦公廳、國家林業(yè)局和草原局辦公室、國家能源局綜合司印發(fā)的《關(guān)于支持光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展規(guī)范用地用林用草管理有關(guān)工作的通知》(征求意見稿)的要求，將自然保護(hù)區(qū)、森林公園、基本農(nóng)田、生態(tài)紅線、水源保護(hù)區(qū)、有林地、疏林地、未成林造林地、采伐跡地、火燒跡地，以及年降雨量400 mm以下區(qū)域覆蓋度高于30%的灌木林地和年降雨量400 mm以上區(qū)域覆蓋度高于50%的灌木林地劃定為光伏發(fā)電項(xiàng)目限建區(qū)域。

3.3 坡度及坡向分析

平坦地形或緩坡山地均可作為光伏電站的場址，為保證光伏組件整體發(fā)電量及土地利用率，需對(duì)不同坡向分別設(shè)置極限坡度?？紤]到光伏電站的經(jīng)濟(jì)性及光伏組件之間的相互遮擋問題，在山地光伏電站布置光伏組件時(shí)，所選場地的南坡、東坡、西坡、北坡的坡度宜分別控制在 30°、10°、10°及 5°以內(nèi)。

采用平面坡度算法[4]計(jì)算i處的坡度θi，計(jì)算式為：

式中：Δh為i處柵格點(diǎn)與各個(gè)方向相鄰柵格點(diǎn)的最大高差；Δd為i處柵格點(diǎn)與最大高差柵格點(diǎn)的距離差。

坡向由計(jì)算得到的坡度值來判斷。

3.4 陰影分析

在山地光伏電站規(guī)劃光伏陣列的布置時(shí)，必須考慮周邊山體對(duì)陣列的陰影遮擋，將冬至日09:00～15:00時(shí)因山體形成的陰影區(qū)域繪制為限建區(qū)域[5]。山體陰影值Hs的計(jì)算式為：

3.5 匯流區(qū)分析

考慮到光伏組件的安全性，光伏電站場址不應(yīng)布置于洪水沖擊區(qū)域，不宜布置在匯水區(qū)域。采用D8單流向算法對(duì)無凹陷的DEM地形進(jìn)行分析，找出匯水區(qū)域，形成不可用區(qū)域[6]，其中，水流方向由每個(gè)像素單元最陡坡度決定。最陡坡度的計(jì)算式為：

式中：Sl(i)、a(i)、d(i)分別為坡度為i時(shí)的斜率、高程、距離，i的取值可選 0°、45°、90°、135°、180°、225°、270°、315°；z為原點(diǎn)高程。

3.6 可用區(qū)域分析

可用區(qū)域可通過式(5)對(duì)光伏電站建設(shè)時(shí)的目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行遍歷得到，即：

式中：(x,y)為目標(biāo)區(qū)域的柵格點(diǎn)的坐標(biāo)，Ux,y=1時(shí)的集合為可用區(qū)域；Ax,y=1的集合為光伏電站建設(shè)的目標(biāo)區(qū)域；Tx,y=1的集合為不滿足坡度要求的區(qū)域；Rx,y=1的集合為不滿足政策要求的區(qū)域；Dx,y=1的集合為被山體陰影遮擋的區(qū)域；Mx,y=1的集合為匯水區(qū)域；Sx,y=1的集合為太陽能資源為D類的資源不可用區(qū)域。

3.7 裝機(jī)規(guī)模分析

Candela3D是由坎德拉(北京)科技有限公司基于著名的SketchUp三維設(shè)計(jì)平臺(tái)開發(fā)的光伏發(fā)電系統(tǒng)三維設(shè)計(jì)軟件。該軟件適用于平坦地形及復(fù)雜山地的光伏電站，可以在生成的三維模型中進(jìn)行光伏組件的布置、修改。

通過給定的擬選光伏組件參數(shù)、光伏方陣基本參數(shù)，利用Candela3D軟件在GIS技術(shù)下生成的可用區(qū)域范圍內(nèi)對(duì)光伏組件進(jìn)行快速排布。利用自動(dòng)定間距功能快速布置并自動(dòng)進(jìn)行光伏組件間的陰影校核，刪除被遮擋的光伏組件。最終得出規(guī)劃場址區(qū)域內(nèi)光伏電站的直流側(cè)裝機(jī)規(guī)模。

4 案例分析

以某區(qū)域作為目標(biāo)區(qū)域，分析在該區(qū)域進(jìn)行的大規(guī)模光伏電站宏觀選址。

該區(qū)域的海拔在3320～5771 m之間，屬于典型山地地形。該區(qū)域的太陽能資源豐富，夏半年(春季、夏季)的總太陽輻射量多于冬半年(秋季、冬季)的，夏半年的總太陽輻射量一般占全年的60%左右。其中，春季的最大，占全年的30%左右；冬季的最小，僅占全年的18%～20%。

采用Solargis數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)區(qū)域的太陽能資源分析，該區(qū)域的年總太陽輻射量情況如圖2所示。

圖2 目標(biāo)區(qū)域的年總太陽輻射量情況Fig. 2 Annual total solar radiation in the target area

從圖2中可以看出：目標(biāo)區(qū)域的年總太陽輻射量在874～1790 kWh/m2之間，擬選取年總太陽輻射量在1057～1790 kWh/m2之間的區(qū)域作為資源可用區(qū)域。

利用分辨率為90 m×90 m的地理高程數(shù)據(jù)SRTM3數(shù)據(jù)對(duì)目標(biāo)區(qū)域的地形進(jìn)行坡度、坡向、陰影、匯水等的分析，并3D建模。匯水分布和陰影分析的3D建模結(jié)果如圖3所示。

圖3 匯水分布和陰影分析的3D建模結(jié)果Fig. 3 3D modeling results of catchment distribution and shadow analysis

通過綜合太陽能資源可用區(qū)域及坡度、坡向、陰影分析、匯水分布等的分析結(jié)果，排除基本農(nóng)田、礦產(chǎn)資源、自然保護(hù)區(qū)、公益林、水源保護(hù)區(qū)、生態(tài)保護(hù)紅線等環(huán)境敏感區(qū)域后，得到可用光伏電站場址區(qū)域；然后設(shè)置最小光伏組件布置區(qū)域的面積閾值，剔除零星瑣碎的小片區(qū)域，從而提高土地利用率，并減少工程成本。最終的光伏電站場址規(guī)劃區(qū)域共18個(gè)地塊(地塊0～地塊17)，具體如圖4所示。

圖4 光伏電站場址規(guī)劃區(qū)域Fig. 4 Planning area of PV power station site

本文僅針對(duì)地塊6進(jìn)行光伏組件布置及裝機(jī)規(guī)模測算。該地塊可用面積為19.23 km2，平均海拔為4017 m，年總太陽輻射量在1527～1651 kWh/m2之間。光伏電站的設(shè)置如下：采用固定式光伏支架，支架傾角為25°，光伏組件最低點(diǎn)距地高度為0.5 m；采用545 Wp雙面雙玻單晶硅光伏組件，組件尺寸為2256 mm×1133 mm×35 mm；26塊光伏組件組成 1串光伏組串，每個(gè)光伏支架上放置1串光伏組串。利用Candela3D軟件進(jìn)行光伏組件的快速布置，布置結(jié)果如圖5所示，得出地塊6的總裝機(jī)規(guī)模約為100萬kW。

圖5 地塊6的光伏組件布置圖Fig. 5 Layout of PV modules on block 6

5 結(jié)論

本文提出了一種基于GIS技術(shù)的大規(guī)模光伏電站宏觀選址方案，該方案充分考慮了太陽能資源條件、坡度、坡向、陰影、匯水區(qū)及環(huán)境敏感區(qū)對(duì)光伏電站開發(fā)的影響，利用Python語言在GIS中實(shí)現(xiàn)地形自動(dòng)篩查，將篩選結(jié)果輸入Candela3D軟件進(jìn)行光伏組件快速布置，從而快捷高效地得到滿足要求的光伏電站場址及裝機(jī)規(guī)模。該方案尤其適用于以縣、市、省甚至大流域?yàn)閱挝坏拇笠?guī)模光伏電站的選址工作。選取的光伏電站場址較準(zhǔn)確、可靠，能滿足光伏電站的宏觀選址要求。

需要說明的是，地形分辨率很大程度的影響了坡度分析、坡向分析、陰影分析及光伏組件布置的結(jié)果，采用更高分辨率的遙感數(shù)據(jù)所得出的結(jié)果更精準(zhǔn)可靠。ASTER、STRM3地形數(shù)據(jù)分辨率分別為 30 m×30 m、90 m×90 m，該分辨率僅適合于大規(guī)模光伏電站宏觀選址。針對(duì)后期精細(xì)化地形篩選則需要1:1000及以上比例尺的實(shí)測地形圖數(shù)據(jù)。