城市太陽能光伏地圖開發(fā)應(yīng)用及關(guān)鍵技術(shù)

■ 徐福圓 章堅民,2* 徐謙 相煒 方宇斌

(1. 杭州電子科技大學(xué)自動化學(xué)院；2. 浙江創(chuàng)維自動化工程有限公司；3. 國網(wǎng)浙江省電力公司經(jīng)濟(jì)技術(shù)研究院)

0 引言

城市是電力負(fù)荷集中地，而建筑又是用電用能集中地，為減少石化資源發(fā)電及長距離的電力輸送，城市的可再生能源利用與發(fā)電就成為關(guān)鍵所在，其中屋頂太陽能利用包括光伏發(fā)電，不僅技術(shù)可行且可規(guī)模化開發(fā)。屋頂太陽能潛力可采用年平均太陽能輻射表征，其數(shù)值獲取與屋頂?shù)乩砣S坐標(biāo)有關(guān)(包括經(jīng)緯度、屋頂高度、地面海拔)，也與屋頂日照遮影密切相關(guān)。

為適應(yīng)大規(guī)模城市屋頂太陽能資源的開發(fā)和利用，通過各類遙感及計算技術(shù)獲取城市屋頂日照及陰影狀態(tài)，并建立網(wǎng)站公開發(fā)布信息，同時提供太陽能開發(fā)方式選擇、投資與收益評估等重要信息，為屋頂擁有者或開發(fā)承包商提供公開的引導(dǎo)服務(wù)，已成廣大城市能源規(guī)劃和管理部門的優(yōu)先選擇。

在這方面，美國已大幅領(lǐng)先于全球。根據(jù)美國的統(tǒng)計，70%的電力負(fù)荷為建筑使用；同時，美國終端用能采用電力方式比例相當(dāng)高，因此屋頂太陽能利用主要不是采用太陽能熱水方式，而是采用光伏發(fā)電方式。

基于現(xiàn)代遙感技術(shù)的屋頂太陽能及光伏資源的準(zhǔn)確預(yù)測包括：光照、遮影、光伏電板角度等與建筑光伏密切有關(guān)的參數(shù)的精確獲取與計算，所在樓宇屋頂?shù)陌l(fā)電裝機(jī)、功率特性、能量特性等的設(shè)計，結(jié)合政府補(bǔ)貼政策的造價估計等，均得到了較為充分的研究和應(yīng)用。

本文對美國典型光伏服務(wù)網(wǎng)站進(jìn)行介紹，對建設(shè)類似系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行分析和綜述，冀以推動國內(nèi)進(jìn)行類似系統(tǒng)的研究開發(fā)與應(yīng)用。

1 美國典型太陽能光伏地圖網(wǎng)站介紹

1.1 舊金山城市能源(光伏)地圖

舊金山光伏地圖(http://sfenergymap.org/)由舊金山環(huán)保局和美國西圖公司聯(lián)合開發(fā)，提供了舊金山市太陽能及風(fēng)能資源的分布概況、相應(yīng)的資訊鏈接和詳細(xì)資源參數(shù)，以幫助業(yè)主更好地了解可再生能源資源，學(xué)習(xí)如何安裝可再生能源系統(tǒng)。

在城市地理圖中，用標(biāo)記識別城市中現(xiàn)有的太陽能光伏(PV)裝置和太陽能水加熱裝置，點擊標(biāo)記就可看到該地相關(guān)的太陽能開發(fā)利用運行信息。舊金山太陽能分布圖(圖2)中以多種顏色的圓圈標(biāo)注，不同顏色類別的圓圈標(biāo)注表示市政、商業(yè)區(qū)、居民區(qū)、學(xué)校等各類。該系統(tǒng)可估算太陽能潛力，只要在圖2地址欄里輸入相應(yīng)地區(qū)并點擊“get my info”，就可顯示該地的太陽能潛力、預(yù)計全年系統(tǒng)輸出、相關(guān)的能源節(jié)約，以及預(yù)計每年溫室氣體排放減少量(圖3)。

圖1 城市屋頂太陽能資源展示

圖2 輸入建筑地址可獲取PV的估計

圖3 某屋頂?shù)墓夥l(fā)電參數(shù)及發(fā)電預(yù)測

該系統(tǒng)可快速地對太陽能成本進(jìn)行簡單評估(圖4)，并對結(jié)果進(jìn)行分析，包括：財務(wù)匯總、各月費用清單、各月用電預(yù)算、各月發(fā)電估算、資金流動、環(huán)境保護(hù)等方面。在地圖的右下角還可看到舊金山太陽能光伏現(xiàn)狀，包括：裝置數(shù)、總?cè)萘?、預(yù)計年發(fā)電量、預(yù)計年節(jié)約成本及預(yù)計年CO2排放減少量。

圖4 太陽能潛力的分布

1.2 洛杉磯縣光伏地圖

洛杉磯縣太陽能光伏地圖(http://solarmap.lacounty.gov/)基于世界上最精確的大型太陽能模型開發(fā)，最小間隔為5英尺。該系統(tǒng)中包含了250多萬的獨立測量數(shù)據(jù)，包括：樹木陰影、屋頂用途(煙囪、其他等)、屋頂間距、附近建筑物、山地等。該系統(tǒng)具有一些新的功能：1)放大查看屋頂哪些部位具有良好的輻射條件；2)校準(zhǔn)屋頂上太陽能點；3)打印報告結(jié)果；4)查看三維建筑的太陽輻照結(jié)果；5)獲得能源補(bǔ)貼和獎勵的最新消息和公告；6)查看房屋的鳥瞰圖；7)放大查看屋頂?shù)奶柲軡摿Ψ植迹?)使用新的能源效率計算器估算每月成本節(jié)??；9)獲得能源效益項目的清單等。如圖4所示，以不同顏色的點來表示屋頂不同部位的光照情況，紅、黃、綠、藍(lán)分別表示光照優(yōu)越、良好、貧乏、不可取4種情況。另外該系統(tǒng)給每個屋頂設(shè)置了一個ID編號，點擊屋頂上的編號即可顯示該樓所在地區(qū)、該地區(qū)總屋頂面積，以及該樓屋頂進(jìn)行太陽能發(fā)電的一些基本狀況(如太陽能屋頂適宜覆蓋的面積、預(yù)估的發(fā)電潛力、年發(fā)電量等)。目前洛杉磯政府甚至還開發(fā)了功能相對較完善的手機(jī)客戶端。

2 太陽能光伏制圖方法與對比分析

2.1 一般對比

表1為對美國現(xiàn)發(fā)布的太陽能潛力地圖網(wǎng)站調(diào)研表，2012年有11個，2013年增加到13個。由表1可見，有3種典型的預(yù)測方法計算屋頂輻射及相關(guān)的光伏潛力。在2012年，被調(diào)查的地圖中有3個(27%)對太陽輻射到達(dá)建筑屋頂采用了一個固定值假設(shè)；只有1個(9%)使用美國國家可再生能源實驗室(NREL)的PVWatts計算模塊(Marion等[1])；另5個(45%)使用Esri公司ArcGis程序(Fu等[2])中的Solar Analyst擴(kuò)展插件；其余地圖則沒有介紹其計算方法。在2013年，有2個地圖轉(zhuǎn)變?yōu)橛肞VWatts作為其預(yù)測方法。2013年存在的13個地圖中，39%(Anaheim、Denver、Madison、Sacramento 和 Orlando)需要手工輸入坡度、方位和系統(tǒng)容量，這些地圖不會自動生成太陽能潛力圖。

這些太陽能潛力圖有些是以太陽輻射強(qiáng)度在圖中顯示，也有些是以預(yù)估的PV潛力值(PV出力及PV發(fā)電量)展示。除了這些已存在的太陽能潛力地圖，還有一些在研究中出現(xiàn)的方法。R.sun(Suri和Hofierka[3]，2004)已用于大的地理區(qū)域和城市太陽能潛力制圖，但還沒有用于如表1中城市規(guī)模發(fā)布的太陽能潛力制圖應(yīng)用。還有諸如 PV Analyst(Choi等[4]，2011)、PV-GIS(Suri等[5]，2005)及一系列其他太陽輻射和光伏計算方法。

表1 美國現(xiàn)有的太陽能潛力制圖方法的調(diào)查

表2 現(xiàn)有的常見太陽能潛力計算方法對比分析

2.2 屋頂太陽能潛力影響因子及計算方法對比

主要考慮的影響太陽能潛能的因子包括：1)太陽輻射值，包括直接輻射和散射輻射，以及它們的百分比；2)鄰近建筑和景觀的遮陰；3)屋頂朝向和坡度；4)氣象條件等。

采用固定值假設(shè)的太陽能潛力圖忽略朝向和周圍環(huán)境的影響，屋頂上所有點的太陽輻射值相同，該值取自附近氣象站的全球水平的年輻射D量。對于非平屋頂，如尖屋頂?shù)慕ㄖ總€屋面是面朝天空的不同方向，該方法預(yù)測的太陽輻射值不準(zhǔn)確；另外周圍遮擋屋頂?shù)臉淠竞拖噜徑ㄖ彩惯@種方法給出的結(jié)果不準(zhǔn)確。這種方法通常使用一個常量百分比(Oregon Clean Energy Maps，2012[6])或基于正射影像圖像分析技術(shù) (San Francisco Solar Map，2012[7]；Berkey Soral Map，2012[8])確定光伏裝置的可利用屋頂面積。

美國國家可再生能源實驗室(NREL)的PVWatts在線服務(wù)使用一個更為詳細(xì)的方法(Marion等[1]，2001)，在美國全境范圍內(nèi)根據(jù)典型氣象年(Typical Meteorological Year 2，TMY2)數(shù)據(jù)庫將每小時的太陽輻射分布在40 km2的網(wǎng)格中。將當(dāng)?shù)氐腡MY2輻射數(shù)據(jù)結(jié)合手工輸入的PV板傾角和朝向、溫度條件和氣候模型來確定能源輸出。盡管該方法已考慮到了屋頂形狀，但諸如遮陰、反射等因素，PVWatts模型并不能計算，因此不適應(yīng)建筑密集的城市地區(qū)等。Cameron等[9](2008)使用無遮陰的機(jī)架式系統(tǒng)測量的數(shù)據(jù)，對PVWatts的誤差進(jìn)行了計算估計，其結(jié)論表明，PVWatts準(zhǔn)確度的平均偏差在9.6%～10.2%之間。另外， PVWatts的方法，每個不同坡度和方位的屋頂必須單獨輸入，因此難以自動處理整個城市。目前只有紐約市太陽能地圖(2013)可自動處理整個城市，而其他所有地圖使用PVWatts均不能自動執(zhí)行。

Esri公司的Solar Analyst插件將城市描繪成數(shù)字高程模型(Digital Elevation Modeling，DEM)。DEM是一個具有地理定位功能的柵格圖像，其各像素值對應(yīng)于高程測量值。根據(jù)DEM中每個像素周圍的像素值生成天空掩膜(MASK，對處理的圖像進(jìn)行遮擋而選用的特定圖像、物體稱為掩膜)，輻射的直接部分和散射部分都根據(jù)天空可見像素的像素數(shù)計算。直接輻射根據(jù)太陽位置、DEM斜角、固定的天空透射率系數(shù)及太陽光穿過大氣的距離計算。散射輻射計算和直接輻射計算類似，基于某種同等條件下的氣象模型，只是尚未有太陽能地圖在網(wǎng)站上說明其使用了哪種氣象模型。因為Solar Analyst只使用了基于DEM的一個天空掩膜，所以它并不能對附近建筑、樹木、城市地形的反射輻射進(jìn)行建模。在Solar Analyst，天空透射率及直射和散射輻射量之間的比率全年都是固定的常數(shù)值，這些假設(shè)對年輻射計算結(jié)果有較大影響；波士頓洛根TMY3氣象數(shù)據(jù)(美國國家能源局United States Department of Energy，2012)[10]表明，直接和間接輻射的比率在全年范圍內(nèi)變化非常大。設(shè)想某地上午晴天下午陰天，該地建筑東側(cè)的太陽輻射接收量顯然比西側(cè)接收量多，而對這種特異氣象Solar Anaylst不能處理。

R.sun(Suri和Hofierka[3]，2004)是在開源軟件GRASS GIS上實施建模，能解決Solar Analyst模型中提到的局限性。相比于Solar Analyst，一個主要的區(qū)別是R.sun能夠通過根據(jù)不同的氣候帶設(shè)置直接輻射和散射輻射的百分比作為柵格圖像的輸入，而不是像在Solar Analyst中的固定值，因此可模擬非常大的地理區(qū)域內(nèi)的太陽輻射。第二個顯著的區(qū)別是，R.sun能對地面反射的太陽輻射做出規(guī)定；然而，它的模型假定所有地面反射只考慮地面坡度、全球水平輻射和地面反射率，而未考慮地面有無遮陰部分，也未考慮環(huán)境中的實際幾何形狀。R.sun也有其顯著的局限性：1)R.sun在一個時間只能模擬單日或單小時輻射，這意味著一個詳細(xì)的年度計算至少需要建立365個光柵結(jié)果圖并且獨立處理。2)直射和散射輻射的百分比只能設(shè)置為光柵圖像輸入而不能作為固定值，這意味著對于模擬一個小的地理區(qū)域(例如一個城市)，它對氣候影響的建模不方便。為了模擬典型的日變化，則需要單獨建立一年中每日的直射和散射百分比的柵格圖像；若要考慮典型的每小時變化，正如前所述的某地早上晴天下午陰天，則需要創(chuàng)建一年中每小時的柵格圖像。同樣地，該方法也未公開其具體的計算公式。

除了上述討論的方法，也有很多文獻(xiàn)提出使用地理信息系統(tǒng)(GIS)數(shù)據(jù)和多種仿真程序來分析城市和社區(qū)的光伏潛力。PV-GIS是一個基于web的工具，它用測量的直射和散射月平均輻射柵格圖像改進(jìn)的R.sun計算模型作為其氣象數(shù)據(jù)源。PV Analyst結(jié)合瞬時系統(tǒng)模擬程序TRNSYS(Transient System Simulation Program)，于Esri的ArcMap工具箱中在DEM上模擬PV板，表明已驗證的算法在太陽能潛力模型中的應(yīng)用，但該工具還有待發(fā)布。PV Analyst依賴于Solar Analyst的陰影計算及TRNSYS的輻射和PV效益計算。其他人(Brito等[11]，2012；Nguyen和Pearce，2010[12]和2012[13])也有使用R.sun的月平均直射和散射數(shù)據(jù)計算相對較小城市的光伏潛力。Hofierka等(2009)[14]也進(jìn)行了相同的實踐，但未指出氣候影響。然而，R.sun已經(jīng)很大程度地應(yīng)用到了非常大的地區(qū)，如歐洲和非洲 (Suri等[5]，2005；Bergamasco 等[15]，2011；Huld 等[16]，2012；Ruiz-Arias等[17]，2012；Palmas等[18]，2012)，且以柵格為基礎(chǔ)的輸入方法表明該工具是最適合大地理區(qū)域的。Lukac等[19](2012)根據(jù)測量的氣象數(shù)據(jù)、屋頂朝向和坡度以及鄰近建筑和景觀的遮陰計算直接和散射輻射。Schallenberg-Rodriguez[20](2013)避免使用仿真系統(tǒng)，表明對于區(qū)域可行性的研究，相對簡單的電子表格計算已足夠；然而，對于空間詳細(xì)的建筑屋頂分析，這些方式大都不能計算周圍環(huán)境產(chǎn)生的陰影。

在調(diào)查的太陽能潛力的地圖中，4個(28.6%)假設(shè)全市所有建筑都是高度已知的平屋頂；4個(28.6%)使用了詳細(xì)的DEM；5個(35.7%)依賴于用戶的輸入的屋頂坡度和朝向；而其余的地圖沒有提及其假設(shè)。用平屋頂假設(shè)的城市，2個是假定固定百分比的屋頂適合安裝光伏(Boston，Portland)；另2個則是依賴于對屋頂障礙進(jìn)行正射影像圖像分析的方法(Berkeley，San Francisco)，這兩個地圖利用DEM通過預(yù)計的屋頂輻射或年日照小時數(shù)確定可用屋頂面積。

2.3 城市數(shù)字高程測量(DEM)技術(shù)

DEM的高程測量值通常來自激光雷達(dá)LiDAR(Light Detection And Ranging)，是90年代初首先由西方國家發(fā)展起來并投入商業(yè)化應(yīng)用的一門新興技術(shù)。它集成激光測距技術(shù)、計算機(jī)技術(shù)、慣性測量單元(IMU) /DGPS差分定位技術(shù)于一體，在三維空間信息的實時獲取方面產(chǎn)生了重大突破，為獲取高時空分辨率地球空間信息提供了一種全新的技術(shù)手段。它具有自動化程度高、受天氣影響小、數(shù)據(jù)生產(chǎn)周期短、精度高等特點。機(jī)載LiDAR傳感器發(fā)射的激光脈沖能部分穿透樹林遮擋，在測量時飛行器發(fā)射快速激光脈沖并記錄發(fā)出與返回時間，同時通過全球定位系統(tǒng)(GPS)跟蹤其位置；所收集的位置和時間返回數(shù)據(jù)之后將處理成地理定位點數(shù)據(jù)。實際上，LiDAR是測量整個城區(qū)面積最準(zhǔn)確的方法，包括了詳細(xì)的屋頂形態(tài)和景觀。因此大多數(shù)的城區(qū)太陽能潛力研究中使用LiDAR點數(shù)測量值建立數(shù)字高程模型作為太陽輻照度計算的輸入(Brito等[11]，2012；Nguyen 等[12,13]，2010 和 2012；Yimprayoon 等[21]，2010；Lukac 等[19]，2012；MadiSUN[22]，2012；Geostellar[23]，2013)。

3 總結(jié)與展望

從查閱的資料和網(wǎng)站來看，太陽能光伏地圖已在美國得到較為深入的研究，并在城市光伏開發(fā)和利用方面起到很大作用?；谙冗M(jìn)的遙感技術(shù)和地理信息系統(tǒng)技術(shù)，通過建筑物，尤其是考慮到各類遮蔭的屋頂太陽日照的精確計算、已建成的電站公開其運行及收益累計數(shù)據(jù)等，為屋頂業(yè)主、光伏開發(fā)商、城市能源規(guī)劃與政策制定機(jī)構(gòu)等提供了極大地推動作用。

建筑日照測量，顯然是太陽能光伏的關(guān)鍵技術(shù)，國外廣泛應(yīng)用機(jī)載LiDAR用于城市屋頂太陽能潛能測算，但中國在該方面仍處于嘗試階段[24,25]，因此與發(fā)達(dá)國家仍存在較大距離。另外，屋頂光伏作為分布式電源，對城市公共配電網(wǎng)也形成了很大沖擊；無論分布式發(fā)電在何地以何種形式開發(fā)，城市公共電網(wǎng)才是大規(guī)模開發(fā)應(yīng)用分布式發(fā)電的載體、依托和依靠[26]。對于城市配網(wǎng)規(guī)劃和建設(shè)部門而言，研究城市屋頂光伏資源分布，尤其是大規(guī)模開發(fā)潛力，才能提出配電網(wǎng)適應(yīng)性規(guī)劃。遺憾的是，國外投運的光伏地圖均沒有涉及到就地負(fù)荷及城市配電網(wǎng)的現(xiàn)狀，因此太陽能光伏地圖還需要進(jìn)一步擴(kuò)展其功能。

中國公開的光伏地圖很少，如www.pvmap.net只提供少數(shù)愿意公開的光伏電站資料；光伏寶www.pvbao.net可提供所選擇的開發(fā)點距離最近的已公開的運行光伏站的一些資料，其光伏站設(shè)計功能需要輸入許多選擇項(包括光伏板選型及串并拓?fù)?、安裝朝向及傾角、逆變器選型等)后給出逐月發(fā)電量估計，因此功能相對簡單，不能達(dá)到為一個城市大規(guī)模屋頂光伏開發(fā)依據(jù)或引導(dǎo)的作用。

中國要進(jìn)行城市屋頂光伏大規(guī)模開發(fā)，政府的作為和功能尤其關(guān)鍵；光伏地圖作為一種技術(shù)手段，起到新能源開發(fā)利用引導(dǎo)和信息服務(wù)作用，需要預(yù)先資金投入和信息資源整合，應(yīng)作為智慧城市的一個重要模塊，由政府能源管理部門負(fù)責(zé)建設(shè)、維護(hù)；美國的實踐也證實了這點。

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