運用無人機技術進行分布式光伏資源快速識別的方法研究

文/李俊楠 吳佳

黨的二十大報告中提出了“積極穩(wěn)妥推進碳達峰碳中和”的發(fā)展方針，明確以“雙碳”工作為總牽引，深化綠色能源結構轉型。分布式光伏發(fā)電因其良好的消納和電價優(yōu)勢迎來了快速發(fā)展，但在實際開發(fā)規(guī)劃時缺乏有效評估手段。文章提出了一種區(qū)域分布式光伏資源稟賦快速識別和統(tǒng)計的方法，運用無人機航拍和衛(wèi)星地理信息融合的方式實現(xiàn)目標區(qū)域的數(shù)字化建模，利用該方法對崇明島漁光互補光伏資源進行調研，實現(xiàn)了分布式光伏資源稟賦的分類統(tǒng)計，為開發(fā)規(guī)劃、項目投資、電網(wǎng)配套規(guī)劃等提供依據(jù)。

習近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會上鄭重宣布：中國將采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力爭于2030年前達到峰值，努力爭取2060 年前實現(xiàn)碳中和?！笆奈濉睍r期是我國勝利實現(xiàn)第一個百年奮斗目標后，乘勢而上，向第二個百年奮斗目標進軍的第一個五年。世界發(fā)展大格局下，氣候、環(huán)境及能源問題日益嚴峻，能源環(huán)境、能源安全和能源成本是能源發(fā)展過程中無法逃避且必須給出答案的三個課題。優(yōu)先開發(fā)可再生能源、提升新能源利用率是當前世界各國找到的為加快能源轉型、實現(xiàn)能源高質量發(fā)展的共同途徑。近十幾年來，分布式光伏、分散式風電、智能電網(wǎng)等技術進入了飛速發(fā)展時期，分布式能源布局的靈活性和經(jīng)濟性優(yōu)勢日益彰顯，使得“電從身邊來”這一創(chuàng)想從理念轉變成為現(xiàn)實，分布式能源的發(fā)展也更好地滿足了區(qū)域內就近客戶的用電需求。中國未來的能源規(guī)劃發(fā)展，強調的是可再生能源集中式開發(fā)與分散式利用并舉，陸上與海上并舉，優(yōu)化開發(fā)布局，因地制宜發(fā)展分布式能源。

隨著近年來光伏發(fā)電產業(yè)在我國的高質量發(fā)展，分布式光伏的應用早已由陸上逐漸擴展到了水上。我國中東部地區(qū)水域廣闊，水系資源豐沛，各地已在眾多水域建設起光伏發(fā)電系統(tǒng)，形成了“上發(fā)電、下養(yǎng)魚”的新能源模式。漁光互補是一種典型的新型土地綜合利用方式，在池塘或灘涂灘上構建太陽能發(fā)電，使池塘養(yǎng)魚和光伏發(fā)電進行空間上的融合，充分利用空間資源，把發(fā)電、養(yǎng)殖、休閑、 垂釣、旅游、餐飲等各種項目綜合起來。此外，漁光互補可以利用太陽能發(fā)電的特質來改善池塘水質，增加池塘的水產品產量，為漁民提高經(jīng)濟收入。漁光互補技術通過充分利用空間裕度，節(jié)約陸上資源，結合光伏資源開發(fā)，調節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境，從而切實解決了光伏發(fā)電深化應用的“卡脖子”問題。

因此，利用科學有效的手段對分布式光伏資源稟賦進行統(tǒng)計分析，有利于光伏資源開發(fā)的合理規(guī)劃，有利于貫徹落實“碳達峰、碳中和”戰(zhàn)略目標，進一步切實推進新能源低碳發(fā)展，形成科學的供用能方案與開發(fā)空間、時序策略的協(xié)調發(fā)展，營造可持續(xù)的高質量綜合能源發(fā)展生態(tài)。

崇明島光伏資源開發(fā)條件與形勢

崇明島光伏資源概況

崇明島位于亞熱帶，屬季風性氣候，日照充分，雨量充沛，年日照時數(shù)在1900 小時左右，年累計太陽輻射量4200-5000MJ/m2，相當于日輻射量3.2-3.8kWh/m2。其中日照時數(shù)分布以夏季最多，達600—700 小時，占年總時數(shù)的三分之一左右；冬季最少，約360—465 小時，僅占年總時數(shù)的18%-23%。崇明島位于上海市北部，三面環(huán)江一面臨海，地處長江入海口，距上海市中心90 公里，太陽能資源比較豐富，在時間分布上太陽能資源夏季最豐富，冬季最少，春季多，秋季少，太陽總輻射主要集中在7、8、9 三個月，與上海市電力緊張的夏季同期。通過PVsyst 軟件分析，平均水平面輻射量為1270.9kWh/ m2·a，相當于4575.24MJ/ m2·a。

年均水平月輻射量統(tǒng)計

按照太陽能輻射量的地區(qū)分類，上海市可以歸屬于四類地區(qū)，是全國太陽能資源中等地區(qū)，崇明島先天自然地理條件優(yōu)越，具備了規(guī)?；_發(fā)太陽能資源的先決條件。根據(jù)氣象行業(yè)標準QX/T 89-2008《太陽能資源評估方法》中，太陽能資源豐富程度評估等級進行評價，崇明島的太陽能資源應評定為“資源豐富”。

崇明島平均日輻照量的平均值、最大值出現(xiàn)在7 月，為151.7MJ/m2；最小值出現(xiàn)在12 月，為72.3MJ/m2，穩(wěn)定度約為0.48，按照《太陽能資源等級總輻射》（GB/T 31155-2014）穩(wěn)定度等級劃分標準，區(qū)域內的太陽能資源等級為很穩(wěn)定，非常適合開發(fā)利用太陽能資源。

崇明島光伏資源開發(fā)形勢

度電成本下降凸顯邊際效益

根據(jù)國際可再生能源署的數(shù)據(jù)，過去十年中，分布式光伏發(fā)電的成本處于急劇下降的勢態(tài)，2010 年以來，太陽能光伏發(fā)電的成本在全球范圍內已經(jīng)下降了 82%。得益于完善的配套環(huán)境、相對較低的投入成本和產業(yè)規(guī)模效應，我國光伏產品的生產成本始終處于全球最低水平。2020 年的光伏發(fā)電上網(wǎng)價格已降至新低點，僅為3.46 美分/kWh，如圖2 所示。目前，德國、日本、澳大利亞的居民用電價格均已高于分布式光伏的發(fā)電成本，中國的電價體系中存在工商業(yè)對居民的交叉補貼，所以呈現(xiàn)出居民電價顯著低于工商業(yè)電價的現(xiàn)象，但有報告預測居民用戶側的分布式光伏平價時代將在“十四五”時期的前期到來。

分布式光伏上行空間大

國家發(fā)改委下發(fā)《關于2021 年新能源上網(wǎng)電價政策有關事項的通知》，文件中指出：2021 年起，對新備案集中式光伏電站、工商業(yè)分布式光伏項目和新核準陸上風電項目，中央財政不再補貼，實行平價上網(wǎng)?！笆奈濉睍r期，隨著光伏產業(yè)成本的進一步降低，我國光伏產業(yè)將正式邁入“平價”時代，伴隨著無補貼時代到來和2060 年前碳中和的遠景目標，光伏產業(yè)將真正爆發(fā)。光伏進入平價新時代，未來十年國內需求年增9%，全球年增8.4%。中國工程院院士、華北電力大學原校長劉吉臻預計2030 年全社會用電量將達10 萬億千瓦時，保守估計到2030 年我國15%的電力來自光伏發(fā)電，未來十年光伏新增容量年均復合增速將超過9%，到2030 年，中國光伏裝機總容量將達1,428GW，如圖3 所示。

具備成熟的產業(yè)基礎

中國光伏產業(yè)經(jīng)過多年發(fā)展，在清潔能源政策和市場需求的共同驅動下，光伏產業(yè)已成為我國為數(shù)不多的已形成國際競爭優(yōu)勢、實現(xiàn)端到端自主可控、并有望率先成為我國戰(zhàn)略性新興產業(yè)的高質量發(fā)展典范，也是驅動我國能源轉型的重要引擎。在制造端，國產設備都已形成了成熟的配套體系，中國的產業(yè)化技術水平一直全球領先，多晶硅、硅片、電池片和組件產量已連續(xù)多年超過全球總產量的一半，根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會的統(tǒng)計，2019 年量產的單晶硅和多晶硅電池平均轉化效率分別達到22.3%和19.3%；在需求端，截至2019年，我國光伏累計裝機容量為205GW，占全球光伏總裝機容量的25.8%，累計裝機容量連續(xù)五年排名全球第一，新增裝機容量連續(xù)七年排名全球第一。另外，集成了建筑與光伏功能的BIPV 技術也日趨成熟，產品種類和成本也逐漸滿足工程建設要求，隨著BIPV 技術的不斷發(fā)展，建筑設計理念的不斷提升，必將會有合適的應用場景。

崇明島“漁光互補”項目發(fā)展形勢

上海市為改善能源結構，同時緩解電力供需矛盾，在大力加強電網(wǎng)建設，增加區(qū)外來電的同時，因地制宜地發(fā)展本地新能源，作為上海市電力供應的有益補充，崇明島“漁光互補”項目的開發(fā)就是典型創(chuàng)新措施。目前，崇明島已有70MW 前哨漁光互補項目投運，158MW 港西漁光互補項目在建，81MW 華星漁光互補項目在可行性研究方案階段。本項目上海華電崇明華星漁光互補光伏發(fā)電項目位

于上海市崇明區(qū)綠華鎮(zhèn)水產養(yǎng)殖場，是新型能源漁光互補項目，利用現(xiàn)有魚塘的水面及魚塘間道路布置太陽能電池板，形成不占用耕地的發(fā)電站。該項目是上海市能源消耗補充的“及時雨”，不但能改善能源結構，還能保護生態(tài)環(huán)境，優(yōu)化區(qū)域電網(wǎng)結構、儲備線路通道，對促進當?shù)厣鐣徒?jīng)濟的發(fā)展具有重要意義。

無人機技術快速識別光伏容量

區(qū)域數(shù)字化建模

通過無人機航拍和衛(wèi)星圖片信息的方式可以準確獲取魚塘水域的最新狀況、地理信息、周邊遮擋等關鍵信息，通過衛(wèi)星測量、計算障礙物及陰影區(qū)域，可以獲得較為精確的安裝區(qū)域信息，實現(xiàn)安裝區(qū)域數(shù)字化建模。

陰影避讓分析

光伏系統(tǒng)的陰影主要由遮擋物或光伏組件本身產生，按照經(jīng)驗，陰影避讓需要滿足在太陽高度角最低的某天中，從當?shù)貢r間午前9 時至午后3 時之間，其光伏組件不受遮擋物陰影影響為宜。通過測算固定式光伏組件陣列前后間距，光伏方陣陣列間距，可能遮擋物與方陣底邊垂直距離等數(shù)據(jù)，可以通過無人機拍攝技術捕獲分布式光伏的工程邊界并進行計算。

工作邊界識別結果

結合邊界模型和陰影避讓分析，最終得到目標區(qū)域的數(shù)字化模型，在此模型基礎上避開陰影區(qū)域開展裝機容量測算和發(fā)電量分析，可以獲得較為準確的結果。

崇明島光伏裝機容量評估

光伏資源分類

光伏開發(fā)的潛力主要受地理位置、天氣條件、可用屋頂面積、水域面積、未來城市規(guī)劃等因素影響。崇明島位于上海市北部，具有較為豐富的光伏資源，除了有豐富天然的水域條件，島內更有多個大中型工業(yè)產業(yè)園區(qū)。尤其是在產城融合范圍內，形成了以規(guī)?；I(yè)廠房園區(qū)為主的工業(yè)廠房屋頂資源，以物流倉庫為代表的物流倉儲屋頂，以學校、醫(yī)院、公共交通系統(tǒng)等為典型的公共設施屋頂資源，以城鎮(zhèn)和農村居民進行改造建設的戶用屋頂資源，以農光互補、漁光互補為應用場景的“光伏+”農業(yè)資源，以灘涂、河道、未利用地、車棚等合理化開發(fā)為基礎的空置地資源，以及以在建建筑、未來規(guī)劃、BIPV 新技術應用等為主要方向的增量資源。

工業(yè)廠房屋頂：工業(yè)廠房屋頂主要包括工業(yè)廠房、辦公樓、商場等可安裝光伏系統(tǒng)的建筑屋頂，崇明島工業(yè)廠房屋頂光伏資源主要集中在重裝備產業(yè)區(qū)、物流保稅園區(qū)、臨港奉賢園區(qū)等區(qū)域。

物流倉儲屋頂：物流倉儲屋頂主要包括物流園區(qū)、物流倉庫等大型倉儲的建筑屋頂，物流倉儲屋頂一般可以建設較大規(guī)模的光伏系統(tǒng)，崇明島物流倉儲屋頂光伏資源主要集中在裝備產業(yè)區(qū)、物流園區(qū)等區(qū)域。

公共設施屋頂：崇明島承載著上海能源、生態(tài)和交通三大樞紐功能，學校、醫(yī)院等公共設施配套日益完善，存在大量的屋頂資源可供開發(fā)。

戶用屋頂：戶用屋頂資源主要分為城鎮(zhèn)居民屋頂和農村居民屋頂，城鎮(zhèn)居民的屋頂一般為公用部分，而農村居民屋頂?shù)漠a權較為清晰，更加適合建設分布式光伏系統(tǒng)。

“光伏+”農業(yè)：“光伏+”農業(yè)作為一種新興的農業(yè)形式，將光伏發(fā)電與現(xiàn)代農業(yè)種植和高效農業(yè)設施三者有機結合，涵蓋了漁業(yè)、林業(yè)、種植業(yè)和畜牧業(yè)等，其中最常見的就是農光互補、漁光互補等形式。

空置地資源：合理化開發(fā)利用灘涂、河道、車棚、一般農業(yè)用地性質的荒地等空置地資源，能夠建設集中式或分布式光伏電站，既可以充分發(fā)揮土地資源的價值，又可以實現(xiàn)規(guī)模效益，彌補光伏建設方式單一的不足。

增量資源：除上述存量光伏資源外，結合崇明島城市規(guī)劃，將在建和未來規(guī)劃的建筑作為增量光伏資源進行統(tǒng)計，結合BIPV 技術的應用，達到光伏和建筑一體化建設的效果。這部分增量資源既包括工廠、倉儲、商辦樓、軌道交通場站、交通樞紐等建筑的屋頂資源，也包括采用BIPV 幕墻光伏的建筑、快速路音屏障等。

光伏裝機容量評估

對崇明島范圍內的各類水域、園區(qū)屋頂資源進行分類統(tǒng)計并進行數(shù)字化建模，利用邊界識別技術計算各屋頂組件布置后的裝機容量，裝機容量評估及分布，考慮規(guī)劃中建筑的光伏資源，“十四五”期間崇明島光伏預計裝機容量約652MW。其中，“光伏+”農業(yè)、工業(yè)廠房屋頂、物流倉儲屋頂和未來增量建筑是崇明島光伏資源開發(fā)的重點方向，尤其是“光伏+”農業(yè)和工業(yè)廠房這類存量資源，可以建成較大規(guī)模的光伏電站，為崇明島加快能源結構轉型提供大量綠色低碳能源。

本文提出了一種利用工程邊界識別技術的區(qū)域分布式光伏資源稟賦快速統(tǒng)計方法，通過無人機航拍和衛(wèi)星地理信息融合的方式實現(xiàn)目標區(qū)域的數(shù)字化建模，快速分析目標區(qū)域分布式光伏裝機容量，利用該技術對崇明島分布式光伏資源稟賦進行分類統(tǒng)計，較為準確的計算出崇明島光伏資源開發(fā)潛力，為光伏資源開發(fā)規(guī)劃、項目投資、電網(wǎng)配套規(guī)劃等提供依據(jù)。