考慮地形影響的太陽能資源精細(xì)化評(píng)估及技術(shù)可開發(fā)量計(jì)算

孫朋杰 ，何飛 ，陳正洪 ，孟丹

（1.鄂州市氣象局,湖北 鄂州 436000；2.湖北省氣象服務(wù)中心,湖北 武漢 430205）

0 引言

當(dāng)前，隨著常規(guī)能源的日益緊張、全球氣候變化和環(huán)境惡化壓力的逐漸增大，大力開發(fā)包括太陽能資源在內(nèi)的可再生清潔能源已成為國際社會(huì)的共識(shí)[1-3]。特別是我國提出的“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)，意味著到2030 年，我國風(fēng)電、光伏發(fā)電總裝機(jī)要在現(xiàn)有基礎(chǔ)上增加2 倍以上。有專家預(yù)計(jì)，2025 年，我國光伏發(fā)電將逐步成為主力能源。國家層面上，國家能源局于2021 年6 月發(fā)布《關(guān)于報(bào)送整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏開發(fā)試點(diǎn)方案的通知》，通知指出：開展整縣（市、區(qū)）屋頂分布式光伏建設(shè)，有利于整合資源實(shí)現(xiàn)集約開發(fā)，有利于消減電力尖峰負(fù)荷，有利于節(jié)約優(yōu)化配電網(wǎng)投資，有利于引導(dǎo)居民綠色能源消費(fèi)，是實(shí)現(xiàn)“碳達(dá)峰、碳中和”與鄉(xiāng)村振興兩大國家戰(zhàn)略的重要措施。

進(jìn)行光伏發(fā)電開發(fā)的基礎(chǔ)，首先要了解當(dāng)?shù)氐奶柲苜Y源稟賦情況[4-5]，待開發(fā)區(qū)域的太陽能資源總儲(chǔ)量為多少，理論裝機(jī)和發(fā)電量為多少，資源分布如何，進(jìn)行太陽能資源科學(xué)評(píng)估非常有必要。湖北省境內(nèi)分布著大量氣象觀測站，為研究某一氣候變化提供實(shí)測的資料和數(shù)據(jù)，但湖北省輻射觀測站卻很少，僅有武漢和宜昌一級(jí)輻射觀測站，能觀測太陽總輻射、直接輻射、散射輻射資料，另外有4 個(gè)三級(jí)輻射站（荊州、隨州、南漳、孝感），其臺(tái)站密度遠(yuǎn)少于普通氣象觀測站的密度，這就導(dǎo)致湖北省大部分區(qū)域太陽輻射資料的缺乏，無法對(duì)湖北省太陽輻射的空間分布特征展開研究[6]。

ERA5 太陽輻射數(shù)據(jù)是具有較高時(shí)空分辨率的再分析產(chǎn)品，該數(shù)據(jù)在區(qū)域氣候評(píng)估、農(nóng)業(yè)以及太陽能資源等方面發(fā)揮了重要作用[7-9]。利用該套資料成功解決輻射觀測站數(shù)量少、分布密度低的困難。但相關(guān)學(xué)者通過對(duì)比發(fā)現(xiàn)，ERA5 輻射數(shù)據(jù)高于地面觀測數(shù)據(jù)，存在高估現(xiàn)象[10]。特別對(duì)山區(qū)而言，分辨率約為10 km 的ERA5 輻射數(shù)據(jù)不能反映地形（坡向、坡度、海拔）對(duì)輻射的影響[11]。

在太陽能開發(fā)潛力（技術(shù)可開發(fā)量）計(jì)算方面，多數(shù)學(xué)者采用的是將太陽年總輻射進(jìn)行等級(jí)劃分，在此基礎(chǔ)上，對(duì)下墊面地形進(jìn)行劃分，針對(duì)不同類型地形賦予不同的開發(fā)比例[12-13]。王志春等[14]從開發(fā)建設(shè)成本、耕地及生態(tài)環(huán)境保護(hù)方面分析，計(jì)算了不同土地開發(fā)光伏占比。梁玉蓮等[15]結(jié)合地形數(shù)據(jù)和土地覆蓋數(shù)據(jù)，分別以90 m×90 m 和1 km×1 km 的分辨率對(duì)華南地區(qū)太陽能資源的開發(fā)適宜性進(jìn)行區(qū)劃和可利用潛力進(jìn)行分析。李柯等[16]從資源豐富度、穩(wěn)定度和保障度3 個(gè)方面，利用多指標(biāo)評(píng)分法對(duì)中國陸地太陽能資源開發(fā)潛力進(jìn)行了綜合評(píng)價(jià)和分析。周少科等[17]利用西藏山南市氣象觀測站和NASA衛(wèi)星數(shù)據(jù)對(duì)山南市的太陽能資源就輻射總量、輻射分布和轉(zhuǎn)換電能潛能進(jìn)行了分析。

本研究首先利用研究區(qū)域房縣境內(nèi)已有的輻射觀測資料對(duì)ERA5 格點(diǎn)數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，得到輻射格點(diǎn)數(shù)據(jù)。進(jìn)一步結(jié)合房縣市的海拔高度、坡度和坡向等地理信息，建立基于地形變化的精細(xì)化輻射方程，獲取分辨率為25 m 的太陽能總輻射資源，對(duì)區(qū)域太陽能資源進(jìn)行客觀評(píng)價(jià)。最后引入衛(wèi)星遙感觀測的土地利用類型數(shù)據(jù)，針對(duì)不同土地類型，計(jì)算房縣全域太陽能技術(shù)可開發(fā)量。

1 資料與方法

房縣市位于鄂西北，因“縱橫千里，山林四塞，其固高陵，有如房室”而得名。大巴山脈和武當(dāng)山脈在此交匯，形成了著名的青峰斷裂帶和西高東低、南陡北緩的地形地貌，中為河谷平壩，最高海拔2 485.6 m，最低海拔180 m，高低懸殊?；跉夂?qū)W計(jì)算與分析，房縣位于湖北省“一級(jí)可利用區(qū)”（年總輻射在4.6～5.4 GJ/m2之間），屬于湖北省太陽能資源較豐富的地區(qū)[18]。全市有3 個(gè)太陽輻射觀測站，分布如圖1所示。同時(shí)，ERA5 太陽輻射數(shù)據(jù)分布如圖1 所示。

圖1 評(píng)估區(qū)地形及太陽輻射站點(diǎn)分布Fig.1 Topography and distribution of solar radiation stations in the assessment area

1.1 資料來源

輻射觀測資料：輻射觀測數(shù)據(jù)來源于房縣境內(nèi)A、B、C 3 個(gè)輻射觀測站觀測資料。資料時(shí)段從2012.1～2020.12，共9 年觀測資料。

輻射再分析格點(diǎn)資料：本研究采用的格點(diǎn)輻射資料來自歐洲中心ERA5 再分析數(shù)據(jù)，ERA5 是ECMWF 對(duì)全球氣候的第5 代大氣再分析，再分析將模型數(shù)據(jù)與來自世界各地的觀測數(shù)據(jù)結(jié)合起來，形成一個(gè)全球完整的、一致的數(shù)據(jù)集。水平分辨率為0.1°×0.1°，資料范圍為2000.1～2020.12，共21 a 資料。

土地利用類型資料：基于Landsat TM/ETM/OLI遙感影像資料，采用遙感信息提取方法，獲取覆蓋房縣范圍，水平分辨率為30 m 的8 類（農(nóng)田、森林、草地、灌木叢、濕地、水體、建設(shè)用地、荒地）土地覆蓋分類數(shù)據(jù)。

地理信息資料：基于湖北省1∶250 000 省界、水系、數(shù)字高程模型數(shù)據(jù)（DEM），利用Arcgis 軟件三維空間分析功能提取得到房縣海拔、坡度、坡向和經(jīng)緯度數(shù)據(jù)。

1.2 研究思路與方法

本研究的總體思路是利用輻射氣象站的實(shí)際觀測資料檢驗(yàn)觀測同期ERA5 的輻射數(shù)據(jù)精度，建立訂正模型后對(duì)房縣區(qū)域的ERA5 輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行訂正，進(jìn)一步結(jié)合房縣市的經(jīng)緯度、海拔高度、坡度和坡向等地理信息，建立基于地形變化的精細(xì)化輻射方程，得到分辨率為25 m 的長序列太陽能總輻射資源，對(duì)房縣市的太陽能資源進(jìn)行評(píng)估。在太陽能資源圖譜的基礎(chǔ)上，基于土地利用類型資料，剔除不能開發(fā)和限制開發(fā)的區(qū)域，獲取鄉(xiāng)鎮(zhèn)級(jí)的光伏技術(shù)開發(fā)量。研究所用方法如圖2 所示。

圖2 研究技術(shù)流程圖Fig.2 Research technical flowchart

1）ERA5 輻射資料精度及訂正效果采用相對(duì)誤差、相關(guān)系數(shù)兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行檢驗(yàn)。

2）分月采用線性回歸建立區(qū)域ERA5 輻射數(shù)據(jù)的訂正方程。

3）采用空間數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)換、柵格數(shù)據(jù)的空間分析、地形因子提取等方法提取ERA5 格點(diǎn)所處的地理空間屬性數(shù)據(jù)。

4）采用多元線性回歸的方法建立區(qū)域ERA5 輻射數(shù)據(jù)與地理屬性的關(guān)系模型。

5）將上述關(guān)系模型應(yīng)用到房縣全域坡度、坡向、海拔，得到分辨率為25 m × 25 m 的全域太陽能資源分布。

6）采用Arcgis 中重采樣、重分類、柵格計(jì)算的方法估算光伏技術(shù)開發(fā)量，各格點(diǎn)處的光伏技術(shù)開發(fā)量計(jì)算如式（1）所示：

式中：

P ——各格點(diǎn)光伏發(fā)電技術(shù)可開發(fā)量（kW）；

S ——光伏電站技術(shù)可安裝面積（m2）；

ε ——面積可利用率（%），按房縣的土地利用類型，分別對(duì)不同類型的土地給予不同的面積可利用率；

SS——格點(diǎn)面積（m2）；

h ——1 a 的小時(shí)數(shù)（h）；

η ——折減系數(shù)，取值為0.55。

7）相關(guān)建模結(jié)果的準(zhǔn)確性，用平均絕對(duì)百分比誤差和平均偏差兩個(gè)指標(biāo)表示。

（1）平均絕對(duì)百分比誤差

（2）平均偏差

式中：

xij——模擬的第i 個(gè)格點(diǎn)的年總輻射（GJ/m2）；

xi——第i 個(gè)格點(diǎn)的年總輻射（GJ/m2）。

2 結(jié)果與分析

2.1 ERA5 輻射資料檢驗(yàn)及訂正

采用2012 年1 月～2020 年12 月門古輻射站輻射資料，選取最鄰近的ERA5 格點(diǎn)同期2012 年1 月～2020 年12 月資料進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)及訂正。分月對(duì)比實(shí)測資料與ERA5 格點(diǎn)資料之間的關(guān)系，從表1中可以看到，兩種資料相關(guān)較好，各月相關(guān)均達(dá)到0.7 以上。因此，采用線性方程建立分月訂正模型，對(duì)房縣境內(nèi)所有格點(diǎn)資料進(jìn)行訂正。

表1 門古觀測站與ERA5 輻射資料模型系數(shù)Tab.1 Model coefficients of radiation data in Mengu observation station and ERA5

研究時(shí)段門古站與對(duì)應(yīng)的ERA5 輻射產(chǎn)品在訂正前后的累年、月總輻射的相對(duì)誤差如表2 所示。由表可見，原始ERA5 與觀測值間的年平均相對(duì)誤差為31.2%，各月相對(duì)誤差在18.8%～58.9%，冬季最高，夏季最低。分月進(jìn)行線性回歸訂正后，年平均相對(duì)誤差降至0.3%，各月相對(duì)誤差在0.2%～7.1%之間。

表2 門古輻射站與對(duì)應(yīng)ERA5 產(chǎn)品總輻射訂正前后的平均絕對(duì)百分比誤差MAPETab.2 Mean absolute percentage errors (MAPEs) before and after the total radiation correction of Mengu radiation station and corresponding ERA5 products %

綜上，分月訂正后的效果明顯優(yōu)于未訂正效果，按照各月建立實(shí)測總輻射與ERA5 總輻射的訂正模型y=ax+b 對(duì)房縣區(qū)域內(nèi)各格點(diǎn)進(jìn)行修正，各月系數(shù)如表2 所示。

2.2 基于地形的輻射模型建立

通過Arcgis 提取房縣區(qū)域的坡度、坡向和海拔高度3 個(gè)地理因子，并進(jìn)一步提取至各個(gè)ERA5 格點(diǎn)。采用多元線性回歸等方法，建立年平均總輻射與地理因子間的模型。另外，考慮不同季節(jié)地形對(duì)輻射的影響有差異，分別建立各月平均總輻射與地理因子的模型，模型形式如下式所示：

式中：

S ——總輻射（MJ/m2）；

p ——坡度（°）；

a ——坡向（°）；

h ——海拔高度（m）；

D ——常數(shù)項(xiàng)。

各月系數(shù)（K1～ K3）和常數(shù)量 D 如表3 所示。

表3 各月建立的總輻射與地理因子間的模型Tab.3 Model established based on total radiation and geographical factors in each month

為驗(yàn)證輻射模型的準(zhǔn)確性，將房縣另外兩個(gè)實(shí)際輻射觀測站西蒿坪和九道實(shí)際觀測值與模型計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，計(jì)算平均絕對(duì)百分比誤差和平均偏差。結(jié)果如表4 所示，西蒿坪站的年總輻射為4 041.9 MJ/m2，模擬值為4 271.9 MJ/m2，兩者平均絕對(duì)百分比誤差為5.7%，各月相對(duì)誤差在2.0%～17.2%之間，其中2 月、8 月和11 月、12 月相關(guān)誤差較大，超過10%。九道站的年總輻射為3 893.2 MJ/m2，模擬值為4 030.8 MJ/m2，兩者平均絕對(duì)百分比誤差為3.4%，各月相對(duì)誤差在0.1%～15.4%之間，其中1 月和6 月相關(guān)誤差較大，超過10%?？傮w來看，輻射模型能較準(zhǔn)確地反映實(shí)際輻射分布情況。

表4 各月及全年輻射模型準(zhǔn)確率檢驗(yàn)Tab.4 Accuracy test of radiation model in each month and year

經(jīng)推算，房縣市的太陽輻射量在4.00～4.13 GJ/(m2·a)，年平均太陽總輻射量為4.067 GJ/(m2·a)。按照《太陽能資源評(píng)估方法》（GB/T 37526—2019）[19]中的劃分標(biāo)準(zhǔn)，房縣太陽能資源豐富程度均屬于三級(jí)“資源豐富”地區(qū)。

如圖3 所示，全市太陽能資源的空間分布差異明顯，總體呈現(xiàn)北高南低的分布特征。其中，中部河谷平壩地區(qū)太陽能資源相對(duì)較好，南部山區(qū)太陽能總輻射明顯小于中北部區(qū)域。

圖3 房縣年平均太陽總輻射Fig.3 Distribution of annual average total solar radiation in Fangxian County

2.3 光伏技術(shù)可開發(fā)量估算

實(shí)際太陽能資源開發(fā)利用時(shí)需綜合考慮太陽能資源的總量和技術(shù)開發(fā)的難易程度[20]，本文考慮土地利用類型對(duì)資源開發(fā)的限制來估算技術(shù)水平下的開發(fā)利用潛力。

根據(jù)衛(wèi)星遙感觀測的結(jié)果，將房縣區(qū)域土地利用類型歸為8 大類（圖4）：農(nóng)田（水澆地、水田、旱地、其他農(nóng)業(yè)用地）、森林、草地、灌木、濕地、水體（河流、湖泊、庫塘）、建設(shè)用地（建筑、人類活動(dòng)用地、交通路網(wǎng)）、荒地或裸地?；趯?duì)不同土地利用類型的考慮，設(shè)置了不同的開發(fā)面積可利用率，如表5 所示。其中，在實(shí)際的開發(fā)利用過程中，盡量避免占用耕地、林地，禁止占用生態(tài)濕地、水體兩類土地類型。鼓勵(lì)在城鎮(zhèn)用地開展分布式光伏發(fā)電，在整塊荒地推進(jìn)光伏發(fā)電項(xiàng)目。因此，本研究中，房縣地區(qū)優(yōu)先考慮用于光伏開發(fā)的應(yīng)是未利用的荒地和森林生態(tài)價(jià)值較低的草地、灌木及建設(shè)用地。

表5 房縣不同土地利用類型面積可利用率Tab.5 Area availability of lands of different use types in Fangxian County

圖4 房縣土地利用類型Fig.4 Land use types in Fangxian County

依據(jù)文獻(xiàn)[14]、文獻(xiàn)[21]，同時(shí)考慮湖北省年總輻射分布及不同土地類型實(shí)際，得到不同土地類型對(duì)應(yīng)的面積可利用率，得到房縣總體的面積可利用率為1.5%，理論可利用面積為63.7 km2。按式（2）計(jì)算得到，可得到光伏裝機(jī)技術(shù)可開發(fā)量。

光伏發(fā)電技術(shù)可開發(fā)量與太陽能資源分布及土地利用分布兩者緊密相關(guān)，總體上，中部鄉(xiāng)鎮(zhèn)光伏發(fā)電技術(shù)可開發(fā)量處于全縣較高的水平，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)技術(shù)可開發(fā)量如圖5 所示，根據(jù)計(jì)算，各鄉(xiāng)鎮(zhèn)中門古寺鎮(zhèn)技術(shù)可開發(fā)量最大，達(dá)到409 MW，其次是青峰鎮(zhèn)，為405 MW。房縣全市的平均技術(shù)可開發(fā)量為4.501 GW。

圖5 房縣各鄉(xiāng)鎮(zhèn)光伏技術(shù)可開發(fā)量Fig.5 The exploitable capacity of photovoltaic technology in each township of Fangxian County

3 結(jié)論

精細(xì)化的太陽能資源評(píng)估是整縣推進(jìn)太陽能資源開發(fā)利用的基礎(chǔ)，本文通過實(shí)際輻射觀測結(jié)果對(duì)ERA5 輻射產(chǎn)品進(jìn)行檢驗(yàn)訂正后，考慮地形（坡度、坡向、海拔）對(duì)輻射的影響，基于GIS 空間分析技術(shù)，推算了房縣全域太陽能資源情況，綜合考慮不同土地利用類型的可利用率，計(jì)算得到了光伏技術(shù)開發(fā)量。主要結(jié)論如下：

1）原始ERA5 輻射數(shù)據(jù)與觀測值的年平均相對(duì)誤差為31.2%，各月相對(duì)誤差在18.8%～58.9%，存在明顯高估的情況。通過實(shí)際輻射觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行分月建模訂正后，年平均相對(duì)誤差降至0.3%，各月相對(duì)誤差在0.2%～7.1%之間。

2）提取坡度、坡向和海拔高度3 個(gè)地理因子，建立基于地形的輻射計(jì)算模型。將兩個(gè)實(shí)際輻射觀測站西蒿坪和九道實(shí)際觀測值與模型計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比，西蒿坪站的年平均絕對(duì)百分比誤差為5.7%，九道站的年平均絕對(duì)百分比誤差為3.4%，輻射模型能較準(zhǔn)確地反映實(shí)際輻射分布情況。

3）計(jì)算得到的房縣年平均太陽總輻射為4.067 GJ/m2，年平均太陽總輻射量全市的空間分布在4 405.8～4 676.7 MJ/m2，空間分布差異明顯，總體呈現(xiàn)北高南低的分布特征。其中，中部河谷平壩地區(qū)太陽能資源相對(duì)較好，南部山區(qū)太陽能總輻射明顯小于中北部區(qū)域。全市太陽能資源均處于“豐富”等級(jí)。綜合考慮不同土地類型的可利用率，全市總體土地可利用率為1.5%，可利用面積為60.7 km2，估算得到光伏發(fā)電技術(shù)可開發(fā)量為4.501 GW。