文/李俊楠 吳佳

黨的二十大報(bào)告中提出了“積極穩(wěn)妥推進(jìn)碳達(dá)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)型。分布式光伏發(fā)電因其良好的消納和電價(jià)優(yōu)勢迎來了快速發(fā)展，但在實(shí)際開發(fā)規(guī)劃時(shí)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(shí)別和統(tǒng)計(jì)的方法，運(yùn)用無人機(jī)航拍和衛(wèi)星地理信息融合的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的數(shù)字化建模，利用該方法對崇明島漁光互補(bǔ)光伏資源進(jìn)行調(diào)研，實(shí)現(xiàn)了分布式光伏資源稟賦的分類統(tǒng)計(jì)，為開發(fā)規(guī)劃、項(xiàng)目投資、電網(wǎng)配套規(guī)劃等提供依據(jù)。

習(xí)近平總書記在第七十五屆聯(lián)合國大會(huì)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(dá)到峰值，努力爭取2060 年前實(shí)現(xiàn)碳中和?！笆奈濉睍r(shí)期是我國勝利實(shí)現(xiàn)第一個(gè)百年奮斗目標(biāo)后，乘勢而上，向第二個(gè)百年奮斗目標(biāo)進(jìn)軍的第一個(gè)五年。世界發(fā)展大格局下，氣候、環(huán)境及能源問題日益嚴(yán)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(gè)課題。優(yōu)先開發(fā)可再生能源、提升新能源利用率是當(dāng)前世界各國找到的為加快能源轉(zhuǎn)型、實(shí)現(xiàn)能源高質(zhì)量發(fā)展的共同途徑。近十幾年來，分布式光伏、分散式風(fēng)電、智能電網(wǎng)等技術(shù)進(jìn)入了飛速發(fā)展時(shí)期，分布式能源布局的靈活性和經(jīng)濟(jì)性優(yōu)勢日益彰顯，使得“電從身邊來”這一創(chuàng)想從理念轉(zhuǎn)變成為現(xiàn)實(shí)，分布式能源的發(fā)展也更好地滿足了區(qū)域內(nèi)就近客戶的用電需求。中國未來的能源規(guī)劃發(fā)展，強(qiáng)調(diào)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(chǎn)業(yè)在我國的高質(zhì)量發(fā)展，分布式光伏的應(yīng)用早已由陸上逐漸擴(kuò)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(shè)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(bǔ)是一種典型的新型土地綜合利用方式，在池塘或?yàn)┩繛┥蠘?gòu)建太陽能發(fā)電，使池塘養(yǎng)魚和光伏發(fā)電進(jìn)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(xiàng)目綜合起來。此外，漁光互補(bǔ)可以利用太陽能發(fā)電的特質(zhì)來改善池塘水質(zhì)，增加池塘的水產(chǎn)品產(chǎn)量，為漁民提高經(jīng)濟(jì)收入。漁光互補(bǔ)技術(shù)通過充分利用空間裕度，節(jié)約陸上資源，結(jié)合光伏資源開發(fā)，調(diào)節(jié)養(yǎng)殖環(huán)境，從而切實(shí)解決了光伏發(fā)電深化應(yīng)用的“卡脖子”問題。

因此，利用科學(xué)有效的手段對分布式光伏資源稟賦進(jìn)行統(tǒng)計(jì)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(shí)“碳達(dá)峰、碳中和”戰(zhàn)略目標(biāo)，進(jìn)一步切實(shí)推進(jìn)新能源低碳發(fā)展，形成科學(xué)的供用能方案與開發(fā)空間、時(shí)序策略的協(xié)調(diào)發(fā)展，營造可持續(xù)的高質(zhì)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(fēng)性氣候，日照充分，雨量充沛，年日照時(shí)數(shù)在1900 小時(shí)左右，年累計(jì)太陽輻射量4200-5000MJ/m2，相當(dāng)于日輻射量3.2-3.8kWh/m2。其中日照時(shí)數(shù)分布以夏季最多，達(dá)600—700 小時(shí)，占年總時(shí)數(shù)的三分之一左右；冬季最少，約360—465 小時(shí)，僅占年總時(shí)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?？冢嗌虾Ｊ兄行?0 公里，太陽能資源比較豐富，在時(shí)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(gè)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(dāng)于4575.24MJ/ m2·a。

年均水平月輻射量統(tǒng)計(jì)

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?xiàng)l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(biāo)準(zhǔn)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(jìn)行評價(jià)，崇明島的太陽能資源應(yīng)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(biāo)準(zhǔn)，區(qū)域內(nèi)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(nèi)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(chǎn)業(yè)規(guī)模效應(yīng)，我國光伏產(chǎn)品的生產(chǎn)成本始終處于全球最低水平。2020 年的光伏發(fā)電上網(wǎng)價(jià)格已降至新低點(diǎn)，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(jià)格均已高于分布式光伏的發(fā)電成本，中國的電價(jià)體系中存在工商業(yè)對居民的交叉補(bǔ)貼，所以呈現(xiàn)出居民電價(jià)顯著低于工商業(yè)電價(jià)的現(xiàn)象，但有報(bào)告預(yù)測居民用戶側(cè)的分布式光伏平價(jià)時(shí)代將在“十四五”時(shí)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(guān)于2021 年新能源上網(wǎng)電價(jià)政策有關(guān)事項(xiàng)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(xiàng)目和新核準(zhǔn)陸上風(fēng)電項(xiàng)目，中央財(cái)政不再補(bǔ)貼，實(shí)行平價(jià)上網(wǎng)?！笆奈濉睍r(shí)期，隨著光伏產(chǎn)業(yè)成本的進(jìn)一步降低，我國光伏產(chǎn)業(yè)將正式邁入“平價(jià)”時(shí)代，伴隨著無補(bǔ)貼時(shí)代到來和2060 年前碳中和的遠(yuǎn)景目標(biāo)，光伏產(chǎn)業(yè)將真正爆發(fā)。光伏進(jìn)入平價(jià)新時(shí)代，未來十年國內(nèi)需求年增9%，全球年增8.4%。中國工程院院士、華北電力大學(xué)原校長劉吉臻預(yù)計(jì)2030 年全社會(huì)用電量將達(dá)10 萬億千瓦時(shí)，保守估計(jì)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(fù)合增速將超過9%，到2030 年，中國光伏裝機(jī)總?cè)萘繉⑦_(dá)1,428GW，如圖3 所示。

具備成熟的產(chǎn)業(yè)基礎(chǔ)

中國光伏產(chǎn)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(qū)動(dòng)下，光伏產(chǎn)業(yè)已成為我國為數(shù)不多的已形成國際競爭優(yōu)勢、實(shí)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(chǎn)業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展典范，也是驅(qū)動(dòng)我國能源轉(zhuǎn)型的重要引擎。在制造端，國產(chǎn)設(shè)備都已形成了成熟的配套體系，中國的產(chǎn)業(yè)化技術(shù)水平一直全球領(lǐng)先，多晶硅、硅片、電池片和組件產(chǎn)量已連續(xù)多年超過全球總產(chǎn)量的一半，根據(jù)中國光伏行業(yè)協(xié)會(huì)的統(tǒng)計(jì)，2019 年量產(chǎn)的單晶硅和多晶硅電池平均轉(zhuǎn)化效率分別達(dá)到22.3%和19.3%；在需求端，截至2019年，我國光伏累計(jì)裝機(jī)容量為205GW，占全球光伏總裝機(jī)容量的25.8%，累計(jì)裝機(jī)容量連續(xù)五年排名全球第一，新增裝機(jī)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(shù)也日趨成熟，產(chǎn)品種類和成本也逐漸滿足工程建設(shè)要求，隨著BIPV 技術(shù)的不斷發(fā)展，建筑設(shè)計(jì)理念的不斷提升，必將會(huì)有合適的應(yīng)用場景。

崇明島“漁光互補(bǔ)”項(xiàng)目發(fā)展形勢

上海市為改善能源結(jié)構(gòu)，同時(shí)緩解電力供需矛盾，在大力加強(qiáng)電網(wǎng)建設(shè)，增加區(qū)外來電的同時(shí)，因地制宜地發(fā)展本地新能源，作為上海市電力供應(yīng)的有益補(bǔ)充，崇明島“漁光互補(bǔ)”項(xiàng)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(bǔ)項(xiàng)目投運(yùn)，158MW 港西漁光互補(bǔ)項(xiàng)目在建，81MW 華星漁光互補(bǔ)項(xiàng)目在可行性研究方案階段。本項(xiàng)目上海華電崇明華星漁光互補(bǔ)光伏發(fā)電項(xiàng)目位

于上海市崇明區(qū)綠華鎮(zhèn)水產(chǎn)養(yǎng)殖場，是新型能源漁光互補(bǔ)項(xiàng)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(xiàng)目是上海市能源消耗補(bǔ)充的“及時(shí)雨”，不但能改善能源結(jié)構(gòu)，還能保護(hù)生態(tài)環(huán)境，優(yōu)化區(qū)域電網(wǎng)結(jié)構(gòu)、儲(chǔ)備線路通道，對促進(jìn)當(dāng)?shù)厣鐣?huì)和經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有重要意義。

無人機(jī)技術(shù)快速識(shí)別光伏容量

區(qū)域數(shù)字化建模

通過無人機(jī)航拍和衛(wèi)星圖片信息的方式可以準(zhǔn)確獲取魚塘水域的最新狀況、地理信息、周邊遮擋等關(guān)鍵信息，通過衛(wèi)星測量、計(jì)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(shí)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(chǎn)生，按照經(jīng)驗(yàn)，陰影避讓需要滿足在太陽高度角最低的某天中，從當(dāng)?shù)貢r(shí)間午前9 時(shí)至午后3 時(shí)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(jī)拍攝技術(shù)捕獲分布式光伏的工程邊界并進(jìn)行計(jì)算。

工作邊界識(shí)別結(jié)果

結(jié)合邊界模型和陰影避讓分析，最終得到目標(biāo)區(qū)域的數(shù)字化模型，在此模型基礎(chǔ)上避開陰影區(qū)域開展裝機(jī)容量測算和發(fā)電量分析，可以獲得較為準(zhǔn)確的結(jié)果。

崇明島光伏裝機(jī)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(nèi)更有多個(gè)大中型工業(yè)產(chǎn)業(yè)園區(qū)。尤其是在產(chǎn)城融合范圍內(nèi)，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(chǔ)屋頂，以學(xué)校、醫(yī)院、公共交通系統(tǒng)等為典型的公共設(shè)施屋頂資源，以城鎮(zhèn)和農(nóng)村居民進(jìn)行改造建設(shè)的戶用屋頂資源，以農(nóng)光互補(bǔ)、漁光互補(bǔ)為應(yīng)用場景的“光伏+”農(nóng)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(chǔ)的空置地資源，以及以在建建筑、未來規(guī)劃、BIPV 新技術(shù)應(yīng)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(chǎn)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(chǔ)屋頂：物流倉儲(chǔ)屋頂主要包括物流園區(qū)、物流倉庫等大型倉儲(chǔ)的建筑屋頂，物流倉儲(chǔ)屋頂一般可以建設(shè)較大規(guī)模的光伏系統(tǒng)，崇明島物流倉儲(chǔ)屋頂光伏資源主要集中在裝備產(chǎn)業(yè)區(qū)、物流園區(qū)等區(qū)域。

公共設(shè)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(xué)校、醫(yī)院等公共設(shè)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(nóng)村居民屋頂，城鎮(zhèn)居民的屋頂一般為公用部分，而農(nóng)村居民屋頂?shù)漠a(chǎn)權(quán)較為清晰，更加適合建設(shè)分布式光伏系統(tǒng)。

“光伏+”農(nóng)業(yè)：“光伏+”農(nóng)業(yè)作為一種新興的農(nóng)業(yè)形式，將光伏發(fā)電與現(xiàn)代農(nóng)業(yè)種植和高效農(nóng)業(yè)設(shè)施三者有機(jī)結(jié)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(nóng)光互補(bǔ)、漁光互補(bǔ)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(nóng)業(yè)用地性質(zhì)的荒地等空置地資源，能夠建設(shè)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(jià)值，又可以實(shí)現(xiàn)規(guī)模效益，彌補(bǔ)光伏建設(shè)方式單一的不足。

增量資源：除上述存量光伏資源外，結(jié)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(jìn)行統(tǒng)計(jì)，結(jié)合BIPV 技術(shù)的應(yīng)用，達(dá)到光伏和建筑一體化建設(shè)的效果。這部分增量資源既包括工廠、倉儲(chǔ)、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(jī)容量評估

對崇明島范圍內(nèi)的各類水域、園區(qū)屋頂資源進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)并進(jìn)行數(shù)字化建模，利用邊界識(shí)別技術(shù)計(jì)算各屋頂組件布置后的裝機(jī)容量，裝機(jī)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(yù)計(jì)裝機(jī)容量約652MW。其中，“光伏+”農(nóng)業(yè)、工業(yè)廠房屋頂、物流倉儲(chǔ)屋頂和未來增量建筑是崇明島光伏資源開發(fā)的重點(diǎn)方向，尤其是“光伏+”農(nóng)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(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)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(shí)別技術(shù)的區(qū)域分布式光伏資源稟賦快速統(tǒng)計(jì)方法，通過無人機(jī)航拍和衛(wèi)星地理信息融合的方式實(shí)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域的數(shù)字化建模，快速分析目標(biāo)區(qū)域分布式光伏裝機(jī)容量，利用該技術(shù)對崇明島分布式光伏資源稟賦進(jìn)行分類統(tǒng)計(jì)，較為準(zhǔn)確的計(jì)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(xiàng)目投資、電網(wǎng)配套規(guī)劃等提供依據(jù)。