光伏发电空间布局规划探索

光伏发电是太阳能发电的主要方式，通过对光伏发电的空间布局规划可以提高光伏发电应用的整体经济效益及社会效益。文章提出了光伏发电空间布局的原则与方法，即以划分的区块为单位，通过测算屋顶资源，结合相关数据和模型，预测分布式光伏容量的空间分布；通过对不同阶段及区域极限渗透率的研究预测，确定区域可开放的光伏发电容量，从而推算地面光伏电站容量上限及空间布局；最后，以某地为例进行了实际计算分析。0引言根据国家太阳能发电发展“十二五”规划，到2020年，分布式光伏规划装机容量2700万kW，地面光伏电站规划装机容量2000万kW。规划推荐分布式光伏重点建设在“中东部地区城镇工业园区、经济开发区、大型公共设施等建筑屋顶”，地面光伏电站重点建设在“青海、甘肃、新疆、内蒙古、西藏、宁夏、陕西、云南，以及华北、东北的部分适宜地区”。近年来光伏发电快速发展，分布式光伏由于容量小、就地消纳为主的特点，对电网影响较小，接入电网简单；地面光伏电站由于容量大、就地消纳相对困难，接入电网复杂。本文考虑东部地区的光伏发电规划，基于能源利用效率考虑，应当优先发展分布式光伏发电项目，首先通过区块划分、屋顶资源预测，结合相关模型和数据预测出分布式光伏容量的空间分布，然后通过极限渗透率预测出区域可开放的光伏发电容量，进而推算出地面光伏电站的容量上限及空间布局。1光伏发电空间布局规划的原则与方法进行光伏发电空间布局规划，首先通过屋顶资源、土地及水域资源等要素的现状调查和分析，预判可建设分布式光伏和地面光伏电站的落点；然后按照空间负荷和屋顶等资源的预测，结合不同发展阶段的渗透率选择，测算各规划水平年分布式光伏和地面光伏电站的空间布局。1.1光伏发电项目分类光伏发电项目主要有分布式光伏、地面光伏电站。目前分布式光伏项目主要利用光伏面板在屋顶建设，也可以通过光伏薄膜、大楼玻璃幕墙等方式按照建筑一体化建设。但由于造价等原因，屋顶光伏仍为分布式光伏的主要利用方式。分布式光伏发电主要以就地消纳部分电量、余量上网的方式，也可选择“全额上网”或者“全部自用”的方式。对于东部地区，地面光伏电站项目，目前主要利用地面、湖泊、鱼塘、农业大棚等方式建设，发电量主要是“全额上网”的方式。1.2空间划分原则根据国家能源局《光伏电站项目管理暂行办法》要求，光伏发电项目以“统筹规划、合理布局、就近接入、当地消纳”为应用原则，为满足“就近”、“当地”势必对空间进行划分，且空间划分越细，对于实施越有利。在项目审批及消纳测算上，按照乡镇、村等进行空间划分，并以此为单位进行光伏装机容量预测可行性较强。结合开展的光伏发电应用示范小镇的工作、基础数据情况和光伏项目上报流程，推荐以乡镇、街道为单位进行空间分布规划。1.3光伏装机容量计算原则光伏装机容量预测模型主要是通过对地面或者屋顶面积的统计和预测，结合当地光伏电站建设的特性计算出有效光伏使用面积，从而计算出光伏装机容量。光伏装机容量预测模型：式中：f1是将区域的地理、建筑特征F（x，y）映射成光伏使用面积S（x，y）；f

2将使用面积映射成光伏装机容量P（x，y）。1.4光伏装机容量计算原则光伏装机容量空间分布预测主要流程是通过分区域屋顶资源的计算，预测出分布式光伏容量，再通过渗透率的分析，得出区域可开放的光伏总容量上限，从而推算出各乡镇、街道的地面光伏电站容量。2分布式光伏空间布局规划2.1屋顶资源预测充分利用具备条件的建筑屋顶（含附属空闲场地）资源，重点考虑屋顶面积大、用电负荷大、电网供电价格高的开发区和大型工商企业率先开展光伏发电应用。屋顶的来源有工业厂房、商业建筑、医院等公建设施、行政办公楼及居民住宅等。其中，效益最大是商业建筑，但是单体面积小、协调量大；行政办公楼及居民住宅面积总量最大，但是涉及主体多且协调困难，屋顶可利用面积小。因此，现阶段最推荐的是工业厂房，其次为集中连片的商业建筑或医院，居民住宅建筑投资困难。因此规划需要统计的主要是可利用的工业屋顶，其次是公建屋顶和连片的商业建筑。在屋顶资源现状统计数据基础上，通过分析屋顶资源历史数据，建立数学模型，预测规划水平年的屋顶面积。由于分乡镇屋顶面积历史统计数据收集困难，可以通过土地利用规划中建设用地的增长率来简单测算屋顶面积增长。2.2分布式光伏总装机容量预测区块（乡镇、街道）的分布式光伏总装机容量可由式（1）进行预测：式中：Pi为第i个区块分布式光伏总装机容量，kW；m为屋顶类别个数；Ei为第i个区块最大光照强度，kW/m2；Sij为第i个区块第j类屋顶面积，m2；aij为第i个区块第j类屋顶的有效利用率，%；bij为第i个区块第j类屋顶的光伏普及率，%；η为光伏转换效率，%。某区块的最大光照强度可依据中国气象局风能太阳能评估中心推荐的国内太阳能资源地区分类，以及美国国家航空航天局（NASA）提供的太阳能资源数据获得。某区块屋顶面积可根据第2.1部分介绍的方法获得。不同建筑类型的屋顶有效利用率可根据相关文献［3］的分析获得，如表1所示。式中屋顶光伏普及率，需要在现状普及率基础上，分析当地政策情况。在现有政策背景下，普及率应该有一个增长的趋势。建议采用对数函数回归曲线来拟合。公式如下：式中：Y为普及率，%；x为将年份转化为数字序列的数字。a和b是调整系数，通过对现状和历史数据的拟合，得出a和b的数值。在理论上光伏发电系统的总效率由太阳电池阵列的效率、逆变器的效率、交流并网效率３部分组成，光伏发电系统总效率为３个效率之积；结合实际光伏发电系统实际运行效率数据，综合考虑，选取光伏发电系统的转换效率为80%。根据公式（2）进行计算，可得出各乡镇、街道规划水平年的分布式光伏总装机容量。3地面光伏电站空间布局规划3.1渗透率上限分析光伏发电受天气影响有很大的随机性，随着光伏电源数量的增加与光伏渗透率的提高，配电网系统变得更加复杂。不适当的光伏容量与位置，导致电压波动、越限等问题。分析得出“由于光伏容量渗透率极限是基于负荷和光照历史数据而计算得到的，光伏容量渗透率极限范围在9%～33%之间具有一定的随机性”；分析得出“弱电网光伏地面电站穿透功率极限为16.1%”。通过对东部某地区配电网分布式光伏接入仿真计算，根据分布式光伏安装位置不同，极限渗透率为19.5%～30%。一般普遍认为渗透率不能超过30%，光伏发电规划推荐近期按渗透率25%、远景按30%进行上限控制，超过上值的项目，需要进行消纳分析和电能质量分析，或者通过规模整合以更高电压等级上网。3.2地面光伏电站总装机容量预测在规划水平年电网规划预测的负荷水平基础上，通过渗透率上限计算出规划水平年的光伏容量（分乡镇），再减去当年分布式光伏容量后得到可开放建设的地面光伏电站容量。4实例分析以东部某市各镇光伏容量规划为例进行说明。首先统计屋顶面积，受数据采集限制，规划简化为以统计企业屋顶面积为主，再通过各区域建设用地的增长来预测屋顶面积的增幅。为便于相关参数的选择，首先将该市各镇域屋顶资源面积按照性质进行分类，分为公共商业性建筑面积、企业建筑面积以及居民用户屋顶面积三类。可利用屋顶面积统计及测算结果如表2。区块最大光照强度都按3.7kW/m2计算，屋顶有效利用率按表1计算，光伏普及率按式（2）的模型计算，光伏转换效率取80%。利用公式（2）可预测出各镇分布式光伏发电装机容量，结果见表3。根据该市各镇电力电量预测（见表4第2列），以“优先发展分布式光伏发电，有序发展地面光伏电站”为前提，取光伏渗透率为30%进行计算。可得某市2020年各镇光伏容量规划结果见表4。此外，以社会效益最优为规划原则，对规划的地面光伏电站项目通过计算电站本体投资、接入电网配套投资、运行费用等来测算项目单位造价，按照单位造价进行项目排序，从而引导项目开发。对于空间可开放容量之外的光伏项目，可以通过大容量以220kV及以上电压等级上网方式进行消纳，或者具体分析当地的实际消纳能