基于遙感數據川西高原光伏開發適宜性研究

袁紅, 易桂花, 張廷斌,3, 別小娟, 李景吉, 王國嚴, 徐永浩

(1.成都理工大學地球科學學院,成都 610059; 2.成都理工大學旅游與城鄉規劃學院,成都 610059;3.國家環境保護水土污染協同控制與聯合修復重點實驗室(成都理工大學),成都 610059; 4.成都理工大學生態環境學院,成都 610059)

0 引言

聯合國政府間氣候變化專門委員會(intergovernmental panel on climate change,IPCC)發布的第六次評估報告第三工作組報告顯示[1],1850年以來二氧化碳(CO2)累積凈排放總量持續增加,2010—2019年全球溫室氣體(greenhouse gas,GHG)年均排放量達到人類歷史最高水平。在現有計劃的化石燃料基礎設施服役期限內,若不額外減排,將無法完成全球溫升控制在1.5 ℃以內的目標。抑制全球氣候變化、減少CO2排放刻不容緩。能源生產和消費相關活動會產生大量CO2[2],我國化石能源碳排放約占總排放量80%以上[3],是當前世界上最大的CO2排放國[4]。為應對CO2增加導致氣候變化和生態環境惡化的問題,我國明確提出2030年前碳達峰、2060年前碳中和的目標[5],大力推動能源領域碳減排,以加快構建現代能源體系[2]。太陽能清潔無污染、取用不竭,被認為是未來最具價值的能源之一[6]。

太陽能資源的評估是其開發利用的重要條件,國內外學者對太陽能資源的時空分布特征、變化趨勢和開發潛力等方面進行了大量研究[7-10]; 太陽能資源的開發與利用主要包括光伏開發適宜性分析[11-14]、光伏電站的選址研究[15-16]和光伏發電潛力評估[17-18]等方面。其中,光伏開發適宜性分析是光伏電站建設的基礎性工作[13],而光伏發電潛力評估有利于能源政策制定和光伏產業的健康發展[18]。同時,相關研究表明,光伏發電有利于建設地區節能減排[19-20]。2021年9月底,我國累計光伏裝機容量為2.78億kW,發電為2 486億kWh[21]。然而,在光伏產業迅速發展的同時,盲目建設電站問題日漸顯現,如何選擇合適的光伏電站廠址成為光伏開發的重要問題。

國外關于光伏開發適宜性的研究較多,評價指標主要包括氣象、地形、位置、植被和人文等方面[11,14,22-23],而國內研究多集中于氣象、地形和位置等[13,20],較少把植被、河流和保護區距離等作為評價指標。不同評價指標采用的數據有所不同,遙感數據具有時間序列長、覆蓋范圍廣和成本低等優勢[24],已有文獻將其作為評價指標進行光伏開發相關研究[11,13,20]。此外,光伏電站多建設在地形平坦的區域,忽視了發電潛力較高的山區和丘陵地帶[25],同時隨著光伏電站裝機規模不斷增加,太陽能資源豐富、地形平坦和地理位置等優越的土地資源不斷減少[26]。《四川省“十四五”能源發展規劃》[27]強調重點推進三州一市光伏發電基地建設,“十四五”期間擬新增太陽能發電1 000萬KW以上。鑒于此,本研究以川西高原為研究區,通過構建光伏開發適宜性評價指標體系,評估光伏開發適宜性區域,進而估算川西高原光伏發電潛力和減排效應。

1 研究區概況及數據源

1.1 研究區概況

川西高原位于四川省西部,地理坐標范圍為N27°57′～34°11′,E97°21′～104°26′,區域面積約2.31×105km2,包括甘孜藏族自治州和阿壩藏族羌族自治州的31個縣。川西高原地處我國第一、二級階梯過渡區,地形起伏較大,平均海拔約3 980 m(圖1(a)),地勢西北高、東南低。區內土地利用類型多樣,包括耕地、林地和草地等 (圖1(b))。川西高原主要氣候類型為寒溫帶氣候,光照充足,氣溫較低,干濕季分明,降水較少。

(a) 研究區高程和氣象站點分布 (b) 土地利用類型

1.2 數據來源及處理

1)遙感數據。整體水平輻照數據 (global horizontal irradiance, GHI)來自Global Solar Atl-as 2.0 (https: //globalsolaratlas.info/)。為多年平均數據,空間分辨率為250 m,單位為kWh/m2,該數據由衛星遙感(EUMETSAT的Meteosat系列衛星和美國NOAA的GOES系列靜止軌道氣象衛星)、GIS技術和一系列科學算法得到。NDVI (normalized difference vegetation index) 數據來源于NASA(national aeronautics and space administration)(https: //ladsweb.modaps.eosdis.nasa.gov/)發布的MODIS MOD13A1產品,時間分辨率為16 d,空間分辨率為500 m,本研究使用2000—2018年的數據。30 m空間分辨率全球地表覆蓋數據GlobeLand30(http: //www.globallandcover.com)采用的分類影像為30 m多光譜影像,主要包括Landsat,HJ-1和16 m空間分辨率GF-1。該數據分為耕地、濕地和草地等10個一級類型,耕地、濕地和人造地面等不適宜建設光伏電站,將數據重分類為限制區和非限制區2類,并剔除限制區。

2)氣象數據。川西高原周邊35個氣象站點2000—2018年的氣溫、日照時數和降水量逐日數據由中國氣象科學數據中心(http: //data.cma.cn)提供。氣溫采用Anusplin法[28],日照時數和降水量均采用Kriging插值法[29-30]進行空間插值。

3)基礎地理要素數據。道路、居民點、河流和保護區數據來源于1∶100萬全國基礎地理數據庫(全國地理信息資源目錄服務系統,https://www.webmap.cn)。通過歐氏距離分析,獲得不同基礎地理要素圖層。

4)地形數據。DEM(digital elevation model)數據來自地理空間數據云平臺(https: //www.gscloud.cn/)的SRTM(shuttle Radar topography mission),空間分辨率為90 m,利用DEM生成坡度、坡向數據。川西高原海拔5 000 m以上的區域大多為永久性冰川覆蓋區[31],將5 000 m以上高程區域設置為限制區予以剔除。

5)社會經濟數據。2019年四川省電力消費來自四川省統計年鑒[32]。

本研究所使用的數據(DEM,GHI和NDVI等)均經過投影變換、裁剪、重采樣等數據處理,地理參考為WGS_1984_UTM_zone_47N,空間分辨率統一為500 m×500 m。

1.3 評價指標選取

光伏電站建設受到諸多因素影響,選取氣象、地形、位置和植被作為一級指標,進一步將一級指標分為若干二級指標。氣象指標包括太陽輻射、氣溫、日照時數和降水量4個二級指標。太陽輻射是評價光伏開發適宜性的重要指標,直接決定了光伏電站的發電量。日照時數會影響太陽能資源穩定度。氣溫和降水量間接影響太陽輻射,從而降低電站發電效率。地形分為坡度和坡向2個指標。坡度、坡向對太陽輻射和日照時數產生很大影響,川西高原位于北半球,南向和平面所獲取的太陽輻射值較大,坡度和海拔高低則會影響建設成本和運維難度。居民點距離、河流距離、道路距離和保護區距離屬于位置指標。距居民點距離越近,越靠近消費市場,可減少電力運輸成本和運輸帶來的電力損耗。光伏電站運行中,太陽能電池表面塵埃會降低光伏電站工作效率[13],定期對光伏電站表面清洗耗水量較大,故河流距離越近越好。道路距離則影響光伏電站前期修建以及后期運營維護。作為我國西部重要的生態屏障,川西高原各類自然保護區50余處,是四川省重要的生態保護紅線區[33]和旅游開發勝地[34],光伏電站建設應避開保護區位置。NDVI為植被的二級指標,NDVI大小表示研究區植被覆蓋度情況。NDVI值范圍在[-1,1]之間,小于或等于0,代表無植被覆蓋; 值越接近1,植被覆蓋度越高。光伏電站的建設宜選擇植被覆蓋度低的地區,以保護川西高原的生物多樣性。

2 研究方法

2.1 層次分析法

層次分析法將研究問題劃分為若干層次,每個層次再分解為多個指標,通過計算得出各層次指標權重,從而確定各指標的重要程度[35]。若某層次有n個指標,根據9級標度法[36]兩兩比較指標的重要程度,構建判斷矩陣P,即:

(1)

式中:Pij為第i個指標相對于第j個指標的重要性程度判斷值;Pji=1/Pij(i,j=1,2,…,n);n為指標個數。若i=j,Pij=Pji=1。

采用特征值法求解最大特征根及特征向量,再對判斷矩陣進行一致性檢驗,公式為:

(2)

(3)

式中:CR為一致性比率;RI為隨機一致性指標(表1) ;CI為一致性指標;λmax為最大特征根。若CR<0.1,表示通過一致性檢驗,對特征向量歸一化處理得到指標權重,否則需對判斷矩陣進行修正。

表1 隨機一致性指標

本研究運用層次分析法對一、二級指標構建判斷矩陣,最終得到各指標的權重(表2)。

表2 研究區光伏開發適宜性評價指標及其權重

2.2 太陽能資源穩定度計算

按中華人民共和國氣象行業標準(QX/T 89—2008)[37],根據太陽總輻射量評估太陽能資源豐富程度(表3)。以日照時數大于6 h天數的最大與最小值之比來評估太陽能資源穩定程度,比值越低,穩定程度越好(表4),計算公式為[38]:

(4)

表3 太陽能資源豐富程度分級

表4 太陽能資源穩定程度分級

,

式中:K為太陽能資源穩定度; max()和min()表示最大和最小值的標準函數;Day1,Day2,…,Day12分別為1—12月各月日照大于6 h的天數。

2.3 光伏開發適宜性計算

太陽輻射、日照時數和保護區距離為極大型指標,值越高,則分級越高; 而極小型指標與其相反,氣溫、降水量、坡度、道路距離、居民點距離、河流距離和NDVI屬于極小型指標[11-12,39]; 坡向屬于區間型指標,表示落在某個區間內最好,南向和平面分級最高,北向分級最低。各二級指標分為1～10級,極大和極小型指標采用等間隔距離法分級,區間型指標根據坡度朝向進行分級[13]。利用分級后的太陽輻射、日照時數和氣溫等二級指標圖層與一、二級指標權重計算光伏開發適宜性指數[11],計算公式為:

(5)

式中:S為光伏開發適宜性指數;Wk為第k個一級指標的權重(k=1,2,…,r);r為一級指標個數;Wkl為第k個一級指標下第l個二級指標的權重(l=1,2,…,s);s為一級指標下二級指標個數;Gkl為第k個一級指標下第l個分級后的二級指標。

2.4 光伏發電潛力估算

發電潛力評估是光伏電站建設前的重要環節,計算公式為[20]:

SEGP=ASRSAAFPE(1-LO) (1-AP)

,

(6)

式中:SEGP為光伏發電潛力,KWh;ASR為年平均太陽總輻射,kWh·m-2;SA為適合光伏開發的占地面積,m2;AF為面積因子,表示區域內太陽能可利用比例,本研究取值為0.35;PE為電池板的發電效率,光伏板的種類會影響總能量的輸出,本研究采用多晶硅光伏板發電效率,取值為16.5%;LO為損耗率,本研究取值為7.5%[40];AP為棄光率,本研究取值為3% (http: //www.nea.gov.cn/)。

2.5 CO2減排潛力估算

本研究不考慮光伏電站生命周期其他階段(光伏部件制造和建設等)的影響,采用光伏發電潛力作為發電量估算CO2減排潛力[41],公式為:

C=SEGPEF

,

(7)

式中:C為CO2減排潛力;EF為CO2排放因子,川西高原屬于華中區域電網,故本研究取值為0.724 2 tCO2/MWh[42-43]。

3 結果與分析

3.1 太陽能資源分析

川西高原各縣年太陽總輻射多年平均值在575.64～1 941.3 kWh/m2之間(圖2(a)),年輻射值在1 400 kWh/m2以上的有鄉城縣、得榮縣和理塘縣等25個縣,其中鄉城縣年總輻射量最大1 675 kWh/m2。川西高原太陽能資源豐富程度(圖2(b))大致呈現出西高東低的特點,理塘縣、巴塘縣和稻城縣等縣為太陽能資源最豐富地區。資源很豐富地區分布范圍較廣,包括川西高原西部、北部和南部大部分地區,資源較豐富和不豐富地區主要分布在川西高原東部。年內日照時數大于6 h的天數統計結果表明(圖2(c)),川西高原除德格縣西部和汶川縣東部以外,日照時數大于6 h的天數均在100 d以上,其中北部、西北部以及西南部地區大于200 d。川西高原太陽能資源穩定程度分布中(圖2(d)),不穩定區域位于德格縣西部和小金縣東部,北部為穩定地區,其余地區為較穩定地區,分布范圍最廣。

(a) 太陽總輻射空間分布 (b) 太陽能資源豐富程度分布 (c) 日照時數大于6 h天數分布 (d) 太陽能資源穩定程度分布

3.2 評價指標分級及分布規律

川西高原太陽輻射分級整體上表現為西部高于東部的空間分布特征(圖3(a)),西南部的理塘縣、雅江縣、稻城縣、巴塘縣一帶和北部的石渠縣、色達縣、甘孜縣、若爾蓋縣分級高。太陽輻射分級較低區主要分布在川西高原東部,包括瀘定縣、汶川縣、茂縣東南部、松潘縣東部和九寨溝縣。川西高原氣溫(圖3(b))和降水量(圖3(c))指標分級呈東南向西北逐漸增加的趨勢。日照時數(圖3(d))總體分級較高,但分布不均勻。理塘縣中部、稻城縣北部、鄉城縣東北部、理塘縣與雅江縣交界處以及石渠縣北部日照時數長,分級高。而川西高原東部和德格縣西部等10個縣域日照時數較短,屬于低分級區,其中日照時數最短地區出現在汶川縣東南部。坡度(圖3(e))分級較高區域主要分布在川西高原東北部的紅原縣和若爾蓋縣一帶的沼澤化高平原、石渠縣和色達縣丘狀高原、巴塘縣、白玉縣和理塘縣交界處的沙魯里山丘狀高原以及康定縣西部丘狀高原等地區,其余地區坡高谷深,分級較低。川西高原位于北半球,坡向指標分級(圖3(f))南方向和平面所對應的指標分級最大,北方向對應的分級最小。道路距離(圖3(g))、居民點距離(圖3(h))和河流距離分級(圖3(i))都較密集,差別較小。川西高原保護區較多,大部分地區離保護區位置近,分級較低 (圖3(j))。NDVI分級較高的區域(圖3(k))多分布在高海拔區域,包括石渠縣東北部和西南部、德格縣中部、甘孜縣南部、新龍縣與白玉縣交界邊緣、理塘縣與巴塘縣交界處、康定縣南部、黑水縣與紅原縣交界處、松潘縣東部、九寨溝縣南部以及小金縣、理縣和汶川縣的交界地帶。而分級較低區域多出現在海拔3 000 m以下的東部和南部地區,主要分布在瀘定縣東部、丹巴縣東部、雅江縣中部、九寨溝縣東部、若爾蓋縣西南部以及大渡河、雅礱江和岷江流域。總體而言,各二級評價指標空間分布特征差異明顯。

3.3 光伏開發適宜性分析

剔除限制區后,光伏開發適宜性評估區域占川西高原總面積的57.43%,光伏開發適宜性指數范圍在(3.64,9.26)之間,主要表現為西高東低的空間分布特征。依據等間隔距離法將該指數劃分為低適宜(3.64,4.76]、較低適宜(4.76,5.89]、適宜(5.89,7.01]、較高適宜(7.01,8.13]和高適宜(8.13,9.26)5級(圖4)。低適宜區面積約占研究區總面積的0.10%,較低適宜區面積約占研究區總面積的1.29%。低適宜區和較低適宜區分布相對較少,主要分布在川西高原東部邊緣各縣域; 適宜區、較高適宜區面積占比分別為7.65%和39.43%,適宜區分布范圍最廣,在川西高原各縣均有分布。較高適宜區面積占比最大,分布范圍包括川西高原中部、西部、西北部和北部地區,其中,石渠縣較高適宜區面積最大; 高適宜區面積約2.07×104km2,面積占比為8.96%,主要分布在川西高原西南和西北地區,西南部包括理塘縣、稻城縣北部、雅江縣西北部、鄉城縣和巴塘縣部分地區,西北部為石渠縣、色達縣和甘孜縣,東北部若爾蓋縣分布較多,其他縣域也有少量分布。石渠縣高適宜區面積最大,理塘縣次之(圖5)。高程限制區涉及理塘縣西部、巴塘縣中部、瀘定縣和康定縣交界處、石渠縣西南部、德格縣中部和甘孜縣南部; 土地覆蓋限制區主要分布在川西高原東部、南部和西部部分縣域。

圖4 研究區光伏開發適宜性分級

圖5 研究區不同縣域光伏開發適宜性分級面積

高適宜區光伏開發優勢明顯,是最佳光伏電站建設場所,區內植被覆蓋度較低,土地利用類型主要以草地為主,用地成本較低,年太陽總輻射在1 300 kWh/m2以上,年日照時數高于1 500 h,保障了發電量和發電效率,坡度相對緩和,位于0～33.92°之間,有利于大規模集中式光伏電站建設,距居民點和道路距離適中有利于降低建設和運維成本,河流距離較近保證充足水源對光伏電站表面定期清洗,同時避開了保護區位置。較高適宜區和適宜區用地類型主要為草地,年太陽總輻射較強(869 kWh/m2以上),年日照時數較長(1 000 h),坡度較為平緩,距居民點、主要道路、河流以及保護區距離較為適中,光伏開發的優勢較為明顯。較低適宜區和低適宜區,年總太陽輻射和平均日照時數條件相對較差,坡度較陡,不適宜大規模光伏建設,距居民點和主要道路距離較遠增加了光伏建設成本,河流距離較遠、保護區距離太近對光伏表面清潔以及研究區生態保護造成一定影響。

3.4 發電潛力和減排效應分析

川西高原光伏發電潛力整體上西部高于東部地區,高適宜區全部開發情景下發電潛力為17 197.97億kWh,相當于新型冠狀病毒疫情發生前四川省2019年電力消費總量的6.52倍,開發利用15.33%,即可滿足2019年四川省的全年用電需求。縣域層面(表5),石渠縣發電潛力最大,達到6 203.25億kWh,其次為理塘縣,小金縣發電潛力較小,為0.38億kWh。九寨溝縣、潘松縣和黑水縣等東部7個縣不具有光伏發電潛力。新型冠狀病毒疫情發生前,2019年我國CO2排放總量為97.95 億t,四川省為3.15億t[44-47]。高適宜區全部開發情景下CO2減排潛力為12.45億t(表6),約為我國2019年CO2排放總量的12.71%,是四川省的3.95倍。傳統火力發電每發電1 kWh,對應消耗標準煤0.335 kg,同時排放二氧化硫(SO2)0.03 kg、炭粉灰0.272 kg、氮氧化物(NOX)0.015 kg[48]。川西高原高適宜區光伏資源100%開發利用情景下(表7),可節約5.76億t標準煤,減排炭粉灰4.68億t,SO20.52億t和NOX0.26億t; 參考盧霞[48]對荒漠戈壁區光伏電站建設重金屬減排效應的研究,川西高原高適宜區多晶硅電池板重金屬As,Cr,Pb,Hg,Ni,Cd減排量分別約為2 875.50 t,6 902.41 t,7 441.56 t,83.41 t,8 061.89 t和114.8 t(表8)。

表5 各縣高適宜區光伏發電潛力

表6 高適宜區不同開發強度情景下發電潛力和CO2減排潛力

表7 高適宜區不同開發強度情景下煤炭與常規污染物減排潛力

表8 高適宜區不同開發強度情景下重金屬減排潛力 Tab.8 Potentials of heavy metal emision reduction under different development intensity scenarios in high suitable area (t)

4 討論與結論

4.1 討論

川西高原發電潛力巨大,預期節能減排效果顯著。然而,光伏開發挑戰與機遇并存。川西高原屬于少數民族地區,人口少,電力供過于求,容易產生電力消納問題。此外,川西地區電網及其配套設施薄弱,電力輸送困難。《四川省“十四五”能源發展規劃》[27]提出“優化布局三州一市送出通道,實施 500 kV輸變電加強工程”的重要部署。規劃實施有望促進川西能源基礎設施建設,進而緩解東部電力緊張問題,促進川西地區融入東部地區經濟發展。同時,光伏發電存在間歇性、波動性和發電不穩定的缺點。近年來,中央和各級地方政府頒布了一系列利好政策,包括建設抽水蓄能電站、優化電力調度機制等[27]。將推動川西高原光伏產業快速發展,有望彌補光伏發電的不足。

受海拔地形因素影響,川西高原光伏電站建設難度較大。隨著技術水平大幅提升,在地形復雜地區開展電站建設成為可能[26],四川省甘孜州鄉城縣已于2022年10月建成投產全球第一個超高海拔光伏實證基地項目,預計年發電量約7.74億kWh[49]。我國西部地區太陽能資源豐富,但自然環境較為惡劣,需通過科技創新不斷提高技術水平,降低建設運營成本,將資源稟賦轉變為發展優勢。

已有研究表明,大規模建設光伏電站會對自然環境[50]、生物多樣性[51]和氣候[52-53]等方面造成一定的影響,其影響存在于光伏電站不同生命階段(建設、運行、報廢)[54]。翟波等[51]認為草原地區光伏電站的建設會影響當地自然環境和植物群落特征; 而王濤等[55]認為光伏板的遮陰作用有利于耐蔭性植物生長。光伏電站的布設也可以增加相對濕度、改變風向、降低風速和土壤溫度等[52]。川西高原生態環境脆弱,如何在不破壞生態環境的情況下建設光伏電站?光伏電站建設對地表、植被和區域小氣候會產生怎樣的影響?其影響是正向還是負向?亟待解決。此外,居民態度、變電站距離、技術等其他因素在一定程度上也會影響光伏電站選址,在今后研究中,需拓展評價指標體系以確保分析結果更加客觀合理。

4.2 結論

本研究圍繞光伏開發適宜性、發電潛力和減排效應展開相關研究,主要結論如下:

1)川西高原光伏電站建設高適宜區面積約2.07×104km2,主要分布在川西高原西南和西北地區。石渠縣高適宜區面積最大,理塘縣次之。高適宜區年太陽總輻射值在1 300 kWh/m2以上,年日照時數高于1 500 h。

2)川西高原發電潛力巨大,高適宜區全部開發情景下發電潛力為17 197.97億kWh,相當于新型冠狀病毒疫情發生前四川省2019年電力消費總量的6.52倍,開發利用15.33%即可滿足四川省2019年的全年用電需求。

3)與傳統火力發電相比,川西高原高適宜區光伏發電每年潛在CO2減排量為12.45億t,約為新型冠狀病毒疫情發生前我國2019年CO2排放總量的12.71%,是四川省的3.95倍。同時,可節約5.76億t標準煤,減排炭粉灰4.68億t,SO20.52億t,NOX0.26億t,重金屬As,Cr,Pb,Hg,Ni,Cd減排量分別為2 875.50 t,6 902.41 t,7 441.56 t,83.41 t,8 061.89 t,114.8 t。