CN110837977A - 一种光伏发电基地理论、技术、经济三维开发潜力评估方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光伏发电基地理论、技术、经济三维开发潜力的评估方法，包括以下步骤：获取全球光伏发电基地资源数据，并选取需要评估的光伏发电基地；分别建立光伏发电基地理论、技术、经济开发潜力评估模型；计算并输出所选取区域光伏发电基地的理论开发潜力、技术可开发量和经济可开发量；本发明提出了基于卫星遥感数据改进太阳能资源技术可开发量的评估方法，解决了现有资源开发潜力研究考虑因素不全面、量化研究数据不完备等问题，有效提升了太阳能资源开发潜力评估的精确度，为加快全球能源转型、跨国电力互联网构建提供有力支撑。

Description

一种光伏发电基地理论、技术、经济三维开发潜力评估方法

技术领域

本发明涉及电力系统分析技术领域，具体涉及一种光伏发电基地理论、技术、经济三维开发潜力的评估方法。

背景技术

能源安全、生态环境等可持续发展问题日益严峻，加快发展新能源已成为世界各国的普遍共识，纷纷制定了以新能源为支点的能源转型战略，推动跨国跨洲新能源基地开发和外送。系统、准确掌握全球光伏发电基地资源的开发潜力及出力特性，对科学开展全球大型光伏发电基地开发和布局建设起到基础性作用。

目前，全球大型光伏发电基地资源开发潜力评估面临两大难点。一是数据完备性和评估方法准确性问题。一些机构已在该领域开展了相关工作，但由于缺乏全球资源评估数据，且各机构的评估标准、方法、内容深度尚未统一，导致评估结果差异较大；二是国内缺乏自主知识产权的开发潜力评估系统。IRENA、NREL等机构已构建全球太阳能资源评估系统，但基本不对外开放。中国气象局，水电、水利规划设计总院等单位建立了国内太阳能资源评估系统，而对全球范围太阳能资源刻画不足，且缺乏开发潜力、出力特性、基地联网电力流等相关研究和应用。

有鉴于此，亟需提供一种可解决现有资源开发潜力研究考虑因素不全面、量化研究数据不完备等问题，有效提升了太阳能资源开发潜力评估精确度的全球大型光伏发电基地理论、技术、经济三维开发潜力的评估方法。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是提供了一种光伏发电基地理论、技术、经济三维开发潜力的评估方法，包括以下步骤：

S1、获取全球光伏发电基地资源数据，并选取需要评估的光伏发电基地；

S2、分别建立光伏发电基地理论、技术、经济开发潜力评估模型；

S3、计算并输出所选取区域光伏发电基地的理论开发潜力、技术可开发量和经济可开发量。

在上述方法中，所述建立光伏发电基地理论开发潜力评估模型包括：

光伏电站基地开发的基本条件为：该区域的年太阳能辐射量大于特定值；

在满足所述条件下，利用单位面积法测算每个网格光伏电站理论开发量：

E_theory＝S_theory×W (1)

式中，E_theory为区域内光伏电站技术开发量；S_theory为区域内光伏电站理论上可安装面积，粗略计算可用基地总面积乘以可安装面积率，W为区域内单位面积可安装的光伏电站容量；其中，

根据区域理论开发量、峰值年日照时间、光伏发电系统效率，计算区域内光伏电站的年发电量和发电利用小时数，具体计算如下：

区域内光伏电站年发电量估算公式如下：

式中，w_s/千瓦时，为区域内光伏电站年发电量；E_s,i/千瓦时，为第i个区域内的光伏电站理论开发量；τ_i为区域内第i个区域内的峰值年日照时间；η为光伏发电系统效率；

区域内光伏电站年理论发电利用小时数为区域光伏电站总发电量/区域内总技术开发量，具体公式如下：

在上述方法中，所述建立光伏发电基地技术开发潜力评估模型包括步骤：

利用地理信息系统，确定区域内限制和不可开发的区域，及光伏发电基地可开发区域的位置、面积和技术可开发量；

在所述区域理论可开发量的基础上，进一步剔除不可开发和限制区域的面积，具体估算公式如下：

T_technology＝S_theory-N-F (4)

式中，T_technology为区域内技术可安装面积；N、F分别为技术不可开发和限制开发区域的面积；

式中，N_i为第i种地理基础要素的不可开发面积；

式中，F_t为第t种限制地理基础要素的开发面积；R_t为第t种限制地理基础要素的开发面积的可利用面积率。

在上述方法中，所述建立光伏发电基地经济开发潜力评估模型包括步骤：

采用LCOE刻画不同基地的经济性，从而进一步测算光伏发电基地的经济可开发量，计算具体如下；

在技术可开发T_technology区域内，考虑不同区域的运维成本、输电成本因素，将T_technology分为k个子区域T_k，测算各个T_k的LCOE，具体测算公式如下：

式中，E_economic为区域内光伏电站经济可开发量；

为第n年T_k地区测算的度电成本；P_{local_grid}、P_{local_thermal}、P_{cross_province}分别为第n年该区域电网平均上网电价、火电平均上网电价和外送平均上网电价。

在上述方法中，所述全球光伏发电基地资源数据包括高分辨率太阳能资源及气候要素数据库；

全球光伏发电基地资源数据涵盖全球范围内分辨率为4×4公里的单一数据点多年平均太阳能资源数据，包括太阳水平总辐射、法相直接辐射的历史数据。

在上述方法中，所述地理基础要素的获取采用30m分辨率的Landsat-8OLI卫星遥感数据和图件成果资料，以及文献资料查阅、汇总，采用目视解译、扫描矢量化和图件更新方式，基于ArcGIS或ENVI软件，建立相应区域地理基础要素数据集。

本发明提出了基于卫星遥感数据改进太阳能资源技术可开发量的评估方法，解决了现有资源开发潜力研究考虑因素不全面、量化研究数据不完备等问题，有效提升了太阳能资源开发潜力评估的精确度，为加快全球能源转型、跨国电力互联网构建提供有力支撑。

附图说明

图1为本发明提供的流程图；

图2为本发明实施案例中我国太阳能年辐射辐照量分布示意图；

图3为本发明实施案例中青海省太阳能辐射量分布示意图；

图4为本发明实施案例中青海省土地类别分布示意；

图5为本发明实施案例中青海省不可开发区分布示意；

图6为本发明实施案例中青海各地区光伏电站LCOE测算结果。

具体实施方式

本发明提出了理论、技术和经济可开发量的太阳能资源开发潜力综合评估方法模型。提出了基于卫星遥感数据改进太阳能资源技术可开发量的评估方法，首次建立基于LCOE的多因素经济可开发量评估模型，解决了现有资源开发潜力研究考虑因素不全面、量化研究数据不完备等问题，有效提升了太阳能资源开发潜力评估的精确度。本发明以青海为例，定量研究青海光伏电站基地理论、技术、经济三维开发潜力，研究成果将为准确刻画全球不同地域大型光伏发电基地开发潜力提供有价值的参考依据和方法，为加快全球能源转型、跨国电力互联网构建提供有力支撑。下面结合具体实施方式和说明书附图对本发明做出详细的说明。

如图1所示，本发明提供了一种光伏发电基地理论、技术、经济三维开发潜力的评估方法，包括以下步骤：

S1、获取全球光伏发电基地资源数据，并选取需要评估的光伏发电基地。

本实施例，全球光伏发电基地资源数据来源于GeoModel Solar公司开发的太阳能资源评估工具SolarGIS，利用卫星遥感数据、GIS(地理信息系统)技术得到高分辨率太阳能资源及气候要素数据库，涉及范围已涵盖欧洲、非洲和亚洲。涵盖全球范围内分辨率为4×4公里的单一数据点多年平均太阳能资源数据，包括太阳水平总辐射、法相直接辐射的历史数据。

S2、分别建立光伏发电基地理论、技术、经济开发潜力评估模型；具体包括以下步骤：

S21、建立光伏发电基地理论开发潜力评估模型；

光伏电站基地开发的基本条件之一是该区域的年太阳能辐射量(GHI)必须大于特定值、坡度小于15％。从目前国内外光伏电站建设的实践和经验来看，GHI一般要大于1200千瓦时/米2才具备开发价值。

通过S1步骤获取太阳能总辐射量、法相直接辐射历史数据，并在满足上述条件下，首先利用单位面积法测算区域内光伏电站理论开发量；计算具体如下：

E_theory＝S_theory×W (1)

式中，E_theory为区域内光伏电站技术开发量；S_theory为区域内光伏电站理论上可安装面积，计算可用基地总面积乘以可安装面积率，一般经验值设定为5％左右；W为区域内单位面积可安装的光伏电站容量，一般经验值取为25-30瓦/平方米。

再根据区域理论开发量、峰值年日照时间、光伏发电系统效率，计算区域内光伏电站的年发电量和发电利用小时数，具体计算如下：

区域内光伏电站年发电量估算公式如下：

式中，w_s/千瓦时，为区域内光伏电站年发电量；E_s,i/千瓦时，为第i个区域内的光伏电站理论开发量；τ_i为区域内第i个区域内的峰值年日照时间，为区域年太阳总辐射量/1kW；η为光伏发电系统效率，一般经验值约为0.7～0.9。

区域内光伏电站年理论发电利用小时数为区域光伏电站总发电量/区域内总技术开发量，具体公式如下：

S22、建立光伏发电基地技术开发潜力评估模型；

本实施例，利用地理信息系统(GIS)，确定区域内限制和不可开发的区域，及光伏发电基地可开发区域的位置、面积和技术可开发量。

本实施例采用以可获取的最新的2017-2018年30m分辨率的Landsat-8OLI卫星遥感数据和已有的图件(包括地理卫星图片等)等成果资料为主，以及文献资料查阅、汇总，采用目视解译、扫描矢量化和图件更新等多种方式，基于ArcGIS或ENVI等商业软件，建立研究区相关区域地理基础要素数据集，包括限制地理基础要素数据集和不可开发的地理基础要素数据集；例如包括地质及其他自然灾害状况、自然保护区与禁止开发区范围、植被覆盖(包括耕地、林地湿地、沼泽地和草地等)、气候、水体信息(河流、湖泊等)、交通状况、城镇范围、历史遗迹、矿产资源开发区等数据信息。

具体包括以下计算：

在区域理论可开发量的基础上，进一步剔除不可开发和限制区域的面积，具体估算公式如下：

T_technology＝S_theory-N-F (4)

式中，T_technology为区域内技术可安装面积；N、F分别为技术不可开发和限制开发区域的面积；

式中，N_i为第i种上述地理基础要素不可开发面积，例如包括水体、湿地、沼泽地、自然保护区、历史遗迹、矿产资源等。

式中，F_t为第t种限制地理基础要素的开发面积，例如包括农田、草地、林地、灌木丛等；R_t为第t种限制地理基础要素的开发面积的可利用面积率。

S23、建立光伏发电基地经济开发潜力评估模型。

本实施例，光伏发电基地理论开发潜力和技术开发量评估结果一般较大，但是受当年开发成本、用电需求、电价水平等因素的影响，大部分光伏发电基地不具备开发经济价值。因此，采用平准化度电成本(LCOE)刻画不同基地的经济性，从而进一步测算光伏发电基地的经济可开发量，计算具体如下；

在技术可开发T_technology区域内，考虑不同区域的运维成本、输电成本等因素，将T_technology分为k个子区域T_k，测算各个T_k的LCOE，可与当年该区域平均上网电价水平，或与当年该区域火电平均上网电价相比，或与当年该区域外送的平均上网电价相比，如果LCOE小于给定的标准(该标准为光伏发电企业可接受的LCOE数值)，则该区域的光伏电站具备经济可开发价值，具体测算公式如下：

式中，E_economic为区域内光伏电站经济可开发量；

为第n年T_k地区测算的度电成本；P_{local_grid}、P_{local_thermal}、P_{cross_province}分别为第n年该区域电网平均上网电价、火电平均上网电价和外送平均上网电价。

S3、根据步骤S1和步骤S2，计算并输出所选取区域光伏发电基地的理论开发潜力、技术可开发量和经济可开发量。

本实施例，计算所选取地区光伏发电基地的理论开发潜力，根据公式(1)-(3)所建立的光伏发电基地开发潜力评估模型，根据理论可开发面积，计算所选取光伏发电基地的理论开发潜力。

计算所选取区域光伏发电基地技术可开发量,辨识基地地区内不可开发地区。根据GIS地图信息剔除不可开发地区，包括山川、河流、胡泊、地质灾害地区、自然保护区等，计算这些不可开发地区的面积，根据公式(4)-(6)，在理论可开发的面积扣减不可开发地区的面积获取最终技术可开发面积，根据步骤S21所建立的光伏发电基地开发潜力评估模型，进一步计算光伏发电基地技术可开发量、发电量和年发电小时数。

计算所选取区域光伏发电基地经济可开发量，根据公式(7)-(8)，综合考虑交通条件、土地租金、供水系统、场地整平等基础建设情况，以及设备价格、运维费用、财务费用、并网成本、输电成本等项目投资成本，并且考虑有效利用小时数和补贴优惠、财税金融政策环境等影响因素，测算地区可开发项目的全生命周期平准化发电成本，以及该区域上网电价政策下的项目内部收益率，并与该区域基准内部收益率或上网电价进行比较，高于基准内部收益率水平或低于该区域平均上网电价的地区可开发项目容量即为该区域的经济可开发量。

本发明提出了一种全球光伏发电基地开发潜力的评估方法，能够定量评估全球大型光伏发电基地的开发潜力，为科学制定全球大型光伏发电基地开发规模和布局、为全球能源互联网构建提供有力支撑。

下面通过具体案例来说明上述实施例。

如图2所示，本案例基于收集整理的全球大型光伏发电基地资源数据。全球范围内分辨率为4×4公里的单一数据点多年平均太阳能资源数据，包括太阳水平总辐射、法相直接辐射的历史数据等，并选取太阳能资源丰富的中国青海地区为评估的光伏发电基地。

如图3所示，青海太阳总辐射分布趋势是西高东低，柴达木盆地年太阳辐射量在6800MJ/m2以上，为青海省年太阳辐射量最高的地区。由柴达木盆地向东向南，年太阳辐射量逐渐减少。格尔木地区纬度高，地势较为平坦开阔，云量和雨量较少，大气透明度高，有着丰富的日照资源，年均太阳总辐射量为6823MJ/m2，年平均日照时数为3096h，是太阳能Ⅰ类资源区，是建设大型光伏电站的理想场所。

①计算所选地区理论可开发量。

本案例选取GHI大于1400千瓦时/m2，坡度小于15％的条件筛选，青海理论可开发的大型光伏电站基地713371平方公里，可开发的面积率达到99％，测算青海省光伏电站的理论可开发量10.7亿千瓦，年理论发电量达到14311亿千瓦时。

②测算所选地区技术开发潜力。根据GIS地图信息剔除不可开发地区，青海省主要水域包括青海湖、察尔汗盐湖等；地质灾害包括泥石流、滑坡、崩塌等，主要集中在西宁地区附近；青海是国家重要的自然保护地区，包括可可西里国家级自然保护区、三江源自然保护区、隆宝国家级自然保护区等，可如图4-5所示。

青海省光伏电站基地限制类地区的面积合计达到44494平方公里，占青海省总面积的6％。不可开发地区面积合计达到308166平方公里，占青海省总面积的43％，其中自然保护区的面积最大，达到245811平方公里，占青海省总面积的34％。如下表1所示：

表1、青海省各类型面积统计(单位：平方公里)

据此测算青海地区光伏电站技术可开发量5.8亿千瓦，占理论开发量的54％。

③测算所选地区经济开发潜力。

根据青海省行政区划，考虑不同地区光伏电站开发建设成本等因素，在青海光伏电站技术可开发地区的基础上初步分为9个区域，分别是格尔木、玉树、果洛、海西北部、海西中部、海西南部、海南、海北、西宁和黄南地区。

如图6所示，2017年青海省脱硫燃煤标杆上网电价为0.3247元/千瓦时，考虑到煤价上涨和环境成本等因素，预计2020年上调至0.4237元/千瓦时。根据LCOE测算结果，2017年青海七个技术可开发地区LCOE均高于脱硫燃煤标杆上网电价。2020年，随着光伏发电设备造价和建设运维成本等进一步下降，测算2020年海西中部、海南两个地区LCOE低于脱硫燃煤标杆上网电价，其它地区接近或高出标杆上网电价。

根据公式测算青海光伏电站经济可开发量上限约为1.23亿千瓦，占技术可开发量的21％。如果进一步考虑输电成本、并网成本、环境成本等其它因素，暂按经济可开发量上限的50％测算，2020年青海光伏电站经济可开发量约为6150万千瓦。

根据公式测算青海光伏电站经济可开发量上限约为1.23亿千瓦，占技术可开发量的21％。如果进一步考虑输电成本、并网成本、环境成本等其它因素，暂按经济可开发量上限的50％测算，2020年青海光伏电站经济可开发量约为6150万千瓦。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人应该得知在本发明的启示下作出的结构变化，凡是与本发明具有相同或相近的技术方案，均落入本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.光伏发电基地理论、技术、经济三维开发潜力的评估方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、获取全球光伏发电基地资源数据，并选取需要评估的光伏发电基地；

S2、分别建立光伏发电基地理论、技术、经济开发潜力评估模型；

S3、计算并输出所选取区域光伏发电基地的理论开发潜力、技术可开发量和经济可开发量；

所述全球光伏发电基地资源数据包括高分辨率太阳能资源及气候要素数据库；

全球光伏发电基地资源数据涵盖全球范围内分辨率为4×4公里的单一数据点多年平均太阳能资源数据，包括太阳水平总辐射、法相直接辐射的历史数据。

2.如权利要求1所述的评估方法，其特征在于，所述建立光伏发电基地理论开发潜力评估模型包括：

光伏电站基地开发的基本条件为：该区域的年太阳能辐射量大于特定值；

在满足所述条件下，利用单位面积法测算每个网格光伏电站理论开发量：

E_theory＝S_theory×W (1)

式中，E_theory为区域内光伏电站技术开发量；S_theory为区域内光伏电站理论上可安装面积，粗略计算可用基地总面积乘以可安装面积率，W为区域内单位面积可安装的光伏电站容量；其中，

根据区域理论开发量、峰值年日照时间、光伏发电系统效率，计算区域内光伏电站的年发电量和发电利用小时数，具体计算如下：

区域内光伏电站年发电量估算公式如下：

式中，w_s/千瓦时，为区域内光伏电站年发电量；E_s,i/千瓦时，为第i个区域内的光伏电站理论开发量；τ_i为区域内第i个区域内的峰值年日照时间；η为光伏发电系统效率；

区域内光伏电站年理论发电利用小时数为区域光伏电站总发电量/区域内总技术开发量，具体公式如下：

3.如权利要求2所述的评估方法，其特征在于，所述建立光伏发电基地技术开发潜力评估模型包括步骤：

利用地理信息系统，确定区域内限制和不可开发的区域，及光伏发电基地可开发区域的位置、面积和技术可开发量；

在所述区域理论可开发量的基础上，进一步剔除不可开发和限制区域的面积，具体估算公式如下：

T_technology＝S_theory-N-F (4)

式中，T_technology为区域内技术可安装面积；N、F分别为技术不可开发和限制开发区域的面积；

式中，N_i为第i种地理基础要素的不可开发面积；

式中，F_t为第t种限制地理基础要素的开发面积；R_t为第t种限制地理基础要素的开发面积的可利用面积率。

4.如权利要求3所述的评估方法，其特征在于，所述建立光伏发电基地经济开发潜力评估模型包括步骤：

采用LCOE刻画不同基地的经济性，从而进一步测算光伏发电基地的经济可开发量，计算具体如下；

在技术可开发T_technology区域内，考虑不同区域的运维成本、输电成本因素，将T_technology分为k个子区域T_k，测算各个T_k的LCOE，具体测算公式如下：

式中，E_economic为区域内光伏电站经济可开发量；

为第n年T_k地区测算的度电成本；P_{local_grid}、P_{local_thermal}、P_{cross_province}分别为第n年该区域电网平均上网电价、火电平均上网电价和外送平均上网电价。

5.如权利要求3所述的评估方法，其特征在于，所述地理基础要素的获取采用30m分辨率的Landsat-8OLI卫星遥感数据和图件成果资料，以及文献资料查阅、汇总，采用目视解译、扫描矢量化和图件更新方式，基于ArcGIS或ENVI软件，建立相应区域地理基础要素数据集。

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