考慮地形影響的太陽能資源精細化評估及技術可開發量計算

孫朋杰 ，何飛 ，陳正洪 ，孟丹

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

0 引言

當前，隨著常規能源的日益緊張、全球氣候變化和環境惡化壓力的逐漸增大，大力開發包括太陽能資源在內的可再生清潔能源已成為國際社會的共識[1-3]。特別是我國提出的“碳達峰、碳中和”目標，意味著到2030 年，我國風電、光伏發電總裝機要在現有基礎上增加2 倍以上。有專家預計，2025 年，我國光伏發電將逐步成為主力能源。國家層面上，國家能源局于2021 年6 月發布《關于報送整縣（市、區）屋頂分布式光伏開發試點方案的通知》，通知指出：開展整縣（市、區）屋頂分布式光伏建設，有利于整合資源實現集約開發，有利于消減電力尖峰負荷，有利于節約優化配電網投資，有利于引導居民綠色能源消費，是實現“碳達峰、碳中和”與鄉村振興兩大國家戰略的重要措施。

進行光伏發電開發的基礎，首先要了解當地的太陽能資源稟賦情況[4-5]，待開發區域的太陽能資源總儲量為多少，理論裝機和發電量為多少，資源分布如何，進行太陽能資源科學評估非常有必要。湖北省境內分布著大量氣象觀測站，為研究某一氣候變化提供實測的資料和數據，但湖北省輻射觀測站卻很少，僅有武漢和宜昌一級輻射觀測站，能觀測太陽總輻射、直接輻射、散射輻射資料，另外有4 個三級輻射站（荊州、隨州、南漳、孝感），其臺站密度遠少于普通氣象觀測站的密度，這就導致湖北省大部分區域太陽輻射資料的缺乏，無法對湖北省太陽輻射的空間分布特征展開研究[6]。

ERA5 太陽輻射數據是具有較高時空分辨率的再分析產品，該數據在區域氣候評估、農業以及太陽能資源等方面發揮了重要作用[7-9]。利用該套資料成功解決輻射觀測站數量少、分布密度低的困難。但相關學者通過對比發現，ERA5 輻射數據高于地面觀測數據，存在高估現象[10]。特別對山區而言，分辨率約為10 km 的ERA5 輻射數據不能反映地形（坡向、坡度、海拔）對輻射的影響[11]。

在太陽能開發潛力（技術可開發量）計算方面，多數學者采用的是將太陽年總輻射進行等級劃分，在此基礎上，對下墊面地形進行劃分，針對不同類型地形賦予不同的開發比例[12-13]。王志春等[14]從開發建設成本、耕地及生態環境保護方面分析，計算了不同土地開發光伏占比。梁玉蓮等[15]結合地形數據和土地覆蓋數據，分別以90 m×90 m 和1 km×1 km 的分辨率對華南地區太陽能資源的開發適宜性進行區劃和可利用潛力進行分析。李柯等[16]從資源豐富度、穩定度和保障度3 個方面，利用多指標評分法對中國陸地太陽能資源開發潛力進行了綜合評價和分析。周少科等[17]利用西藏山南市氣象觀測站和NASA衛星數據對山南市的太陽能資源就輻射總量、輻射分布和轉換電能潛能進行了分析。

本研究首先利用研究區域房縣境內已有的輻射觀測資料對ERA5 格點數據進行修正，得到輻射格點數據。進一步結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化輻射方程，獲取分辨率為25 m 的太陽能總輻射資源，對區域太陽能資源進行客觀評價。最后引入衛星遙感觀測的土地利用類型數據，針對不同土地類型，計算房縣全域太陽能技術可開發量。

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?；跉夂驅W計算與分析，房縣位于湖北省“一級可利用區”（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[18]。全市有3 個太陽輻射觀測站，分布如圖1所示。同時，ERA5 太陽輻射數據分布如圖1 所示。

圖1 評估區地形及太陽輻射站點分布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：輻射觀測數據來源于房縣境內A、B、C 3 個輻射觀測站觀測資料。資料時段從2012.1～2020.12，共9 年觀測資料。

輻射再分析格點資料：本研究采用的格點輻射資料來自歐洲中心ERA5 再分析數據，ERA5 是ECMWF 對全球氣候的第5 代大氣再分析，再分析將模型數據與來自世界各地的觀測數據結合起來，形成一個全球完整的、一致的數據集。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（農田、森林、草地、灌木叢、濕地、水體、建設用地、荒地）土地覆蓋分類數據。

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

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際觀測資料檢驗觀測同期ERA5 的輻射數據精度，建立訂正模型后對房縣區域的ERA5 輻射數據進行訂正，進一步結合房縣市的經緯度、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，對房縣市的太陽能資源進行評估。在太陽能資源圖譜的基礎上，基于土地利用類型資料，剔除不能開發和限制開發的區域，獲取鄉鎮級的光伏技術開發量。研究所用方法如圖2 所示。

圖2 研究技術流程圖Fig.2 Research technical flowchart

1）ERA5 輻射資料精度及訂正效果采用相對誤差、相關系數兩個指標進行檢驗。

2）分月采用線性回歸建立區域ERA5 輻射數據的訂正方程。

3）采用空間數據的轉換、柵格數據的空間分析、地形因子提取等方法提取ERA5 格點所處的地理空間屬性數據。

4）采用多元線性回歸的方法建立區域ERA5 輻射數據與地理屬性的關系模型。

5）將上述關系模型應用到房縣全域坡度、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、柵格計算的方法估算光伏技術開發量，各格點處的光伏技術開發量計算如式（1）所示：

式中：

P ——各格點光伏發電技術可開發量（kW）；

S ——光伏電站技術可安裝面積（m2）；

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

SS——格點面積（m2）；

h ——1 a 的小時數（h）；

η ——折減系數，取值為0.55。

7）相關建模結果的準確性，用平均絕對百分比誤差和平均偏差兩個指標表示。

（1）平均絕對百分比誤差

（2）平均偏差

式中：

xij——模擬的第i 個格點的年總輻射（GJ/m2）；

xi——第i 個格點的年總輻射（GJ/m2）。

2 結果與分析

2.1 ERA5 輻射資料檢驗及訂正

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 格點同期2012 年1 月～2020 年12 月資料進行對比檢驗及訂正。分月對比實測資料與ERA5 格點資料之間的關系，從表1中可以看到，兩種資料相關較好，各月相關均達到0.7 以上。因此，采用線性方程建立分月訂正模型，對房縣境內所有格點資料進行訂正。

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

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

表2 門古輻射站與對應ERA5 產品總輻射訂正前后的平均絕對百分比誤差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于未訂正效果，按照各月建立實測總輻射與ERA5 總輻射的訂正模型y=ax+b 對房縣區域內各格點進行修正，各月系數如表2 所示。

2.2 基于地形的輻射模型建立

通過Arcgis 提取房縣區域的坡度、坡向和海拔高度3 個地理因子，并進一步提取至各個ERA5 格點。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，考慮不同季節地形對輻射的影響有差異，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 ——常數項。

各月系數（K1～ K3）和常數量 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

為驗證輻射模型的準確性，將房縣另外兩個實際輻射觀測站西蒿坪和九道實際觀測值與模型計算值進行對比，計算平均絕對百分比誤差和平均偏差。結果如表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/m2，兩者平均絕對百分比誤差為5.7%，各月相對誤差在2.0%～17.2%之間，其中2 月、8 月和11 月、12 月相關誤差較大，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/m2，兩者平均絕對百分比誤差為3.4%，各月相對誤差在0.1%～15.4%之間，其中1 月和6 月相關誤差較大，超過10%?？傮w來看，輻射模型能較準確地反映實際輻射分布情況。

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

經推算，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《太陽能資源評估方法》（GB/T 37526—2019）[19]中的劃分標準，房縣太陽能資源豐富程度均屬于三級“資源豐富”地區。

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

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 光伏技術可開發量估算

實際太陽能資源開發利用時需綜合考慮太陽能資源的總量和技術開發的難易程度[20]，本文考慮土地利用類型對資源開發的限制來估算技術水平下的開發利用潛力。

根據衛星遙感觀測的結果，將房縣區域土地利用類型歸為8 大類（圖4）：農田（水澆地、水田、旱地、其他農業用地）、森林、草地、灌木、濕地、水體（河流、湖泊、庫塘）、建設用地（建筑、人類活動用地、交通路網）、荒地或裸地?；趯Σ煌恋乩妙愋偷目紤]，設置了不同的開發面積可利用率，如表5 所示。其中，在實際的開發利用過程中，盡量避免占用耕地、林地，禁止占用生態濕地、水體兩類土地類型。鼓勵在城鎮用地開展分布式光伏發電，在整塊荒地推進光伏發電項目。因此，本研究中，房縣地區優先考慮用于光伏開發的應是未利用的荒地和森林生態價值較低的草地、灌木及建設用地。

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

依據文獻[14]、文獻[21]，同時考慮湖北省年總輻射分布及不同土地類型實際，得到不同土地類型對應的面積可利用率，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）計算得到，可得到光伏裝機技術可開發量。

光伏發電技術可開發量與太陽能資源分布及土地利用分布兩者緊密相關，總體上，中部鄉鎮光伏發電技術可開發量處于全縣較高的水平，各鄉鎮技術可開發量如圖5 所示，根據計算，各鄉鎮中門古寺鎮技術可開發量最大，達到409 MW，其次是青峰鎮，為405 MW。房縣全市的平均技術可開發量為4.501 GW。

圖5 房縣各鄉鎮光伏技術可開發量Fig.5 The exploitable capacity of photovoltaic technology in each township of Fangxian County

3 結論

精細化的太陽能資源評估是整縣推進太陽能資源開發利用的基礎，本文通過實際輻射觀測結果對ERA5 輻射產品進行檢驗訂正后，考慮地形（坡度、坡向、海拔）對輻射的影響，基于GIS 空間分析技術，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，計算得到了光伏技術開發量。主要結論如下：

1）原始ERA5 輻射數據與觀測值的年平均相對誤差為31.2%，各月相對誤差在18.8%～58.9%，存在明顯高估的情況。通過實際輻射觀測數據進行分月建模訂正后，年平均相對誤差降至0.3%，各月相對誤差在0.2%～7.1%之間。

2）提取坡度、坡向和海拔高度3 個地理因子，建立基于地形的輻射計算模型。將兩個實際輻射觀測站西蒿坪和九道實際觀測值與模型計算值進行對比，西蒿坪站的年平均絕對百分比誤差為5.7%，九道站的年平均絕對百分比誤差為3.4%，輻射模型能較準確地反映實際輻射分布情況。

3）計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，總體呈現北高南低的分布特征。其中，中部河谷平壩地區太陽能資源相對較好，南部山區太陽能總輻射明顯小于中北部區域。全市太陽能資源均處于“豐富”等級。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，估算得到光伏發電技術可開發量為4.501 GW。