基于能值分析的光伏电站选址方法.pdf
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1、文章编号:0258-2724(2024)02-0447-10DOI:10.3969/j.issn.0258-2724.20210368基于能值分析的光伏电站选址方法陈思源1,2,张玉坤1,张倩宁3,郑婕1,4(1.天津大学建筑学院,天津300072;2.中国建筑东北设计研究院有限公司(深圳),广东深圳518000;3.西南交通大学地球科学与环境工程学院,四川成都611756;4.中国建筑设计研究院有限公司,北京100044)摘要:为合理指导光伏电站的有序规划及可持续开发,提出一种以能值分析为基础的光伏电站选址及生态经济收益评估方法.通过能值分析与地理信息系统(GIS)空间分析相结合,对内蒙古
2、12 个盟市地区光伏发电可利用土地生态经济收益情况做出分析.分析结果表明:呼和浩特、包头等内蒙古中西部城镇密集地区体现出更为优异的可开发价值,而经过对比发现由输电距离所导致的输电损失占据了各项能值投入中的决定性比重;此外,对于绝大部分可利用地块而言,与城镇或建成环境越近,其生态经济收益也相对越高,而在能源结构转型的过程中,光伏土地占用与不断扩张的城市建设用地需求,或将成为未来城市规划与光伏能源规划所面临的首要矛盾.关键词:光伏电站选址;生态经济收益;能值分析;内蒙古地区中图分类号:TK519文献标志码:AEmergy Analysis Based Method for Site Selecti
3、on of Photovoltaic PlantsCHEN Siyuan1,2,ZHANG Yukun1,ZHANG Qianning3,ZHENG Jie1,4(1.SchoolofArchitecture,TianjinUniversity,Tianjin300072,China;2.ChinaNortheastArchitecturalDesign&ResearchIn-stituteCo.,Ltd.(Shenzhen),Shenzhen518000,China;3.FacultyofGeosciencesandEnvironmentalEngineering,SouthwestJiao
4、tongUniversity,Chengdu611756,China;4.ChinaArchitectureDesign&ResearchGroup,Beijing100044,China)Abstract:Followingtheguidelineofthereasonableplanningandsustainabledevelopmentofphotovoltaic(PV)powerplants,anemergyanalysisbasedmethodisproposedforthesiteselectionandeco-economicbenefitassessmentofPVpower
5、plants.Throughthecombinationofemergyanalysisandgeographicinformationsystem(GIS)spatialanalysis,theeco-economicbenefitsoflandavailableforPVgenerationin12leaguecitiesofInnerMongoliaChinaareanalyzed.Theresultshowsthat:Hohhot,BaotouandotherdenselypopulatedareasincentralandwesternInnerMongoliashowmoreexc
6、ellentdevelopmentvalue.Throughcomparison,itisfoundthatthetransmissionlosscausedbytransmissiondistanceaccountsforadecisiveproportionofallemergyinputs.Inaddition,formostofavailablelandplots,theeco-economicbenefitsarerelativelyhigherwhentheyareclosetourbantownsorbuiltenvironment.Intheprocessofstructura
7、ltransformationofenergy,theoccupationofPVlandand the expanding demand for urban construction land may become the primary imbalance between urbanplanningandPVenergyplanninginthefuture.Key words:photovoltaicsiteselection;eco-economicbenefit;emergyanalysis;InnerMongoliaarea气候恶化与能源危机的双重压力下,以光伏发电为主的可再生能源
8、利用形式取代传统燃煤、燃油发电等化石能源消耗,已日益成为世界范围能源结构转型的主要发展方向.预计至 2050 年,全球光伏发电总量将占据整体电力构成的 25%左右1,而我国更是提出至 2050 年光伏发电量占全社会用电总收稿日期:2021-05-07修回日期:2021-11-01网络首发日期:2021-11-18基金项目:国家自然科学基金(51978443,52108025,52078322)第一作者:陈思源(1987),男,博士研究生,研究方向为光伏利用与城市空间规划,E-mail:通信作者:郑婕(1984),女,副研究员,博士,研究方向为生产性城市,E-mail:引文格式:陈思源,张玉坤,
9、张倩宁,等.基于能值分析的光伏电站选址方法J.西南交通大学学报,2024,59(2):447-455,476CHENSiyuan,ZHANGYukun,ZHANGQianning,etal.EmergyanalysisbasedmethodforsiteselectionofphotovoltaicplantsJ.JournalofSouthwestJiaotongUniversity,2024,59(2):447-455,476第59卷第2期西南交通大学学报Vol.59No.22024年4月JOURNALOFSOUTHWESTJIAOTONGUNIVERSITYApr.2024量 39%的总
10、体发展目标2,远高于世界平均发展预期.其主要原因在于我国光伏组件成本的快速下降及日趋成熟的商业运作模式,但如此快速的发展进程也对未来光伏发电的整体空间部署提出新的要求.利用戈壁、荒漠等光资源较好的未利用土地集中化部署光伏电站,具有电力输出更为平稳可控及度电成本相对低廉(规模经济效应)等明显优势,但相比城市分布式光伏利用,光伏电站通常依赖长距离电力调配,产生输电损失的同时,还将增加额外输配系统建设投入;此外,其使用周期较长(约 25 年)且空间占用面积较大,由此所导致的土壤、植被破坏及物种多样性缺失等生态环境影响也同样不容忽视3-5.因此,选择适宜区域进行光伏电站建设,对于合理指导光伏电站有序开
11、发、保障能源结构可持续转型具有重要意义.光伏电站选址工作具备一定的复杂性,其站点位置决策通常与电站安全、气象需要、经济、环境与社会等需求密切相关6.为同时兼顾经济与生态两方面收益,目前,国际范围针对光伏电站选址收益的评价多采用以地理信息系统(GIS)与各项评价指标相结合的多准则决策法(MCDM)进行判定.该方法以层次分析法(AHP)为基础理论依据,按照电站发展需要制定相关影响因素决策性指标(如日照辐射量、距输电线距离、地形条件等),通过专家打分形式对每项决策性指标所占权重作出评估并进行加权,之后利用 GIS 空间分析对每处地块区域的指标加权结果进行总分统计,生成光伏利用适宜性地图,以此确立开发
12、建设优先级.目前,该方法已广泛应用于世界范围不同地区的光伏选址收益研究7-10,通过各地块加权总分排序,可在一定程度为光伏电站建设布局提供规划指导,其相关影响因素分析也为光伏电站选址收益评估提供了重要的理论支撑.但基于AHP 的固有缺陷,其本质仍是一个定性研究的过程,其中的主观性因素难以排除.此外,既有方法也无法对电站实际生态经济收益量、增减益等问题做出直观的量化描述,因此,其实际指导意义仍存在诸多局限.出于以上考虑,本文提出一种以能值理论为基础的光伏电站选址及生态经济收益评估方法,将不同影响因素视作光伏电站系统的各项能值投入,通过能值转换率(UEV)将其转化为以太阳能值为标准的统一度量维度,
13、并以能值产投比(EROI)为指标,对各地块区域进行光伏装机后的生态经济收益情况做出评估,就各项能值投入所占比重展开分析,进而为光伏电站有序开发、能源空间整体布局规划提供更为科学的理论指导及参考依据.1 研究方法 1.1 基础指标能值理论最早由美国生态学家 Odum11提出.基于生态系统食物链概念和热力学原理,能值被定义为一种流动或储存的能量中包含另一种类别能量的数量,或产品及劳动形成的过程中直接或间接投入应用的一种有效能的总量.由于任何能量均源自太阳能,故通常以太阳能值作为衡量任何类别能量的标准,并计作太阳能焦耳(单位:sej),单位能量或物质所包含太阳能值称作其能值转换率12.与 MCDM方
14、法不同,能值评估并非基于人类价值体系的主观因素评估自然界对经济活动的贡献率,而是一种以生态价值为中心,更具客观性及真实性的生物物理学方法13.因此,以能值理论为依据能够有效实现不同度量维度影响因素间的相互转换,通过模拟及对比光伏电站建设后的能值产出与能值投入情况,即能值产投比(EROI,EROI),可更为科学地反映光伏发电系统结构、功能及效率等各方面综合情况,其值为EROI=ni=1RiVini=1IiVi,(1)式中:Ri为光伏电站第 i 项系统产出当量;Ii为光伏电站第 i 项系统投入当量;Vi为第 i 项产出当量或投入当量的太阳能值转换率,sej/单位.1.2 能量系统边界及影响因素光伏
15、电站系统的运行是一个相对复杂的过程.通常情况,技术潜力是衡量某项特定技术实际能源回报的常用指标,即仅考虑地理、土地利用性质及系统性能等条件限制,光伏电站在技术理论上可产出的最大电力14.但对于光伏发电系统而言,技术潜力仅局限于电力产出这一单一环节,明显地忽略了如组件生产、电站装机等上游系统的能值投入.因此,本文对技术潜力进行扩展,将光伏发电能量系统边界拟定为电站建设电站运行电力输配城市终端电力获取的全过程,以城市消费终端实际获取电力作为该系统的唯一产出,并认为光伏发电与燃煤、燃油等火力发电技术的度电产出,对于人类社会经济活动具有相同的贡献价值,以火电能值转换率对城市终端电力获取进行折算(图 1
16、).此外,光伏电站生态经济收益影响因素众多,为448西南交通大学学报第59卷简化评估过程,本文提取了既有研究中的主要影响因素,并将其划分为电站建设、新增道路建设及运输、新增输电线路建设及线损、电站使用期间土地占用 4 个主要方面,分别对其能值投入作出评估.本文界定能量体系边界发电太阳能集中式光伏电站输配电输电系统电站建设投入土地占用道路运输投入人力劳务电力输配电缆输配电杆电力电力消费城市消费经济活动产出反射能量来源系统边界系统节点相互作用热损耗流动路线图1光伏发电能量系统边界示意Fig.1Energysystemboundaryofphotoroltaic(PV)powergeneration
17、 1.3 影响因素量化本文以我国内蒙古地区为研究对象.为便于评估,将电站光伏组件统一拟定为目前性价比较高的多晶硅光伏板,组件型号为 JKM270PP-60-DV,组件尺寸 1646mm992mm8mm,峰值功率 270W,光电转换效率 16.54%15.研究数据依据本文拟定光伏电站系统边界进行选取,主要包括地表覆盖栅格数据16,倾斜表面年总辐射栅格数据17,生态功能保护区与国家级自然生态保护区矢量边界18-19、内蒙古地区 DEM(digitalelevationmodel)数字高程数据及道路网络、变电站、建成区分布等相关基础设施信息.此外,各类影响因素能值投入量化方法及其能值转换率涉及电力、
18、生态等多项领域,其计算取值参考来自相关文献研究及设计规范20-35,能值投入产出量化方法见表 1,能值转换率取值见表 2.表 1 中:Ve为电力能值转换率,sej/(kWh);Api为像元面积,300m300m;L 为光伏组件长度,取值 3292mm;Cp为光伏组件峰值功率,取值 270W;Ap为每光伏组件面积,1646mm992mm;Gti为倾斜表面年日照辐射总量,kWh/(m2年);j 为光电转换效率,取值 16.54%;K 为光伏系统综合效率,取值 75%;CL为某区域光伏电站建设的劳动力资本投入,详见第 1.3.3 节;VL为货币的能值转换率,sej/;Dr为某区域光伏电站与其最近既有
19、道路的距离,km;Vrc为道路建设的能值转换率,sej/km;Fv为单车组件运输量,取值 380块/车15;Qs为 42半挂牵引车综合油耗标准,取值 0.359L/km36;f为柴油密度,取值0.8425kg/L;Vf为柴油能值转换率,sej/kg;Jec为导线经济电力密度,取值 1.2A/mm2;T 为光伏电站所处区域的年日照时数28,h;为电流与电压之间的相位差,cos 为评价电网功率因数,取值 0.9;U 为新增输电线路的线电压,kV;r 为铜导线电阻率,取值 17.24mm2/km26;Dt为某区域光伏电站与其最近变电站的距离,km;0为变压器评价功率损失率,取值 6%27;cu为铜导
20、线密度,取值 8.93g/cm3;Vca为电缆能值转换率,sej/kg;Mpo为单位公里电杆用钢量,取值 1560kg/km25;Vpo为钢的能值转换率,sej/kg;n为国家电网综合网损率,本文为蒙东电网5.50%、蒙西电网 3.93%29;Vic为某类地表植被年均固碳量,tC/m2;Vc为固碳量能值转换率,sej/tC.1.3.1可利用地选择出于生态功能、生态物种及自然遗迹等方面保护需要,当对生态功能保护区和自然生态保护区内光伏电站的装机建设进行严格限制.依据光伏发电站设计规范(GB507972012)37,光伏发电可利用空间区域主要包括河流及湖泊水面、沿海及内陆滩涂、盐碱地、沼泽地、沙地
21、及裸地等未利用土地类型.但结合区域气候特征、电站建设现状与本文田野调查,内蒙古地区存在大量盐碱化或植被覆盖稀疏的耕地、草原等土地类型被用于光伏电站装机建设,其用地性质仍属未利用地,而类似情况也存在于文献38-39中.同时,出于生态功能、生态物种及自然遗迹等方面保护需要,还当对生态功能保护区和自然生态保护区内光伏电站的装机建设进行严格限制.因此,考虑实际因素,本文将光伏电站可利用区域拟定为除生态功能保护区、国家级自然生态保护区与城市建成区以外的全部荒漠、裸地(苔原)、稀疏耕地及稀疏草原,并以全球地表覆盖数据对其进行粗略表征.此外,考虑过于陡峭的地形可能增加电站第2期陈思源,等:基于能值分析的光伏
22、电站选址方法449施工建设与维护方面的操作难度,依据文献40取值,将对平均坡度大于等于 25的地块区域予以排除.表 1 本文估量化方法Tab.1Methodsforevaluationusedinthisstudy量化类项量化公式或取值方法年电力能值产出/(sej年1)Et=EVe光伏阵列间距/mmD,文献36光伏安装面积/m2S=ApiL/D光伏装机容量/WC=CpS/Ap年光伏发电量/(kWh)E=SGtijK电站第i 项物质投入/(gm2)Mi,据文献20折算第i 项物质能值转换率/(sejg1)Vi电站建设能值投入/(sej年1)Es=S(1.02ni=1MiVi+CLVL)道路建设能
23、值投入/sejErc=DrVrc运输能值投入/sejErt=2DrC/(CPFv)QsfVf道路及运输能值投入/sejEr=Erc+Ert导线截面面积/mm2a=I/Jec电站年均有功功率/(kW年1)P=E/T输电线路线电流/AI=P/(3Ucos)导线电阻/R=rDt/a输电线路热损失/kWQ=3I2R升压变电热损失/kWP0=0(PQ)/cos 输电线路能值投入/sejEgc=Dt(cuaVca+MpoVpo)年输电损失能值折算/(sej年1)Eq=E(Q+P0)/P+nVe土地占用能值投入/sejEl=ApiLciVc年固碳量/(tCm2年1)Lci,依据文献22-23折算1.3.2电
24、力能值产出集中式光伏电站利用自然界未利用土地进行装机建设,其阵列排布方式受地理条件影响较大.为模拟不同坡度、坡向地形条件下光伏电站装机建设布局,本文参考文献36方法,基于每处可利用地像元平均坡度及坡向提取结果,对其光伏阵列间距进行计算.其中,组件串联方式统一拟定为目前较为常见的双排串联方式,即光伏阵列倾斜面长度 L 均为2 倍组件长度(L=3292mm).而光伏组件最佳倾角参照文献37推荐方法,按每处像元所处纬度减去3进行计算.之后,依据表 1 进一步对其光伏组件安装面积、装机容量、年发电量等相关参数做出评估,结合火电能值转换率对其年电力能值产出量进行折算.表 2 本文能值转换率取值Tab.2
25、Unitemergyvaluesusedinthisstudy能值类项能值转换率来源火力发电/(sej(kWh)1)1.031012文献20铝/(sejg1)2.151010文献30玻璃/(sejg1)3.20109文献31硅/(sejg1)1.391010文献20铜/(sejg1)2.301011文献30粉尘/(sejg1)1.231011文献20钢/(sejg1)2.12109文献30石灰石/(sejg1)5.26108文献32废气/(sejg1)1.151014文献12盐酸/(sejg1)2.14108文献33货币/(sej1)1.021012文献34道路建设/(sejkm1)2.921
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