运用无人机技术进行分布式光伏资源快速识别的方法研究

文/李俊楠 吴佳

党的二十大报告中提出了“积极稳妥推进碳达峰碳中和”的发展方针，明确以“双碳”工作为总牵引，深化绿色能源结构转型。分布式光伏发电因其良好的消纳和电价优势迎来了快速发展，但在实际开发规划时缺乏有效评估手段。文章提出了一种区域分布式光伏资源禀赋快速识别和统计的方法，运用无人机航拍和卫星地理信息融合的方式实现目标区域的数字化建模，利用该方法对崇明岛渔光互补光伏资源进行调研，实现了分布式光伏资源禀赋的分类统计，为开发规划、项目投资、电网配套规划等提供依据。

习近平总书记在第七十五届联合国大会上郑重宣布：中国将采取更加有力的政策和措施，二氧化碳排放力争于2030年前达到峰值，努力争取2060 年前实现碳中和。“十四五”时期是我国胜利实现第一个百年奋斗目标后，乘势而上，向第二个百年奋斗目标进军的第一个五年。世界发展大格局下，气候、环境及能源问题日益严峻，能源环境、能源安全和能源成本是能源发展过程中无法逃避且必须给出答案的三个课题。优先开发可再生能源、提升新能源利用率是当前世界各国找到的为加快能源转型、实现能源高质量发展的共同途径。近十几年来，分布式光伏、分散式风电、智能电网等技术进入了飞速发展时期，分布式能源布局的灵活性和经济性优势日益彰显，使得“电从身边来”这一创想从理念转变成为现实，分布式能源的发展也更好地满足了区域内就近客户的用电需求。中国未来的能源规划发展，强调的是可再生能源集中式开发与分散式利用并举，陆上与海上并举，优化开发布局，因地制宜发展分布式能源。

随着近年来光伏发电产业在我国的高质量发展，分布式光伏的应用早已由陆上逐渐扩展到了水上。我国中东部地区水域广阔，水系资源丰沛，各地已在众多水域建设起光伏发电系统，形成了“上发电、下养鱼”的新能源模式。渔光互补是一种典型的新型土地综合利用方式，在池塘或滩涂滩上构建太阳能发电，使池塘养鱼和光伏发电进行空间上的融合，充分利用空间资源，把发电、养殖、休闲、 垂钓、旅游、餐饮等各种项目综合起来。此外，渔光互补可以利用太阳能发电的特质来改善池塘水质，增加池塘的水产品产量，为渔民提高经济收入。渔光互补技术通过充分利用空间裕度，节约陆上资源，结合光伏资源开发，调节养殖环境，从而切实解决了光伏发电深化应用的“卡脖子”问题。

因此，利用科学有效的手段对分布式光伏资源禀赋进行统计分析，有利于光伏资源开发的合理规划，有利于贯彻落实“碳达峰、碳中和”战略目标，进一步切实推进新能源低碳发展，形成科学的供用能方案与开发空间、时序策略的协调发展，营造可持续的高质量综合能源发展生态。

崇明岛光伏资源开发条件与形势

崇明岛光伏资源概况

崇明岛位于亚热带，属季风性气候，日照充分，雨量充沛，年日照时数在1900 小时左右，年累计太阳辐射量4200-5000MJ/m2，相当于日辐射量3.2-3.8kWh/m2。其中日照时数分布以夏季最多，达600—700 小时，占年总时数的三分之一左右；冬季最少，约360—465 小时，仅占年总时数的18%-23%。崇明岛位于上海市北部，三面环江一面临海，地处长江入海口，距上海市中心90 公里，太阳能资源比较丰富，在时间分布上太阳能资源夏季最丰富，冬季最少，春季多，秋季少，太阳总辐射主要集中在7、8、9 三个月，与上海市电力紧张的夏季同期。通过PVsyst 软件分析，平均水平面辐射量为1270.9kWh/ m2·a，相当于4575.24MJ/ m2·a。

年均水平月辐射量统计

按照太阳能辐射量的地区分类，上海市可以归属于四类地区，是全国太阳能资源中等地区，崇明岛先天自然地理条件优越，具备了规模化开发太阳能资源的先决条件。根据气象行业标准QX/T 89-2008《太阳能资源评估方法》中，太阳能资源丰富程度评估等级进行评价，崇明岛的太阳能资源应评定为“资源丰富”。

崇明岛平均日辐照量的平均值、最大值出现在7 月，为151.7MJ/m2；最小值出现在12 月，为72.3MJ/m2，稳定度约为0.48，按照《太阳能资源等级总辐射》（GB/T 31155-2014）稳定度等级划分标准，区域内的太阳能资源等级为很稳定，非常适合开发利用太阳能资源。

崇明岛光伏资源开发形势

度电成本下降凸显边际效益

根据国际可再生能源署的数据，过去十年中，分布式光伏发电的成本处于急剧下降的势态，2010 年以来，太阳能光伏发电的成本在全球范围内已经下降了 82%。得益于完善的配套环境、相对较低的投入成本和产业规模效应，我国光伏产品的生产成本始终处于全球最低水平。2020 年的光伏发电上网价格已降至新低点，仅为3.46 美分/kWh，如图2 所示。目前，德国、日本、澳大利亚的居民用电价格均已高于分布式光伏的发电成本，中国的电价体系中存在工商业对居民的交叉补贴，所以呈现出居民电价显著低于工商业电价的现象，但有报告预测居民用户侧的分布式光伏平价时代将在“十四五”时期的前期到来。

分布式光伏上行空间大

国家发改委下发《关于2021 年新能源上网电价政策有关事项的通知》，文件中指出：2021 年起，对新备案集中式光伏电站、工商业分布式光伏项目和新核准陆上风电项目，中央财政不再补贴，实行平价上网。“十四五”时期，随着光伏产业成本的进一步降低，我国光伏产业将正式迈入“平价”时代，伴随着无补贴时代到来和2060 年前碳中和的远景目标，光伏产业将真正爆发。光伏进入平价新时代，未来十年国内需求年增9%，全球年增8.4%。中国工程院院士、华北电力大学原校长刘吉臻预计2030 年全社会用电量将达10 万亿千瓦时，保守估计到2030 年我国15%的电力来自光伏发电，未来十年光伏新增容量年均复合增速将超过9%，到2030 年，中国光伏装机总容量将达1,428GW，如图3 所示。

具备成熟的产业基础

中国光伏产业经过多年发展，在清洁能源政策和市场需求的共同驱动下，光伏产业已成为我国为数不多的已形成国际竞争优势、实现端到端自主可控、并有望率先成为我国战略性新兴产业的高质量发展典范，也是驱动我国能源转型的重要引擎。在制造端，国产设备都已形成了成熟的配套体系，中国的产业化技术水平一直全球领先，多晶硅、硅片、电池片和组件产量已连续多年超过全球总产量的一半，根据中国光伏行业协会的统计，2019 年量产的单晶硅和多晶硅电池平均转化效率分别达到22.3%和19.3%；在需求端，截至2019年，我国光伏累计装机容量为205GW，占全球光伏总装机容量的25.8%，累计装机容量连续五年排名全球第一，新增装机容量连续七年排名全球第一。另外，集成了建筑与光伏功能的BIPV 技术也日趋成熟，产品种类和成本也逐渐满足工程建设要求，随着BIPV 技术的不断发展，建筑设计理念的不断提升，必将会有合适的应用场景。

崇明岛“渔光互补”项目发展形势

上海市为改善能源结构，同时缓解电力供需矛盾，在大力加强电网建设，增加区外来电的同时，因地制宜地发展本地新能源，作为上海市电力供应的有益补充，崇明岛“渔光互补”项目的开发就是典型创新措施。目前，崇明岛已有70MW 前哨渔光互补项目投运，158MW 港西渔光互补项目在建，81MW 华星渔光互补项目在可行性研究方案阶段。本项目上海华电崇明华星渔光互补光伏发电项目位

于上海市崇明区绿华镇水产养殖场，是新型能源渔光互补项目，利用现有鱼塘的水面及鱼塘间道路布置太阳能电池板，形成不占用耕地的发电站。该项目是上海市能源消耗补充的“及时雨”，不但能改善能源结构，还能保护生态环境，优化区域电网结构、储备线路通道，对促进当地社会和经济的发展具有重要意义。

无人机技术快速识别光伏容量

区域数字化建模

通过无人机航拍和卫星图片信息的方式可以准确获取鱼塘水域的最新状况、地理信息、周边遮挡等关键信息，通过卫星测量、计算障碍物及阴影区域，可以获得较为精确的安装区域信息，实现安装区域数字化建模。

阴影避让分析

光伏系统的阴影主要由遮挡物或光伏组件本身产生，按照经验，阴影避让需要满足在太阳高度角最低的某天中，从当地时间午前9 时至午后3 时之间，其光伏组件不受遮挡物阴影影响为宜。通过测算固定式光伏组件阵列前后间距，光伏方阵阵列间距，可能遮挡物与方阵底边垂直距离等数据，可以通过无人机拍摄技术捕获分布式光伏的工程边界并进行计算。

工作边界识别结果

结合边界模型和阴影避让分析，最终得到目标区域的数字化模型，在此模型基础上避开阴影区域开展装机容量测算和发电量分析，可以获得较为准确的结果。

崇明岛光伏装机容量评估

光伏资源分类

光伏开发的潜力主要受地理位置、天气条件、可用屋顶面积、水域面积、未来城市规划等因素影响。崇明岛位于上海市北部，具有较为丰富的光伏资源，除了有丰富天然的水域条件，岛内更有多个大中型工业产业园区。尤其是在产城融合范围内，形成了以规模化工业厂房园区为主的工业厂房屋顶资源，以物流仓库为代表的物流仓储屋顶，以学校、医院、公共交通系统等为典型的公共设施屋顶资源，以城镇和农村居民进行改造建设的户用屋顶资源，以农光互补、渔光互补为应用场景的“光伏+”农业资源，以滩涂、河道、未利用地、车棚等合理化开发为基础的空置地资源，以及以在建建筑、未来规划、BIPV 新技术应用等为主要方向的增量资源。

工业厂房屋顶：工业厂房屋顶主要包括工业厂房、办公楼、商场等可安装光伏系统的建筑屋顶，崇明岛工业厂房屋顶光伏资源主要集中在重装备产业区、物流保税园区、临港奉贤园区等区域。

物流仓储屋顶：物流仓储屋顶主要包括物流园区、物流仓库等大型仓储的建筑屋顶，物流仓储屋顶一般可以建设较大规模的光伏系统，崇明岛物流仓储屋顶光伏资源主要集中在装备产业区、物流园区等区域。

公共设施屋顶：崇明岛承载着上海能源、生态和交通三大枢纽功能，学校、医院等公共设施配套日益完善，存在大量的屋顶资源可供开发。

户用屋顶：户用屋顶资源主要分为城镇居民屋顶和农村居民屋顶，城镇居民的屋顶一般为公用部分，而农村居民屋顶的产权较为清晰，更加适合建设分布式光伏系统。

“光伏+”农业：“光伏+”农业作为一种新兴的农业形式，将光伏发电与现代农业种植和高效农业设施三者有机结合，涵盖了渔业、林业、种植业和畜牧业等，其中最常见的就是农光互补、渔光互补等形式。

空置地资源：合理化开发利用滩涂、河道、车棚、一般农业用地性质的荒地等空置地资源，能够建设集中式或分布式光伏电站，既可以充分发挥土地资源的价值，又可以实现规模效益，弥补光伏建设方式单一的不足。

增量资源：除上述存量光伏资源外，结合崇明岛城市规划，将在建和未来规划的建筑作为增量光伏资源进行统计，结合BIPV 技术的应用，达到光伏和建筑一体化建设的效果。这部分增量资源既包括工厂、仓储、商办楼、轨道交通场站、交通枢纽等建筑的屋顶资源，也包括采用BIPV 幕墙光伏的建筑、快速路音屏障等。

光伏装机容量评估

对崇明岛范围内的各类水域、园区屋顶资源进行分类统计并进行数字化建模，利用边界识别技术计算各屋顶组件布置后的装机容量，装机容量评估及分布，考虑规划中建筑的光伏资源，“十四五”期间崇明岛光伏预计装机容量约652MW。其中，“光伏+”农业、工业厂房屋顶、物流仓储屋顶和未来增量建筑是崇明岛光伏资源开发的重点方向，尤其是“光伏+”农业和工业厂房这类存量资源，可以建成较大规模的光伏电站，为崇明岛加快能源结构转型提供大量绿色低碳能源。

本文提出了一种利用工程边界识别技术的区域分布式光伏资源禀赋快速统计方法，通过无人机航拍和卫星地理信息融合的方式实现目标区域的数字化建模，快速分析目标区域分布式光伏装机容量，利用该技术对崇明岛分布式光伏资源禀赋进行分类统计，较为准确的计算出崇明岛光伏资源开发潜力，为光伏资源开发规划、项目投资、电网配套规划等提供依据。