太陽能熱發電廠選址

太陽能熱發電廠選址是指通過巨觀影響因素、微觀影響因素等對太陽能熱發電廠進行選址建設。太陽能光伏發電在能源戰略中具有重要地位，太陽能光伏電站位置的選擇對發電成本有直接影響。

基本介紹

• 中文名：太陽能熱發電廠選址
• 外文名：Solar thermal power plant site selection
• 領域：能源
• 學科：新能源
• 方法：太陽能資源評估；方法及模型
• 影響因素：巨觀影響因素；微觀影響因素

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簡介

太陽能光伏發電的發展歷史及未來趨勢，我們從併網光伏電站選址的巨觀影響因素、微觀影響因素以及方法與模型3方面綜述了併網光伏電站選址國內外最新的研究進展，並展望了未來的研究重點和發展方向，以期促進中國在該領域的研究，並為政府和企業在太陽能光伏電站選址、建設及長期規劃等方面提供參考，達到科學合理建設光伏電站、有效利用太陽能的目的。

能源是人類賴以生存和發展的物質基礎之一。在整個人類工業化發展過程中，化石能源為人類文明的進步和經濟社會發展做出了巨大的貢獻，但長期以來人類對能源的開發利用模式使化石能源正迅速耗盡，並且這種模式產生的環境惡化使人類面臨嚴峻的考驗。全球變暖已經成為關乎人類未來命運且現在必須面對的現實，而越來越多的證據表明，人類使用化石能源釋放的CO2是氣候變暖最主要因素。《京都議定書》和哥本哈根會議使減碳成為各國共識。很多國家都對減排做出了承諾和計畫。中國政府承諾到2020年中國單位國內生產總值CO2排放量比2005 年下降40% ～50%[6]。這一切都促進了各國對可再生能源的開發利用。太陽能因其清潔環保、永不衰竭的特點，已成為目前發展速度最快的能源之一，並被認為是最具有潛力、未來最有可能代替化石能源的能源。

太陽能發電技術的競爭已成為各國掌握未來發展主動權的較量，具有重大而長遠的戰略意義。太陽能發電按其利用方式分為光發電和熱發電。光發電即光伏發電，是指通過太陽能電池為媒介，將太陽光直接轉化為電能的過程。近十年來，世界許多國家都加大了對太陽能光伏發電技術的研究，並制定了相關的法律和政策鼓勵太陽能產業的發展。國內外光伏產業已成為近年來發展最迅猛的高新技術之一。

光伏發電產業的發展勢頭良好，世界各地越來越多的光伏電站正在建設和籌劃。除光伏發電技術本身外，光伏電站位置的合理選擇對光能的產出也顯得尤為重要。光伏電站選址不合理會直接造成電站發電量損失和維修費用增加，整體效益和運行壽命降低，並且還可能對周圍環境造成不良影響。因此，光伏電站的選址已成為光伏發電長遠發展和科學發展亟待解決的一個重要課題。

巨觀影響因素

併網太陽能光伏電站選址涉及到多種因素，是一件複雜的工作。根據併網太陽能光伏發電的特點及電站選址影響因素特點，我們將影響因素分為選址巨觀影響因素和微觀影響因素兩類分別討論。巨觀影響因素就是選址時在巨觀尺度上對電站有影響的因素，主要包括下面4方面。

氣候條件

1）太陽總輻射。太陽總輻射由直接輻射和散射輻射組成，是反映一個地區太陽能資源豐富程度的重要指標。太陽總輻射受地理緯度、日照時數、海拔高度和大氣成分等因素的影響。一般情況下，總輻射量隨緯度升高而減小，但部分地區如中國的重慶市由於雲量較多，總輻射反而沒有同經度的北方城市高。隨著海拔高度升高，大氣透明度增大，太陽能電池利用的主要光能區——可見光區能量受到的減弱量變小，從而總輻射能逐漸增大。

2）散射在總輻射中所占比例。散射在總輻射中所占比例隨著大氣光學質量或者天空的陰雲程度的增加而增加，所占比例越低則反映出該地區天空晴朗，空氣光學質量越好。

3）等量太陽時（Equivalent　Sun　Hours）。每天地表接收的太陽輻射量相當於平均1kW·m－2的同等時數。等量太陽時是衡量一個地方太陽能可利用價值大小的一個重要指標。等量太陽時越高，這個地方太陽能可利用價值越大。

4）氣溫。矽太陽能電池輸出功率隨溫度的升高而降低，較低的氣溫可以保證太陽能電池以較高的效率運行。

自然地理條件

1）地理位置。電站距離變電站及城市等用電中心越近越好，這樣可以減少大量電能在運輸過程中的消耗。交通運輸便利，有利於建站施工安裝及運行維修管理。

2）土地類型。太陽輻射能量密度低，太陽能光伏電站需要很大面積的廉價土地，如戈壁、半固定沙漠、鹽鹼地等。耕地、草原等土地利用價值大的地區不宜開發。

3）地形。光伏電站要建在地勢平坦、開闊且周圍沒有高大建築物、樹木、電線桿等能投影到太陽能電板上的遮蔽物。坡度越小越好，坡向朝向正南方向，因為固定式光伏電池平板在北半球朝南架設能夠接收到的太陽輻射最多。

經濟社會條件

在市場經濟條件下，太陽能光伏發電成本和效益是影響其發展速度的重要因素之一。光伏發電最主要原材料是晶體矽。晶體矽價格高，光電轉換效率低，使得光伏發電的電價也比普通電價高出很多，這也是制約光伏發電大規模發展的瓶頸。目前及未來一定時期內，太陽能光伏發電還是要靠國家和地方財政補貼支持，所以光伏電站必須緊密結合國家及地方政策和經濟發展規劃。光伏電站的選址也應當考慮地區未來發展趨勢及規劃。接近城鎮的電站，應該考慮正在迅速發展的城鎮化，因為電站都建在距變電站和城市等用電中心近的地區，隨著人口越來越多，城鎮面積會迅速增大，並向外擴張。這可能會影響到電站未來規劃，使電站周圍環境改變，甚至電站搬遷或倒閉。

目前世界太陽能電站大部分分布於中緯度地區，如歐洲中西部和南部，雖然此地區的中西部太陽能總輻射及利用率相對較低，土地利用價值較高，但依賴於技術進步和國家政策支持，太陽能電站的建設在過去一段時間內取得了快速的發展，這和中國南部濕潤區的情況是一致的；美國、中國、蒙古和澳大利亞的乾旱地區建設有大量太陽能電站，這些區域也是世界主要沙漠、戈壁分布區，空氣乾燥，大氣透明度高，太陽輻射值高，土地利用價值低廉，地形平坦，使其從巨觀上滿足太陽能電站選址的條件。另外，撒哈拉沙漠是全球太陽總輻射量最高的區域，很多投資方已經籌劃在撒哈拉沙漠建造世界上最大的太陽能電站，屆時撒哈拉沙漠地區將會是世界太陽能發電中心。除巨觀因素外，微觀因素對電站的實際發電量、發電量的穩定性、發電量的衰減程度以及電站運營壽命影響也很大。

微觀影響因素

太陽能光伏電站選址的微觀影響因素是指選址建站時微觀上主要考慮的因素，包括溫度、降塵及沙塵暴、風向、風速和陰影等。微觀影響因素對提高光伏發電效率及大規模發展有重要作用，國內外研究人員在這方面已經做了大量研究工作。

1　溫度

太陽能電池的工作溫度是由環境溫度、封裝電池組件特性、照射在組件上的日光照度以及風速等因素決定的。當風速一定時，隨著照射強度的漸增，電池溫度與環境溫度的差值增大。矽太陽能電池輸出功率隨溫度的升高而降低，溫度每升高1℃，太陽能電池的峰值功率損失率約為0.35%～0.45%，太陽能蓄電池的性能也隨溫度的升高而嚴重下降。選址時應該儘量選擇低氣溫地區，通常選擇地表空曠，時常有氣流流動的地方，尤其是中午太陽照射強度大的時候必須確保儘可能多的空氣流經組件的背面，這樣可以增加電池組件與空氣的對流傳輸，防止組件溫度過高。

2　風向、風速

風對太陽能電站的影響，主要體現在對組件溫度、物理損壞和磨蝕與降塵影響。研究發現光伏電池工作溫度對風速、風向非常敏感。因為太陽能光伏組件在北半球基本都朝南方向架設，所以最佳的風向是東西向。這樣氣流可以順著太陽能組件陳列的巷道通過，對陣列構架的物理損壞比較小，且能夠使氣流順利流通，起到降低溫度的作用。但國外研究發現，在降塵嚴重的區域，隨著風速增大，塵埃在電池上沉積的量就越多，這導致光伏電池的性能迅速下降。

3　降塵及沙塵暴

降塵對太陽能光伏發電影響很大。飄浮在空中的沙塵會使到達地面的太陽輻射量減少。沉積在太陽能電池表面的沙塵對電池性能的影響很大，國外很多學者對此做了大量研究。附著在光伏電池上的沙塵會反射部分到達電池的太陽輻射，降低電池的轉化率，還會引起跟光裝置失效。降塵對電池開路電流、最大輸出功率、填充因子都表現出不良影響。研究還發現，細顆粒塵埃對電池性能降低程度比粗顆粒塵埃大很多。塵埃沉積在太陽能電池上的量越多，電池的性能降低越多，而且不同類型的塵埃對電池的影響也不同。塵埃沉積量隨風速增加而增加，而沙塵暴對電站的影響就更大了，不僅會產生大量的降塵，還會對太陽能電池板產生磨蝕，對電池板物理損壞非常嚴重，還會對其他太陽能組件產生物理損壞。在選址時，應調查當地浮塵、揚沙和沙塵暴等天氣情況以及年降塵量，選擇降塵危害較小的地區。

4　陰影

太陽能電池的陰影是由周圍物體（樹木、電線桿、建築物）投射到電池平板上的，飛鳥糞便和樹葉等因素也會產生陰影。研究發現，光伏電池組件輸出功率減小的原因很多，但最重要的是最高功率不匹配和陰影作用。

如果一個光伏組件部分被物體擋住，那么陽光被擋住的這些電池就會異於無陰影的電池。在電池串中，陰影電池減少了通過正常電池的電流，往往導致正常電池產生較高的電壓，使陰影電池反偏運行。能量在陰影電池上的消耗導致電池P－N 結局部擊穿。在很小的區域會產生很大的能量消耗，導致局部過熱，或者稱為“熱點”，這會對組件產生破壞性結果。研究還發現，一個單獨太陽能電池被完全處於陰影作用下，輸出功率減少30%，電量的損失是由組件完全被陰影阻擋的面積決定的，而不是被阻擋電池的個數決定的。

故在選址時，應避免電站周圍有高大建築物、樹木、電線桿等遮蔽物；如果附近經常有鳥類活動，也應設定驅趕鳥群的裝置；還需保持地面乾淨，避免地面雜物被風吹上電池板。

太陽能資源評估

太陽能資源評估是太陽能資源有效利用的重要前期工作，太陽能光伏電站選址首先就要考慮太陽能資源分布情況。太陽能資源分布特徵對於電站系統的布局和太陽能利用效率非常重要。太陽能資源的數量一般以到達地面的太陽總輻射量來表示。太陽總輻射量與天文因子、物理因子、氣象因子等關係密切。一直以來，太陽總輻射量是基於氣候學方法求算的。目前，國內外套用最廣的太陽能總輻射氣候學方法是基於太陽總輻射和日照百分率的一元線性回歸方程，即Angstrom 模式。其形式為：Q =Q0（a+bS/S0）式中：Q 為太陽總輻射；Q0為晴天太陽總輻射；S/S0為日照百分率；a，b為回歸係數。國內外研究人員在此方程的基礎上做了大量研究工作，主要是對a、b係數的確定。國外的Bennett、Davies、Penman根據不同地區的數據，計算出了不同地區的a、b係數；國內左大康等、翁篤鳴、王炳忠等曾先後根據不同時期的實測數據計算了適合中國的a、b值。高國棟等計算了全國不同地區的a、b值，發現a、b係數的分布與地理條件和氣候都有密切的關係。孫治安等研究證實了當以晴天太陽總輻射作為起始值時，結果誤差最小，可保證經驗係數在空間分布上比較均勻，具有較高的計算精度。

有些研究人員在太陽能總輻射模式中加入各種氣象要素，如雲量、氣溫、降水、相對濕度等參數。還有些研究人員利用人工神經網路估算太陽總輻射，其模擬當地太陽總輻射取得不錯的效果。對於氣象站點稀少的廣闊草原、荒漠地帶，由於數據欠缺，上述的氣候學方法局限較大，很多國內外研究人員利用衛星資料結合GIS和遙感技術反演地表輻射。

國內氣象行業標準《太陽能資源評估方法（QX/T　89－2008）》根據太陽總輻射中的一些主要指標對

太陽能資源進行4種評估：

①太陽能資源豐富程度評估。以太陽總輻射的年總量為指標；

②太陽能資源利用價值評估：以各月日照時數大於6h的天數為指標；

③太陽能資源穩定程度評估：以一年中各月日照時數大於6h的天數最大值與最小值的比值為指標；

④太陽能資源日最佳利用時段評估：以利用太陽能日變化的特徵作為指標。

評估具體計算方法和標準在氣象行業標準《太陽能資源評估方法（QX/T89－2008）》中有詳細說明。

國內外選址研究方法及模型

太陽能光伏發電在國內起步比較晚，所以關於光伏電站選址方面的研究還比較少。但國內對太陽能熱電站選址的研究較多，有很多研究方法可供借鑑。王勁峰等對全國太陽能熱電站選址做了研究，通過結合太陽能法直輻射量、土地利用分布、水資源分布、社會經濟分布以及政策稅收等眾多因素，提出了一個太陽能熱電站選址的決策支持系統框架，並就其中的太陽能法直輻射調查進行了初步實驗。這種決策支持系統框架很好，但沒有對各個因素賦予權重，且由於很多因素數據無法獲得，所以沒有進一步研究及驗證。趙明智對槽式太陽能熱發電站選址做了研究，提出運用層次分析法建立槽式太陽能熱發電廠選址的指標體系，並利用實際數據計算得出槽式太陽能熱發電廠選址指標體系各因素的權重，最終建立了槽式太陽能熱發電站選址系統。其對影響因素分析不全面，考慮因素比較少。國外在太陽能熱發電選址方面也進行了大量的研究工作，研究比較成熟的為ITT模型。

國外太陽能光伏發電起步比較早，研究人員進行了大量的探索實踐。

國外套用最比較廣泛的是SOLARGIS 方法。這是國外發展的一種對可再生能源評估的方法。它可以根據一個地區的太陽能數據、風能數據、人口數據、距電網距離數據以及這個地區社會經濟發展情況，通過綜合分析這些數據可以算出這個地區適合發展哪種可再生能源，並對建站選址做出規劃和評估。這種方法套用比較簡便，但它主要是對巨觀因素結合經濟成本進行分析，考慮因素太少。

Kurokawa等 使用遙感技術對蒙古國戈壁地區大型光伏電站（VLS－PV　System）適宜性做了研究。通過遙感技術對衛片進行處理，提取地表植被指數，分析地表覆蓋種類，將不合適的地區篩選掉。這種方法對地表覆蓋情況分類誤差比較大，僅適合於戈壁地區的一些大型光伏電站。其考慮因子太少，且沒有定量指標。

Carrion20世紀80年代對西班牙Andalusia市的併網太陽能光伏電站選址做了探索研究：首先運用測量數據做出太陽輻射資料庫及分布圖；再從城市中心以4km為半徑劃出一圓形區域；然後把不適宜的地區篩選出來，如公園、公路、居民區、坡地等；最後求出年平均溫度分布圖，並且計算出了年輸出電力。它允許城市擴張，能減小電能在運輸中的損耗，且對環境負面影響很小。它對小地區比較實用，但其對選址影響因素考慮不全面。

Aragonés－Beltrán把網路分析法套用到光伏電站的選址上。把大量因素都考慮進去，然後通過網路分析法把最重要的因素提取出來，使問題簡化，這與決策者提出的標準做比較，結果比較滿意。因為其涉及因素比較多，容易使各因素重要性分散而出現偏差。

Carrion等針對併網太陽能電站選址，建立了一個環境決策支持系統，該系統融合了多目標分析和層次分析方法以及GIS空間分析技術，同時考慮了環境、地形、地理位置、氣候等多種因素。經過實地檢驗，得到了理想結果。但作者是以西班牙為例做模型和驗證模型的，在套用到其他地區時，可能要增加考慮因素。比如，在荒漠地帶把降塵因素考慮進去。不同國家和地區的政策導向，也必須考慮進去，因為當前很多國家和地區的太陽能光伏發電主要靠國家和地方財政補貼扶持。

總結及展望

選址的巨觀影響因素和微觀影響因素是選址研究方法和模型的基礎參數，所以要加強對巨觀影響因素的監測和數據的完善，並進一步研究在野外環境中，單個或多個微觀因素對電站發電量影響的定量關係並進行最佳化，為選址模型完善提供重要參數。對於太陽能資源評估，目前方法雖然很多，但不是很精確，要從根本上解決這種問題，一要增加地面實測站點，尤其是太陽能資源豐富而數據缺乏的地區；二是改進計算方法，使計算結果更符合真實情況；三是對不同類型太陽能電池板在離網和併網情況下實際利用的太陽能進行評估，而不僅僅局限於總輻射的評估。

選址方法和模型雖多，但都有其各自的適用條件，所以要根據不同地方和環境選擇合適的方法和模型。對選址模型要多做研究，充分考慮到選址的巨觀影響因素和微觀影響因素，並進一步完善其功能，使其更加趨向精準選址。最後把成熟的模型推廣，並研發適合中國太陽能光伏電站的選址軟體，為電站發展提供科學保障和規範。

中國太陽能資源區域分布呈從西北向東南遞減的特點。最為豐富的地區分布在青藏高原及新疆、甘肅、寧夏、內蒙古等西北部省（區），尤其是青藏高原地區，由於其獨特的地理環境和氣候原因，使其成為中國太陽能資源高值中心。這些太陽能資源豐富區域大多是高原、沙漠、戈壁、草原，是中國環境最惡劣、生態最脆弱的地區，沙漠化、沙塵暴、大風、暴雪、高溫及生態系統的脆弱性，是中國西北地區的特色，這些因素都對光伏電站選址造成不利的影響。反過來，大型太陽能電站的建設又會對生態系統以及景觀造成不利的影響，而對氣候條件較好地區如中國南方地區的影響較小，也易於恢復，對氣候較差地區如中國西北部地區的影響較大，也更難恢復。另外，大型太陽能電站占地面積都在7hm ² 以上，其綜合利用也應該受到重視。目前的選址模型並沒有考慮到上述因素。這也是現有選址模型的不足，應結合中國實際情況，建立適合中國特點的選址模型，這將是我們研究的一個重要方向。中國擁有大面積的荒漠，在荒漠地區發展大規模太陽能光伏電站是國家未來重點發展方向之一，應儘快進行在荒漠地區發展大規模太陽能光伏電站的可行性基礎研究。同時結合全球變暖趨勢，預測中國未來太陽能分布情況，為將來電站選址及長遠規劃奠定基礎