2010—2021年中国光伏电站的空间分布及时空变化分析.pdf

太阳能第 11 期总第 355 期2023 年 11 月No.11Total No.355Nov.,2023SOLAR ENERGY50 引言2020 年 9 月 22 日，中国在第 75 届联合国大会一般性辩论上宣布力争于 2030 年前实现碳达峰、2060 年前实现碳中和。面对减排压力，中国电力行业的低碳发展成为必然趋势1-2。光伏发电技术的应用范围广、可靠性高、无需消耗燃料，因此其是一种可靠的新能源发电形式，光伏行业也成为当今世界发展最快的行业之一3。中国光伏发电稳步推进，装机容量从 2015 年起连续 3 年位居世界第一4。获取中国光伏电站的时空分布，对今后光伏电站的建设和中国电力行业的低碳发展，以及碳中和目标的实现具有重要意义。目前也有研究人员利用人工智能方式获取光伏电站的空间分布，但利用此种方式获取光伏电站空间分布的依据是像素具有的多光谱特征，未考虑相邻像素间的关系，分类精度会因受到光照条件、云、下垫面等的影响而受到限制5-6。因此，在中高分辨率的遥感图像中目视解译的解译精度更高。基于此，本文通过收集 20102021 年中国的 Landsat 系列卫星遥感影像，利用目视解译的方法对光伏电站信息提取，分析 20102021 年中国光伏电站分布特征及时空变化规律。1 数据来源及处理方法1.1 数据来源本研究以 Landsat-5 卫星和 Landsat-8 卫星提供的 20102021 年遥感影像数据(来自 USGS网站，网址为 https:/glovis.usgs.gov/app)作为主要数据源，共 1522 景影像，分辨率为 30 m。由于 Landsat-5 卫星在 2011 年 11 月 18 日停止获取遥感影像，且 Landsat-8 卫星是于 2013 年 2 月DOI:10.19911/j.1003-0417.tyn20220824.01 文章编号：1003-0417(2023)11-05-0720102021 年中国光伏电站的空间分布及 时空变化分析卢潇楠，李国庆*，杨凯迪，石泽平，孙嘉欣，张聪颖(鲁东大学资源与环境工程学院，烟台 264025)摘要：为分析中国光伏电站的空间分布及时空变化特征，以 20102021 年的 Landsat-5 数据和 Landsat-8 数据为数据源，利用目视解译的方法提取光伏电站的空间分布，并判断光伏电站所在区域的土地类型。研究结果表明：1)中国光伏电站主要分布在青海省、新疆维吾尔自治区、甘肃省、内蒙古自治区、宁夏回族自治区等西北部地区。2)20102021年间中国光伏电站的占地面积呈现逐年增长趋势，但不同时间段的增长幅度不同，中国光伏电站的占地面积增长率呈现先快速上升，然后增速降低，最后又缓慢上升的变化趋势，且 2013 年的增长率最大。3)中国的光伏电站主要分布在草地、裸地和耕地等土地利用类型上，且分布在这 3 种土地利用类型上的光伏电站在 20102021 年间的占地面积占全国光伏电站总占地面积的比例均超过 86%；而分布在城镇住宅用地和水体上的光伏电站较少。关键词：光伏电站；空间分布；时空变化；中国中图分类号：TM615 文献标志码：A收稿日期：2022-08-24基金项目：山东省自然科学基金面上项目(ZR2021MD051)通信作者：李国庆(1982)，男，博士、副教授，主要从事可再生能源与环境互馈关系方面的研究。2023-11杂志.indd 52023-11杂志.indd 52023/11/28 15:26:432023/11/28 15:26:432023 年太阳能11 日成功发射，因此缺乏 2012 年的遥感影像数据。20102021 年的遥感影像数据如表 1 所示，需要说明的是，本文所使用的遥感影像获取时间多集中在 68 月。表 1 20102021 年的遥感影像数据Table 1 Remote sensing image data from 2010 to 2021卫星名称数据年份分辨率/m数量/景Landsat-5201030142Landsat-520113085Landsat-8201330121Landsat-8201430141Landsat-8201530136Landsat-8201630119Landsat-8201730147Landsat-8201830154Landsat-8201930174Landsat-8202030133Landsat-8202130170从欧洲航天局(ESA)网站(网址为 http:/maps.elie.ucl.ac.be/CCI/viewer/download.php)上分别下载了 2010、2015 和 2020 年的中国范围的土地利用类型图，用于分析光伏电站所在区域的土地利用类型。1.2 研究方法1.2.1 数据预处理本文利用 ENVI5.3 软件中的波段合成工具对遥感影像数据进行真彩色合成，并导出数据。利用应用程序 ArcMap10.2 中的合并工具将多景矢量数据合并成一幅矢量数据图像，利用裁剪工具，以各省的行政图作为裁剪要素，裁剪出全国的遥感影像数据。1.2.2 光伏电站信息提取方法本文利用目视解译的方法分别对 20102021年的中国光伏电站遥感影像进行信息提取。某光伏电站的遥感影像如图 1 所示。36 00N36 100N100 200E100 300E100 400E36 100N36 00N100 400E100 300E100 200E图 1 某光伏电站的遥感影像Fig.1 Remote sensing images of a PV power station从图 1 可以看出：光伏组件在遥感影像上表现为灰蓝色或深褐色的矩形，中间镶嵌白色的格纹，光伏组件紧密有序地排列形成较规则的光伏阵列。由于遥感影像的空间分辨率为 30 m，而光伏阵列间距一般为 510 m，利用目视解译的方法，无法准确区分各光伏阵列。因此在目视解译的过程中，将光伏阵列间距小于 40 m 的光伏电站解译为一个多边形，间距大于 40 m 的光伏电站解译为多个大小不同的多边形。利用目视解译法，根据光伏电站的形态特征提取其矢量数据。完成光伏电站矢量数据提取后，采用混淆矩阵的方法，计算光伏电站的总体精度，对提取到的光伏电站数据进行精度评价。选取了约 500 个标准点，这些标准点分布较为均匀且具有代表性，利用混淆矩阵法计算得到提取的光伏电站的总体精度为 91.3%，提取质量较为理想。2 结果与分析2.1 近 10 年中国光伏电站占地面积的时空分布变化20102021 年中国光伏电站占地面积及增长率情况如图 2 所示。从图 2 可以看出：中国光伏电站的占地面积逐年增大，自 2010 年起，截至 2021 年占地面积增加了约 192689 hm2；但不同时段的变化幅度不同，从占地面积增加率来看，2011 和 2013 年的增长率均较高，且 2013 年的最高，达到 672%；行 业 观 察62023-11杂志.indd 62023-11杂志.indd 62023/11/28 15:26:442023/11/28 15:26:44第 11 期近 10 年间的增长率呈先快速上升，然后增速降低，最后又缓慢上升的变化状态。250000200000150000100000500000占地面积增长率80070060050040030020010002010 2011 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 2020 2021光伏电站占地面积/hm2增长率/%1606721084957171414119年份图 2 20102021 年中国光伏电站占地面积及增长率情况 Fig.2 Floor area and growth rate of PV power stations in China from 2010 to 20212013 年 1 月 1 日，国务院印发能源发展“十二五”规划，提出大力发展太阳能发电，按照就近消纳、有序开发的原则，重点在西藏自治区、内蒙古自治区、甘肃省、宁夏省、青海省、新疆维吾尔自治区、云南省等太阳能资源丰富地区，利用沙漠、戈壁及无耕种价值的闲置土地，建设若干座大型光伏电站，结合资源和电网条件，探索水光互补、风光互补的利用新模式7。因此，2013 年光伏电站占地面积增长率最高。随着中国的光伏发电事业逐渐平稳发展，光伏电站占地面积增长率有所下降，最后增幅变小。由于缺少 2012 年的数据，所以 2013 年的增长率实际统计的是 2011 到2013 年两年内光伏电站的增长，鉴于此，笔者做了以两年为时间间隔的光伏电站占地面积增长率变化统计，结果仍是 2013 年的光伏电站面积增长率最高，因此无需考虑 2012 年数据缺失造成的影响。2.2 近 10 年中国光伏电站的空间分布变化20102021 年中国光伏电站空间分布如图 3所示。图3数据来自天地图的行政边界数据接口，在 QGIS 软件中获得。QGIS 软件是一款功能强大的开源地理信息系统软件，其可提供丰富的地理数据处理和空间分析功能。40 00N30 00N20 00N70 00E130 00E110 00E90 00E80 00E90 00E110 00E120 00E130 00E100 00E光伏电站分布省40 00N30 00N20 00N0 237.547595014251900图例南海诸岛kma.2010 年70 00E130 00E110 00E90 00E40 00N30 00N20 00N80 00E90 00E110 00E120 00E130 00E100 00E光伏电站分布省40 00N30 00N20 00N0 237.547595014251900图例南海诸岛kmb.2011 年70 00E130 00E110 00E90 00E40 00N30 00N20 00N80 00E90 00E110 00E120 00E130 00E100 00E光伏电站分布省40 00N30 00N20 00N0 237.547595014251900图例南海诸岛kmc.2013 年70 00E130 00E110 00E90 00E40 00N30 00N20 00N80 00E90 00E110 00E120 00E130 00E100 00E光伏电站分布省40 00N30 00N20 00N0 237.547595014251900图例南海诸岛kmd.2014 年卢潇楠等：20102021年中国光伏电站的空间分布及时空变化分析行 业 观 察72023-11杂志.indd 72023-11杂志.indd 72023/11/28 15:26:452023/11/28 15:26:452023 年太阳能70 00E130 00E110 00E90 00Ekm40 00N30 00N20 00N80 00E90 00E110 00E120 00E130 00E100 00E光伏电站分布省40 00N30 00N20 00N0 237.5475 95014251900图例南海诸岛e.2015 年70 00E130 00E110 00E90 00Ekm40 00N30 00N20 00N80 00E90 00E110 00E120 00E130 00E100 00E光伏电站分布省40 00N30 00N20 00N0 237.547595014251900图例南海诸岛f.2016 年70 00E130 00E110 00E90 00E40 00N30 00N20 00N80 00E90 00E110 00E120 00E130 00E100 00E光伏电站分布省40 00N30 00N20 00N0 237.547595014251900图例南海诸岛kmg.2017 年70 00E130 00E110 00E90 00E40 00N30 00N20 00N80 00E90 00E110 00E120 00E130 00E100 00E光伏电站分布省40 00N30 00N20 00N0 237.547595014251900图例南海诸岛kmh.2018 年40 00N30 00N20 00N80 00E90 00E110 00E120 00E130 00E100 00E光伏电站分布省40 00N30 00N20 00N0 237.547595014251900图例南海诸岛70 00E130 00E110 00E90 00Ekmi.2019 年80 00E90 00E110 00E120 00E130 00E100 00E40 00N30 00N20 00N光伏电站分布省40 00N30 00N20 00N0 237.547595014251900图例南海诸岛70 00E130 00E110 00E90 00Ekmj.2020 年80 00E90 00E110 00E120 00E130 00E100 00E40 00N30 00N20 00N光伏电站分布省40 00N30 00N20 00N0 237.547595014251900图例南海诸岛70 00E130 00E110 00E90 00Ekmk.2021 年图 3 20102021 年中国光伏电站空间分布Fig.3 Spatial distribution of PV power stations in China from 2010 to 2021从图 3 可以看出：中国光伏电站集中分布在青海省、新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区、甘肃省、宁夏回族自治区等西北内陆地区，从2010 年到 2021 年，全国绝大部分省份的光伏电站分布逐渐密集，且该趋势在西北部地区及华北地区尤为显著；光伏电站的分布范围也在扩大，从 2010 年到 2021 年，有光伏电站分布的省份从行 业 观 察82023-11杂志.indd 82023-11杂志.indd 82023/11/28 15:26:482023/11/28 15:26:48第 11 期11 个增至 30 个。2010、2015、2021 年各省的光伏电站占地面积统计图如图 4 所示。安徽省35000300002500020000150001000050000201020152021湖北省青海省陕西省山西省山东省甘肃省河南省河北省江苏省内蒙古自治区宁夏回族自治区新疆维吾尔自治区浙江省其他省份云南省省、自治区光伏电站占地面积/hm2图 4 2010、2015、2021 年各省、自治区的光伏电站占地 面积统计图Fig.4 Statistical diagram of PV power station area of provinces and autonomous regions in 2010，2015 and 2021从图 4 可以看出：2021 年青海省、新疆维吾尔自治区、内蒙古自治区、甘肃省、宁夏回族自治区这 5 个地区的光伏电站总占地面积占全国光伏电站总占地面积的 60%；在 2010、2015 和2021 年，这 5 个地区的光伏电站总占地面积占全国光伏电站总占地面积的比例均超过了 59%，甚至2015年更是超过了85%。除这5个地区外，河北省、陕西省、安徽省等其他省份的光伏发电事业也在迅速发展。2.3 光伏电站在不同土地利用类型上的分布为分析光伏电站所在地的土地利用类型状况，将 20102013 年的全国光伏电站分布图与 2010 年的全国土地利用类型图叠加，20142017 年的全国光伏电站分布图与 2015 年的全国土地利用类型图叠加，20182021 年的全国光伏电站分布图与 2020 年的全国土地利用类型图叠加分析。20102021 年分布于不同土地利用类型的光伏电站占地面积情况如图 5 所示。林地耕地裸地城镇住宅用地水体草地光伏电站占地面积/hm225000020000015000010000050000020102011 2013 2014 2015 2016 2017 2018 2019 20202021年份图 5 20102021 年分布于不同土地利用类型的 光伏电站占地面积情况Fig.5 Floor area of PV power stations distributed across different land use types from 2010 to 2021 从图 5 可以看出：1)2010 年中国光伏电站的占地面积为 1087.90 hm2，到 2021 年该值增加了192688.57 hm2。2)光伏电站所在地的土地利用类型主要为草地、裸地和耕地等，在 20102021 年中，分布在草地、裸地和耕地上的光伏电站占地面积占全国光伏电站总面积的比例均在 86%以上。且在草地上的占地面积最大，裸地的其次。3)2021 年，在草地上分布的光伏电站的占地面积占全国光伏电站总面积的比例超过 45%，在裸地上分布的光伏电站的占地面积占全国光伏电站总占地面积的 25%；而在城镇住宅用地和水体上分布的光伏电站的占地面积较少。4)随着时间的推移，光伏电站分布在城镇住宅用地和水体上比重有所增加，但仍较少，不足1%。中国光伏发电事业正蓬勃发展，未来要在注重光伏电站在草地和裸地等土地利用类型发展的同时，实现光伏电站在城镇住宅用地和水体上的建设。3 讨论从本文研究来看，中国光伏电站的数量正在逐年上涨，规模也在不断扩大。目前中国光伏电站主要分布在草地、裸地和耕地上，而分布在城镇住宅用地及水体上的比例较小。水光互补光伏电站可以提高土壤含水量，减少土地水分蒸发，从而改善生态环境，与当今世界倡导的碳中和发卢潇楠等：20102021年中国光伏电站的空间分布及时空变化分析行 业 观 察92023-11杂志.indd 92023-11杂志.indd 92023/11/28 15:26:482023/11/28 15:26:482023 年太阳能展理念相统一。因此，未来注重在草地、裸地和耕地上建设光伏电站的同时，也应注重其在水体等土地利用类型上的建设，实现水光互补光伏电站的普及，同时也要注重光伏电站在城镇住宅用地上的建设，可以通过房屋屋顶等地安装光伏组件等方式来实现。由于本文使用的 Landsat 卫星数据的空间分辨率较低，不能完全获取中小规模的建于城市或农村的屋顶分布式光伏电站的光伏组件，所以解译面积可能会小于实际的光伏电站占地面积。此外，本文只分析了全国大范围下光伏电站的时空分布特征及不同土地利用类型上光伏电站的分布状况，而不同省份光伏电站在相应土地利用类型上的研究也对光伏电站今后的发展具有重要作用，需要后续进一步研究。4 结论为分析中国光伏电站的空间分布及时空变化特征，本文以 20102021 年的 Landsat-5 和Landsat-8 卫星数据为数据源，利用目视解译的方法提取光伏电站的空间分布，并判断光伏电站所在地的土地类型。研究结果表明：1)2010年中国光伏电站的面积为1087.90 hm2，到 2021 年增加了 192688.57 hm2，20102021 年间中国光伏电站的占地面积呈现逐年增长的趋势，但不同时间段的变化幅度不同，呈现先大幅增长，然后增速降低，最后又缓慢上升的变化趋势，且在 2013 年的增长幅度最大，达到 672%。2)中国光伏电站主要分布在青海省、新疆维吾尔自治区、甘肃省、内蒙古自治区、宁夏回族自治区等西北部地区；在 2010、2015 和 2021 年，这 5 个地区的光伏电站占地面积占全国光伏电站总占地面积均超过了 59%，2015 年更是超过了85%。3)光伏电站所在地的土地利用类型主要为草地、裸地和耕地等，在 20102021 年中，分布在草地、裸地和耕地上的光伏电站占地面积占全国光伏电站总面积的比例均在 86%以上。且在草地上的占地面积最大，裸地的其次。本文研究可为今后光伏电站的建设和发展提供数据支持，为加快构建清洁低碳安全高效能源体系提供依据，推进促进中国经济社会发展全面绿色转型，具有重要的实践意义和应用价值。参考文献 1 HE G，LIN J，SIFUENTES F，et al.Rapid cost decrease of renewables and storage accelerates the decarbonization of China s power systemJ.Nature communications，2020，11：2486.2 YU Y，JIN Z X，LI J Z，et al.Low-carbon development path research on China s power industry based on synergistic emission reduction between CO2 and air pollutantsJ.Journal of cleaner production，2020，275：123097.3 王云钊，杨嵘春.光伏发电技术与建筑一体化的实际应用 J.技术交流与应用，2010(6)：72-75.4 水电水利规划设计总院.改革开放 40 年新能源建设成就与展望(下)J.中国电力企业管理，2019(7)：38-41.5 MELLIT A，KALOGIROU S A.Artificial intelligence techniques for photovoltaic applications:a reviewJ.Progress in energy and combustion science，2008，34(5)：574-632.6 KALOGIROU S A.McEvoy s Handbook of Photovoltaics:Fundamentals and Applications.3edM.USA：Academic Press，2017.7 中华人民共和国中央人民政府.国务院关于印发能源发展“十二五”规划的通知 EB/OL.(2013-01-23).http:/ 业 观 察102023-11杂志.indd 102023-11杂志.indd 102023/11/28 15:26:482023/11/28 15:26:48第 11 期 ANALYSIS OF SPATIAL DISTRIBUTION AND SPATIOTEMPORAL CHANGES OF PV POWER STATIONS IN CHINA FROM 2010 TO 2021Lu Xiaonan，Li Guoqing，Yang Kaidi，Shi Zeping，Sun Jiaxin，Zhang Congying(Resources and environment engineering institute of Ludong University，Yantai 264025，China)Abstract：To analyze the spatial distribution and spatiotemporal changes of PV power stations in China，this paper uses Landsat-5 and Landsat-8 data from 2010 to 2021 as data sources，and uses visual interpretation methods to extract the spatial distribution of PV power stations and determine the type of land where PV power stations are located.The research results indicate that：1)Chinas PV power stations are mainly distributed in northwestern regions such as Qinghai Province，Xinjiang Uygur Autonomous Region，Gansu Province，Inner Mongolia Autonomous Region，Ningxia Hui Autonomous Region，etc.2)From 2010 to 2021，the land area of Chinas PV power stations shows a trend of increasing year by year，but the growth rate vary in different time periods.The growth rate of the land area of Chinas PV power stations shows a trend of first rapidly increasing，then decreasing，and finally slowly increasing，with the highest growth rate in 2013.3)Chinas PV power stations are mainly distributed in land use types such as grasslands，bare land，and cultivated land，and the proportion of PV power stations distributed in these three land use types to the total land area of PV power stations in China between 2010 and 2021 exceeds 86%；There are fewer PV power stations distributed on urban residential land and water bodies.Keywords：PV power stations；spatial distribution；spatiotemporal changes；China卢潇楠等：20102021年中国光伏电站的空间分布及时空变化分析行 业 观 察112023-11杂志.indd 112023-11杂志.indd 112023/11/28 15:26:492023/11/28 15:26:49