一种基于GIS技术的光伏发电站前期宏观选址方法

摘要

本发明公开了一种基于GIS技术的光伏发电站前期宏观选址方法，该方法包括：收集、整理以及分类选址区气象、地质地理、交通等相关历史资料，并确定选址区主要影响因素；对各个影响因素的历史资料进行处理，从而得到各选址影响因素的栅格形式数据；利用层次分析法求出各个因素的权重值；基于GIS技术中的叠加分析功能，把层次分析法所求的各个因素权重值与各个因素的栅格数据进行叠加分析和归一化处理，从而得到最终选址结果。本发明不仅可以缩小勘探区域，减小选址场地地形测绘和岩土初勘时间，提高光伏发电站前期选址效率和精度，而且所用的技术方法可以推广到风电场、热电厂以及其它站的前期选址上。

说明书

技术领域

本发明涉及光伏发电站选址技术领域，具体涉及是在GIS技术领域来实现光伏发电站前期宏观选址方法。

背景技术

随着我国“双碳”目标的提出，以光伏为代表的绿色可再生能源，迎来了优先发展的历史性机遇。近年来，在国家政策的大力支持下，太阳能资源被大量开发和利用，全国各地都在纷纷布局建设光伏发电站，但光伏发电站建成后，存在太阳能资源未充分利用、经济效益较低、建设成本较高以及后期维护保养困难等问题，这与前期光伏发电站的选址规划有直接关系。因此，科学合理的选址可以改善甚至避免这些问题，同时对我国光伏产业的高速发展具有重大意义，并且助力加速实现我国的“双碳”目标。

地理信息系统(GIS)技术是目前选址决策研究的有力工具，利用其强大的空间分析能力与层次分析法相结合，通过定性和定量相结合来解决复杂多因素决策问题，从而实现选址决策的简单化、科学化、合理化以及可视化。国外许多学者利用GIS技术和层次分析法相结合，用来研究光伏发电站选址或者评估建设光伏农场的适宜性，而国内虽然也有一些研究，但是不太全面，主要还是应用在商城、机场以及风电场等项目决策中，并且应用到光伏发电站选址决策中还是相对较少。

因此，针对上述问题，本发明提出一种基于GIS技术的光伏发电站前期宏观选址方法，可把GIS技术与层次分析法相结合，来确定光伏发电站适宜的选址区。

发明内容

本发明的目的就是提供一种基于GIS技术的光伏发电站前期宏观选址方法。通过利用这种方法，可以提高光伏发电站前期宏观选址的科学性和合理性。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种基于GIS技术的光伏发电站前期宏观选址方法，包括以下步骤：

步骤一：查阅光伏发电站相关资料，并结合当地气象、地理和地质情况以及社会经济等条件，确定该选址区主要影响光伏发电站选址的宏观因素，包括气象因素、自然地理地质因素以及社会经济因素等，然后从中确定主要影响因素；

步骤二：通过查阅光伏发电站相关文献书籍，并结合国家和当地政策标准，确定各个影响因素的基本准则，并把这些准则作为该地区光伏发电站选址的理论依据，或者选址结果优化方法，以及后面评估影响因素的分类标准；

步骤三：从国家和当地相关部门(如气象部门、土地部门)收集影响因素的历史资料，并对各影响因素相关资料进行分类整理；

步骤四：对整理好的原始资料进行处理，包括剔除原始资料中的异常值和缺失值、对原始栅格数据进行镶嵌、投影变换以及裁剪等，然后再按照各个影响因素的基本准则进行重新分类、赋值，得到各个因素的栅格数据；

步骤五：利用层次分析法构建光伏发电站选址评价指标体系，并求出各个影响的权重。其主要过程还包括构造成对比较矩阵、成对比较矩阵一致性检验以及计算各个因素权重；

步骤六：步骤五中层次分析法求取权重的过程如下：

1)构造成对比较矩阵，先构造一个矩阵M，里面元素记为a

表1层次分析法成对比较矩阵的标度及含义

2)成对比较矩阵一致性检验，首先，按照公式(1)计算出一致性指标CI；然后根据表2，得出对应的平均随机一致性指标RI；再利用公式(2)计算一致性比例CR。其中，若CR<0.1,则可认为成对比较矩阵M的一致性可以接受，有满意的一致性，通过一致性检验，否则需要重新构造成对比较矩阵M，(1)式中λ

表2平均随机一致性指标RI

3)计算权重，通常情况下，在层次分析法求解权重时，特征值法用的最多。但是本发明为了减小误差，提高选址结果的说服力，将利用算术平均法、几何平均法以及特征值法来求一个平均权重。

步骤七：基于GIS技术中的叠加分析功能，把层次分析法所求的各个因素权重值与各个因素的栅格数据进行叠加分析和归一化处理，即可得到光伏发电站前期宏观选址的结果图；

步骤八：与现有技术相比，本发明至少具有以下优点和有益效果：本发明基于GIS技术，并与层次分析法相结合，使得复杂的选址决策问题可以简单化、科学化、合理化以及可视化；在光伏发电站选址前期，本发明可以缩小勘探区域，减小选址场地地形测绘和岩土初勘时间，降低了前期选址成本，提高了光伏发电站前期选址效率；本发明考虑了选址区的气象、地理和地质以及社会经济等条件，并综合三种方法求其权重，提高了光伏发电站前期宏观选址结果的科学性、合理性以及准确性；本发明所用的技术方法可以推广到风电场、热电厂以及其它站等项目前期选址上，具有一定的参考和借鉴价值。

附图说明

上面只是对本发明技术方案的系统阐述，为了更清楚的说明本发明技术方案。下面将结合实施例和附图，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。显然，下面描述中的附图仅仅只是本发明的部分实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取其他的附图。

图1为本发明一种基于GIS技术的光伏发电站前期宏观选址方法的整体流程图；

图2为本发明实施例中太阳辐射栅格图；

图3为本发明实施例中日照时数栅格图；

图4为本发明实施例中气温栅格图；

图5为本发明实施例中坡度栅格图；

图6为本发明实施例中坡向栅格图；

图7为本发明实施例中土地类型栅格图；

图8为本发明实施例中距道路距离栅格图；

图9为本发明实施例中距居民区距离栅格图；

图10为本发明实施例中光伏发电站选址评价指标体系图；

图11为本发明实施例选址结果图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行进一步的完整描述，显而易见，下面所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员所获得的其他实施例，都属于本发明保护的范围。

本发明实施例提供一种基于GIS技术的光伏发电站前期宏观选址方法，并以宁夏地区光伏发电站前期宏观选址为例，如图1所示，具体包括如下步骤：

步骤1：通过查阅光伏发电站相关资料，并结合宁夏地区气象、地理和地质以及社会经济条件，确定太阳辐射、日照时数、坡度、坡向、气温、距道路距离、距居民区距离以及土地类型这8个作为该选址区主要影响光伏发电站选址的宏观因素；

步骤2：通过查阅光伏发电站相关文献书籍，并结合国家和当地政策标准，确定8个影响因素的基本准则。具体原则和相关分析如下：

1、太阳辐射和日照时数

太阳辐射和日照时数是影响光伏发电站选址的重要因素，也是反映一个地区太阳能资源丰富程度的重要指标。因此，对于光伏发电站选址，最好在太阳能资源较丰富地区进行。

2、坡度和坡向

坡度和坡向都会影响该地区地表接收太阳的辐射量以及日照时数，从而影响该地区太阳能资源分布。因此，坡度和坡向在光伏发电站选址时也作为考虑因素之一。根据GB50797—2012《光伏发电站设计规范》，再结合国内外相关资料表明：对于坡度而言，光伏发电站最好选址在地势平坦的地区或者北高南低的坡度地区，并且一般不考虑坡度大于35°，即通常坡度越小越好；对于坡向而言，坡向以南坡为最佳，可向西南坡、东南坡扩展，适宜坡向为135°～225°之间。

3、气温

在实际应用中，太阳能光伏发电系统的发电性能受所处自然环境条件影响较大，主要表现在太阳电池组件和蓄电池的工作温度。因此，在光伏发电站选址时，周围环境温度最好在5℃～35℃之间，即尽量选择温度较低，地表空旷地区，这样可以增加电池组件周围空气流动，从而使太阳电池组件散热更快，提高光伏发电系统的发电性能。

4、距居民区距离

对于选址的位置，离居民区既不能太近，也不能太远。如果离居民区太近，周围物体(树木、电线杆、建筑物)的阴影投射到电池平板上，从而遮挡太阳光照，影响光伏发电系统的发电效率。如果离居民区太远，将会使前期建造和后期维护成本增加，并且输电距离也会变长，电能在输电线路上的损耗增加。根据相关研究表明，太阳能光伏发电站与居民区的距离不得低于500m。因此，控制光伏发电站与居民区的距离小于500m的条件下，对于大于500m的范围，则离其越近越好。

5、距道路距离

光伏发电站的顺利建造，需要良好的交通运输条件作为保证。首先，建造前期需要基本的建筑材料，以及各种大型和小型施工机器被运输到施工现场，其次，到了中期，各种大功率逆变器、升压变压器等光伏组件运输到现场进行安装、调试，最后，就是面临后期的维护、保养等问题。根据相关研究表明，太阳能光伏发电站与最近现有道路的距离不得低于100m。因此，在光伏发电站与现有道路的距离小于100m的条件下，对于大于100m的范围，则离其越近越好。

6、土地类型

我国虽然地域辽阔，土地类型类型众多，但是在建造光伏发电站时，也需要严格遵守相关法律法规，对土地进行合理的选择，有利于保护、开发土地资源，合理利用土地，使土地的经济价值发挥最大。因此，结合GB 50797—2012《光伏发电站设计规范》、GB/T 21010—2017《土地利用现状分类》以及宁夏回族自治区人民政府办公厅关于规范新能源产业用地的通知，在光伏发电站选址时，尽量选择未利用和经济价值低的土地。

步骤3：根据前面所得的8个光伏发电站选址主要影响因素，收集、计算以及整理各个影响因素的历史资料，然后借助Python软件对各个因素历史资料进行处理，包括读取、剔除异常值与缺失值以及求均值等，又用ArcGIS软件对数据进行镶嵌、投影变换以及裁等处理后，再按照各个因素的基本准则，对各个因素进行欧氏距离计算、重新分类与赋值以及裁剪等处理，得到宁夏地区各选址影响因素的栅格形式数据，如图2～9所示；

步骤4：根据前面所得的8个光伏发电站选址主要影响因素，利用层次分析法构建光伏发电站选址评价指标体系，如图10所示；

步骤5：通过查阅国内外光伏发电站选址相关资料和文献，结合相关领域专家意见，构造以太阳辐射、日照时数、坡度、坡向、气温、距道路距离、距居民区距离以及土地类型这8个主要影响因素组成的成对比较矩阵，如表1所示；

表1成对比较矩阵

步骤6：通过公式计算可得，一致性指标CI为0.0224，RI的值取1.41，计算可得一致性比例CR约为0.0159<0.1，因此，可认为成对比较矩阵的一致性可以接受，有满意的一致性，通过一致性检验，可以进行后面的权重计算；

步骤7：由于构造的成对比较矩阵通过了一致性检验，则可以分别利用算术平均法、几何平均法以及特征值法来求取权重值，然后再取3个结果的均值，即可得到平均权重值，而这个平均权重值就是本实施例中所用最终的权重值，如表2所示；

表2不同方法所得的权重值

步骤8：结合步骤7所求得的各个因素权重值，基于GIS技术中的叠加分析功能对各个影响因素栅格进行加权叠加，然后再进行归一化处理后，得到宁夏地区光伏发电站宏观选址结果，结果如图11所示，其中最佳选址区如图11中黑线围成的区域。

应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的优选技术方案而已，而不是对本发明的限制，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，可以对本发明的技术方案进行改进、替换和变型，但是其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。