研究背景
中国煤炭资源丰富，山西省有907座煤矿，有12个省有100座以上的煤矿（图1），因此我国能源消费结构以煤炭为主，煤炭消费碳排放占化石燃料燃烧碳排放的75.7%。为了实现碳中和的目标，这些矿产资源型城市必须经历转型和产业技术进步，资源型城市的转型升级迫切需要实现长期能源战略。
图1.中国各省的煤矿数量
更新资源型城市的一种潜在方法是发展太阳能光伏发电 (PV)。然而，随着太阳能发电的不断发展，用地不足已成为制约光伏建设发展的主要因素之一。
研究内容
为了解决光伏发电可用土地不足的问题，人们开始关注在采煤沉降区等未利用土地进行光伏发电。本研究首次将InSAR形变监测技术结合到采煤沉降区光伏潜力评价中，并将获得的形变信息作为主要的光伏潜力评价数据。在准确快速识别大型采煤沉降区的同时，完善了资源型城市采煤沉降区光伏潜力评价方法。
图2.采煤沉降区光伏潜力评估流程
采煤沉降区光伏潜力评估流程如图2，主要包括：1) 使用MT-InSAR方法进行地表形变估计；2）结合形变和环境因素的层次分析法（AHP）进行土地适宜性评价；3) 平准化电力成本(LCOE)和潜在效益估算。
研究结果
山西省阳泉市是一座传统的资源型工矿城市，正面临能源转型问题。该市已有近100年的采煤历史，部分地区发生形变、沉降，开发利用困难。此外，该地区太阳能资源丰富。因此本文以山西省阳泉市为研究区完成了整个工作流程。
图3.阳泉市形变监测结果
采用MT-InSAR技术得到阳泉市2020年1月至2021年12月的地表变形率，如图3所示。研究区大部分处于稳定状态，平均变形率介于- 10 毫米/年和 10 毫米/年。整体变形率范围为-60 mm/年至45.8 mm/年，最大变形率为-140 mm/年。大部分沉降区位于煤矿区，反映了地下采矿活动的影响。
以不同的形变速率作为阈值，提取出适合建设光伏设施的沉降区域。本文将采煤区光伏建设的形变速率上限定义为-10mm/年，下限分别定义为-40、-50、-60mm/年。设置不同的形变速率阈值可以让我们获得更合理的土地适宜性评估结果。并结合地形坡度（TS）、土地覆盖类型（LC）、交通便利度（TC）、距电力需求中心距离（DP）、距水资源距离（DW）评估标准，通过层次分析方法确定光伏发电的土地适宜性。结果如图4。
图 4. 沉降区光伏发电土地适宜性图。(a)、(b)、(c) 分别为 (-40, -10)、(-50, -10) 和 (-60, -10) 毫米/年沉降率阈值下的土地适宜性结果 . (d) 土地适宜性地图中三个阈值下的土地面积统计。
在本研究中，选择了土地适宜性得分高于 0.25 的区域。此外，最终土地适宜性结果中的孤立区域被认为不适合建造光伏设施。以面积为标准对土地适宜性结果进行聚类。不同形变速率阈值下的最佳选址区域及其面积如图5所示。
图5. (a)、(b)、(c) 分别为 (-40, -10)、(-50, -10) 和 (-60, -10) 毫米/年沉降率阈值下的最佳选址结果 . (d) 三个阈值下的土地面积统计。
通过实地研究和光学图像发现了阳泉内现有的五个光伏发电设施，用于验证我们的估计结果。图 6 显示了估计的光伏发电适宜区域和现有光伏设施的详细信息。结果有较高的一致性，验证了该方法的有效性。
图6. 现存光伏设施及选址结果
在获得阳泉沉降区光伏发电设施建设的最佳区域后，对发电潜力进行了估算（图7），结果表明沉降区光伏潜力可提供阳泉社会总用电量的30%左右，发电潜力巨大。同时计算了建设用地和沉降区土地下的平准化度电成本（LCOE），为0.4122和0.3934元/千瓦时，并预估了年发电收益（图8）。
图7.(a) 2015-2019年阳泉市全社会用电量。(b) 三个阈值下的年发电潜力。
图8.阳泉市沉降区光伏发电预计年收入
结论和展望
在这项工作中，我们选择阳泉市作为案例研究，揭示了阳泉沉降区的发电潜力。主要结论如下：
1、MT-InSAR检测的沉降区集中在阳泉西南矿区。为后续评估光伏在沉降区的适用性提供了依据。
2. 利用层次分析法对阳泉沉降区-40--10、-50--10、-60--10mm/年三个形变速率范围内光伏土地适宜性进行评价。阳泉沉降区对应选择的适宜光伏发电面积分别为32.13、37.89和41.22 km²。预计年发电量可满足全社会电力需求的29.9%、35.5%和38.3%。
3、考虑沉降区地价的平准化度电成本为0.3934元/千瓦时，正常地价为0.4112元/千瓦时。利用沉降区土地进行光伏发电可以以较低的成本实现平价上网。
所提出的方法有助于更准确地评估沉降区光伏的潜力，从而指导沉降区光伏设施的建设，对于解决光伏用地问题和促进光伏产业的发展至关重要。未来的工作将侧重于在全国范围内复制这一评估流程，以及对多种评估方法结果的敏感性分析。
参考文献
Zhang, Z., Wang, Q., Liu, Z., Chen, Q., Guo, Z., & Zhang, H. (2023). Renew mineral resource-based cities: Assessment of PV potential in coal mining subsidence areas. Applied Energy, 329, 120296.
