張北及類似地區太陽輻照量計算方法研究

上海電力設計院有限公司 ■ 黃乾

0 引言

目前，對于無太陽輻照量參考氣象站地區的太陽輻照量的值可通過《太陽能資源評估方法》中相關方法計算得出。但實際工程中，遇到如張北這種位于河北省北部、靠近內蒙古的無太陽輻照量參考氣象站的地區，與其較近的北京、大同等參考氣象站，距離張北地區均約200 km，利用這兩個氣象站推導出的張北地區太陽輻照量的值與實際值偏差很大。故現在各大設計院可行性研究報告中，對于該地區的太陽輻照量的值均采用NASA值，沒有一個較為合理的方法可計算出這類地區的太陽輻照量。

但對于我國來說，利用NASA值得出張北及類似地區的太陽輻照量這種方法依據不足；另外，NASA值僅對高海拔、高晴朗度地區其值較為準確，對于我國華東、華南等地區并不適用。因此，本文利用雙參考站插值法，并通過與太陽輻照量值相關度最高的指數作為計算權重，計算類似張北地區的太陽輻照量。

1 張北地區太陽輻照量的計算方法

1.1 原計算方法概述

由于張北縣內無太陽能輻射資源觀測站，本階段收集了距離站址相對最近的大同和北京氣象站的太陽能資源歷史觀測數據、張北氣象站日照小時數，可按照《太陽能資源評估方法》推算張北地區太陽輻照量。但同時考慮到大同和北京氣象站距離站址約170 km，緯度和海拔高度差異較大，此方法的推算結果不一定準確，因此還收集了NASA地面太陽能觀測數據作為論證方法。

根據北京氣象站1978～2012年統計數據，其多年平均太陽總輻照量為4987 MJ/m2，日照小時數為2443 h；根據大同氣象站同期統計數據，其多年平均太陽總輻照量為5433 MJ/m2，日照小時數為2636 h；張北無太陽輻照量觀測值，其日照小時數為2843 h。

以北京氣象站及大同氣象站作為參考氣象站，按照《太陽能資源評估方法》推算出的張北地區年太陽輻照量分別為5186 MJ/m2與5486.1 MJ/m2，但與尚義縣(與張北縣相鄰)門戶網站所述的太陽能輻射資料數據相差較大。最終采用NASA修正值，5796 MJ/m2作為最終值。

由此可見，《太陽能資源評估方法》利用單個參考觀測站推算無輻射觀測值地區值不一定都準確；原方法雖最終采用NASA修正值，但其忽略了云層多云、霧霾等天氣狀況的影響，其準確性與當地的晴朗度有關。此外，該方法的使用也難以找到太陽能資源評估規范方面的依據。

利用《太陽能資源評估方法》推算張北地區太陽輻照量差距較大的原因為：

1)距離場址較遠，均在170 km以上；

2)海拔差異，北京和大同氣象站的海拔明顯低于場址海拔；

3)氣象站所在地區的氣候與壩上地區的氣候存在明顯差異。

為解決上述問題，本文提出了雙參考氣象站的計算方法，并論證其可靠性和適用性。

1.2 雙參考氣象站輻照量計算法

1.2.1 參考氣象站的選擇

張北縣 (北緯 40°57′～41°34′，東經114°10′～115°27′)位于張家口市西北部古長城外側，屬于內蒙古高原南緣的壩上地區。四周與張家口市區、萬全、尚義、康保、沽源、崇禮縣為鄰，又與內蒙古商都縣接壤。全縣總面積4185 km2，耕地面積1110 km2。張北縣屬大陸性季風氣候，縣內平均海拔1400～1600 m，年均氣溫2.60 ℃，降水量近400 mm，年蒸發量1995 mm，屬缺水地區。張北縣年平均日照時數2750～2850 h，年平均總輻照量5525～6115 MJ/m2，為全省之冠，在全國也屬偏高地區，豐富的太陽能資源為光伏發電產業發展提供了良好的條件。

圖1 參考氣象站及站址地區地理位置圖

由圖1可知，離張北地區最近的氣象站為北京及大同氣象站，但利用這兩個氣象站無法正確推導出張北地區的太陽輻照量值。這主要是由于張北靠近內蒙古屬于壩上地區，地理及環境條件相差太遠。為解決該差異，本報告加選同為壩上地區的二連浩特氣象站，與北京氣象站一起，分析推導張北地區太陽輻照量值。

二連浩特太陽輻照量多年平均值為6204.5 MJ/m2，日照小時數為3110 h。

1.2.2 太陽輻照量的計算

雙參考氣象站輻照量修正法是在《太陽能資源評估方法》基礎上結合工程實踐發展的一種方法。本文選擇二連浩特及北京氣象站作為參考氣象站，分別采用《太陽能資源評估方法》關于無輻射觀測站地區太陽能輻射量計算方法推測2個輻射值，計算方法如下：

式中，QM為場址區域逐月太陽輻射總量，MJ/(m2·d)；Q0為場址區域月天文總輻射量，MJ/(m2·d)；S為月日照百分率，%；H為場址區域日照時數；TM為可照時數；j為當地維度；d為太陽赤緯；a、b為經驗系數，根據參考氣象站觀測資料，利用最小二乘法計算求出。

根據兩個輻射值與實際值的相關性進行加權修正。由上文分析可知，距離遠近并不能準確反映與站址地區日照條件相關性的權重，而日照時數這項指標能較為直接的反映一個地區的日照條件，也是《太陽能資源評估方法》中推算太陽輻照量的重要計算參數，故采用各地日照時數相關性作為修正系數比選擇距離遠近作為權重更合理。加權修正具體計算如下：

首先將兩個參考氣象站的各月日照小時數和場址區域日照小時數分別作線性相關，得到表示相關性程度的R2。修正后的場址太陽輻照量為：

式中，Q1為采用參考氣象站1計算的場址區域太陽輻照量，MJ/m2；Q2為采用參考氣象站2計算的場址區域太陽輻照量，MJ/m2；R12為參考氣象站1與場址區域各月日照小時數線性相關方差；R22為參考氣象站2與場址區域各月日照小時數線性相關方差。

張北地區、二連浩特、北京各月均日照時數如表1所示。

表1 張北地區、二連浩特及北京的月均日照時數/h

圖2 張北與二連浩特日照時數相關性

圖3 張北與北京日照時數相關性

將場址張北與二連浩特、北京兩個氣象站的日照時數分別進行相關性分析，得到R2分別為0.884和0.508。根據式(1)～(3)，推導得Q1=6132 MJ/m2、Q2=5186 MJ/m2，按照式(4)得出張北地區年均太陽輻照量為5787 MJ/m2。與以往可行性研究報告中對張北地區太陽輻照量估算基本一致。

1.2.3 方法適用性驗證

本文選擇西寧地區作為需計算太陽輻照量的地區，蘭州、剛察作為參考氣象站，按照上述的雙參考氣象站輻照量修正法推算西寧地區的太陽輻照量，并用西寧氣象站觀測數據做驗證。三者的相對位置關系如圖4所示。

圖4 參考氣象站及西寧地區地理位置圖

剛察距西寧直線距離160 km，蘭州距西寧直線距離240 km，假設西寧地區無太陽輻照量觀測值。

剛察地區近30年太陽輻照量為6461 MJ/m2，日照小時數2949.5 h；蘭州地區近30年太陽輻照量為5346.6 MJ/m2；西寧地區日照小時數為2513.22 h。

剛察、西寧及蘭州三地的月均日照時數見表2。剛察與西寧、蘭州與西寧的日照時數相關性分析結果如圖5和圖6所示。

按照式(4)，得西寧地區年均太陽輻照量為5551.3 MJ/m2，而西寧氣象站近30年太陽輻照量為5557 MJ/m2，誤差為0.1%。

經驗證，雙參考氣象站輻照量修正法是基于《太陽能資源評估方法》推算法的一種方法，而將僅次于太陽輻照量的日照條件參數——“日照小時數”作為權重系數，較為合理，計算結果較為可靠。

表2 剛察、西寧及蘭州的月均日照時數/h

圖5 剛察與西寧日照時數相關性

圖6 蘭州與西寧日照時數相關性

2 類似地區工程實例

菏澤位于山東省西南部，與蘇、豫、皖三省接壤，地處北緯 34°39′～35°52′、東經 114°45′～116°25′之間。而工程站址位于菏澤，如圖7所示，距離濟南氣象站215 km，距離鄭州氣象站170 km。

圖7 太陽能光伏電站、參考氣象站位置圖

濟南的太陽能資源略好于鄭州，若單以濟南氣象站作為參考氣象站，按照《太陽能資源評估方法》推算法得出的數據可能較實際偏高；反之，用鄭州氣象站可能偏低。而兩個參考氣象站距離光伏站址均較遠，在150 km以上，故本工程采用雙參考氣象站輻照量修正法。

濟南氣象站近15年太陽輻照量為4763 MJ/m2，日照小時數1738.1 h；鄭州氣象站近15年太陽輻照量為4651 MJ/m2；鄭州、濟南及定陶(菏澤)的月均日照小時數見表3。根據式(1)～(3)，推導得Q′1=4785 MJ/m2、Q′2=4607 MJ/m2，兩者相差3.7%。

鄭州、濟南分別與定陶日照時數相關性分析結果見圖8和圖9。由圖8、圖9可知，R1=0.925，R2=0.852，推得菏澤地區太陽輻照量為4719.9 MJ/m2。

表3 鄭州、濟南及定陶(菏澤)的月均日照時數/h

圖8 鄭州與定陶日照時數相關性

圖9 濟南與定陶日照時數相關性

3 結論

通過上述分析，可得出以下結論：

1)在最近的參考氣象站位置與評估地區距離仍較遠，且海拔、氣候差異大的情況下，通過《太陽能資源評估方法》，以單個氣象站為基礎數據，推得的評估區域的太陽輻照量不準確。

2)以《太陽能資源評估方法》為基礎，采用雙參考氣象站輻照量修正法甚至多參考氣象站輻照量修正法，并以日照小時數作為權重系數的計算方法可行，且經驗證，較為可靠。

3)本方法適用于：最近的參考氣象站距離無輻照量數據的光伏站址評估地區150 km或以上，海拔差異較大；站址位于兩個參考氣象站連線附近；若站址位于多個等距離參考氣象站中心位置，可以按上述類似方法衍生為網格式計算法。