基于WRF模式的光伏電站選址研究

康 慨，盧 勝

(湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430040)

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基于WRF模式的光伏電站選址研究

康 慨，盧 勝

(湖北省電力勘測(cè)設(shè)計(jì)院，湖北 武漢 430040)

目前國(guó)家太陽(yáng)能輻射觀測(cè)氣象站較少，光伏選址的區(qū)域周邊缺少輻射觀測(cè)資料，部分區(qū)域甚至缺乏日照觀測(cè)資料，在進(jìn)行光伏電站前期評(píng)估時(shí)，缺乏進(jìn)行太陽(yáng)輻射量的推算、光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)配置及發(fā)電量計(jì)算的依據(jù)。采用中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)WRF模式進(jìn)行光伏電站場(chǎng)址區(qū)域太陽(yáng)能總輻射數(shù)值模擬試驗(yàn)，輸出的逐時(shí)輻射和溫度資料為光伏電站選址提供了有利的支撐，對(duì)光伏發(fā)電工程的前期評(píng)價(jià)有較好的參考價(jià)值。

輻射；WRF模式；光伏系統(tǒng)

光伏電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之一是太陽(yáng)輻射，目前國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能輻射觀測(cè)站較少，一般只有一級(jí)氣象觀測(cè)站具有太陽(yáng)輻射的觀測(cè)功能，光伏場(chǎng)址周邊缺少輻射觀測(cè)資料，部分區(qū)域甚至缺乏日照觀測(cè)資料，從而造成光伏電站場(chǎng)址選擇的不合理，最終導(dǎo)致電站的不經(jīng)濟(jì)性和對(duì)電網(wǎng)產(chǎn)生較大影響。因此，要想大幅提高光伏發(fā)電比例，保證光伏電站的合理系統(tǒng)配置、提高光電轉(zhuǎn)換效率、降低光伏發(fā)電成本，光伏電站的太陽(yáng)資源推算和選址研究顯得尤為重要。

縱觀國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)太陽(yáng)輻射模擬技術(shù)的研究，文獻(xiàn)[1-3]研究了一系列有關(guān)我國(guó)氣候?qū)W總輻射的參數(shù)化計(jì)算方案，為我國(guó)輻射氣候?qū)W的研究奠定了基礎(chǔ)；文獻(xiàn)[4] 以輻射觀測(cè)值與其影響因子建立非線性回歸模型，結(jié)果表明該模型誤差較小，模擬結(jié)果接近于實(shí)測(cè)值；文獻(xiàn)[5] 考慮影響太陽(yáng)逐時(shí)總輻射的氣象、地理等多方面因素，對(duì)寶山站太陽(yáng)逐時(shí)總輻射建立了混沌優(yōu)化神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)模型，預(yù)測(cè)結(jié)果也較為準(zhǔn)確；文獻(xiàn)[6] 深入探討了有關(guān)數(shù)值預(yù)報(bào)模式在處理輻射過(guò)程參數(shù)化方案的一系列問(wèn)題，為開(kāi)展利用數(shù)值模式預(yù)報(bào)研究太陽(yáng)短波輻射做好鋪墊；文獻(xiàn)[7] 利用18個(gè)全球氣候模式對(duì)東亞地區(qū)地表短波輻射進(jìn)行模擬檢驗(yàn)，結(jié)果表明多數(shù)模式能夠很好地模擬出地表短波輻射的緯向平均季節(jié)變化的位相特征；文獻(xiàn)[8] 利用中尺度數(shù)值模式WRF對(duì)武漢地區(qū)進(jìn)行了約4個(gè)月的到達(dá)地表短波輻射模擬，表明中尺度模式對(duì)地表短波輻射具有一定的預(yù)報(bào)能力和可信度，尤其是對(duì)晴天輻射的預(yù)報(bào)能力更佳；文獻(xiàn)[9，10]基于WRF模式輸出結(jié)果以及8月武漢站逐時(shí)總輻射觀測(cè)序列建立統(tǒng)計(jì)關(guān)系式，對(duì)模式模擬的到達(dá)地表短波輻射進(jìn)行誤差訂正，能夠進(jìn)一步提高模式預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率；文獻(xiàn)[11]基于WRF模式模擬了上海地區(qū)月太陽(yáng)總輻射，并采用寶山氣象站數(shù)據(jù)比較了氣候?qū)W計(jì)算和WRF模式計(jì)算得出月太能總輻射量的分布，發(fā)現(xiàn)太陽(yáng)總輻射值范圍比較一致。

本文采用中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)WRF模式進(jìn)行太陽(yáng)總輻射數(shù)值模擬試驗(yàn)，并根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果繪制了預(yù)選光伏電站場(chǎng)區(qū)的光資源圖譜、輸出了預(yù)選址點(diǎn)的逐小時(shí)輻照資料和溫度，通過(guò)附近氣象站的輻射觀測(cè)值對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證和修正，并根據(jù)修正的結(jié)果給出了光伏電站的選址，為后續(xù)的光伏電站選址提供了參考意義。

1 模式簡(jiǎn)介和資料方法

1.1 模式簡(jiǎn)介

中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式(Weather Research Forecast，簡(jiǎn)稱WRF)模式是新一代中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，該模式由美國(guó)國(guó)家大氣研究中心、國(guó)家大氣海洋局、國(guó)家大氣環(huán)境研究中心和俄克拉荷馬大學(xué)等聯(lián)合發(fā)展起來(lái)的針對(duì)中小尺度天氣系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)為目的而開(kāi)發(fā)的新一代數(shù)值預(yù)報(bào)模式。它通過(guò)尺度分析方法，簡(jiǎn)化支配大氣運(yùn)動(dòng)的流體動(dòng)力學(xué)和熱力學(xué)方程組，利用數(shù)值方法進(jìn)行近似求解，來(lái)預(yù)報(bào)未來(lái)的大氣環(huán)流形勢(shì)和天氣[12-13]。

WRF模式為完全可壓縮以及非靜力多層嵌套模式，重點(diǎn)考慮1～10 km的水平網(wǎng)格，水平方向采用Arakawa C網(wǎng)格點(diǎn)，垂直方向采用地形追隨質(zhì)量坐標(biāo)，時(shí)間積分采用三階或者四階Runge-Kutta算法。在數(shù)值模式模擬天氣過(guò)程中，不同運(yùn)動(dòng)要素的特征尺度往往不同，由于分辨率不足等原因，次網(wǎng)格尺度的物理過(guò)程不能很好地被描述。模式計(jì)算中常采用參數(shù)化的方法來(lái)表示尺度可分辨與不可分辨之間的相互作用。

WRF模式利用包含微物理過(guò)程方案、短波輻射和大氣長(zhǎng)波輻射方案、積云對(duì)流參數(shù)化方案、邊界層方案等的物理過(guò)程參數(shù)化方案來(lái)完善模擬的效果。WRF模式分為研究(ARW)和業(yè)務(wù)(NMM)兩種形式，分別由NCEP 和 NCAR管理維護(hù)，本文使用的是WRF-ARW。圖1為WRF模式業(yè)務(wù)流程示意圖，主要分為前處理、模式計(jì)算、后處理3部分。前處理主要運(yùn)用前處理軟件WPS，包括初始場(chǎng)的產(chǎn)生、模型的建立、資料的收集、參數(shù)的設(shè)置等，提供給大氣模式主模塊以輸入條件。模式計(jì)算是WRF運(yùn)行的主要部分，在輸入前處理產(chǎn)生的輸入文件之后，根據(jù)用戶設(shè)置的物理過(guò)程參數(shù)化、計(jì)算時(shí)間、積分步長(zhǎng)等參數(shù)，進(jìn)行積分，得到模擬風(fēng)速場(chǎng)。后處理主要是將模式輸出的文件提取出需要的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成合適的格式，繪制成圖像或表格。

圖1 WRF模式流程圖

1.2 模擬方案及資料

本文利用 WRF模式對(duì)徐聞地區(qū) 2012年3月至2013年2月逐月的太陽(yáng)輻射量進(jìn)行了模擬，選 20.536°N，110.139°E為模擬區(qū)域中心。由于該地區(qū)下墊面多為裸露黃土地表、植被較少，地形平坦、單一，障礙物少，區(qū)域氣候相對(duì)簡(jiǎn)單水平網(wǎng)格選擇3層嵌套，分辨率從外至內(nèi)依次為10、3.33、1.11 km；垂直方向采用地形跟隨坐標(biāo)，分為27層；模式頂層氣壓為50 hPa。在模擬計(jì)算中，微物理過(guò)程采用WSM 3-class微物理方案，長(zhǎng)波輻射采用RRTM方案，短波輻射采用Dudhia方案，近地層過(guò)程采用Monin-Obukhov方案， 陸面過(guò)程采用Noah方案，行星邊界層采用Mellor-Yamada-Janjic方案，積云參數(shù)化采用Kain-Fritsch方案。

本文的背景資料采用1°×1°分辨率的NCEP逐6 h再分析資料，NECP背景場(chǎng)資料是美國(guó)國(guó)家環(huán)境預(yù)報(bào)中心(NCEP)和美國(guó)國(guó)家大氣研究中心(NCAR)對(duì)全球從1948年到現(xiàn)在的氣象資料進(jìn)行再分析形成格點(diǎn)資料。此資料集要素多、范圍廣、延伸時(shí)段長(zhǎng)，且對(duì)外公開(kāi)，為研究天氣尺度和中尺度系統(tǒng)變化過(guò)程提供了良好的條件，已成為廣大科研者的重要數(shù)據(jù)來(lái)源。包括等壓面資料7要素、地面資料11要求以及地面通量資料42要素。本文采用NCEP逐6 h再分析資料作為初始場(chǎng)和側(cè)邊界條件，側(cè)邊界采用松弛邊界，每6 h更新一次。地形資料默認(rèn)采用美國(guó)地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey，簡(jiǎn)稱USGS)采集制作的資料，精度包括10、5、2 m和30 s等，根據(jù)模式網(wǎng)格分辨率的大小選擇合適精度的USGS地形資料。

2 太陽(yáng)能站址選擇案例分析

2.1 太陽(yáng)能資源

光伏發(fā)電系統(tǒng)的實(shí)際輸出功率主要受太陽(yáng)輻射照度的影響，而太陽(yáng)輻射單位面積能量密度低，時(shí)間上具有較大的不連續(xù)性和不穩(wěn)定性。不僅受季節(jié)和地理因素的影響，而且與當(dāng)時(shí)的大氣透明度、水汽含量、氣溶膠、云量、云狀、云與太陽(yáng)的相對(duì)位置等密切相關(guān)。同時(shí)受天文因素的影響，其變化又具有周期性，包括日變化和年變化其它環(huán)境因素(如溫度)，對(duì)太陽(yáng)輻射轉(zhuǎn)化效率也會(huì)產(chǎn)生影響。

為了保證光伏電站的經(jīng)濟(jì)性，首先需對(duì)太陽(yáng)能電站站址所在地的區(qū)域太陽(yáng)能資源基本狀況進(jìn)行分析，并對(duì)相關(guān)的地理?xiàng)l件和氣候特征進(jìn)行適應(yīng)性分析。根據(jù)光伏電站設(shè)計(jì)規(guī)范及氣象相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在對(duì)光伏電站選址和分析時(shí)需具備以下條件：

(1)當(dāng)對(duì)光伏發(fā)電站進(jìn)行太陽(yáng)能總輻射量及其變化趨勢(shì)等太陽(yáng)能資源分析時(shí)，應(yīng)選擇站址所在地附近有太陽(yáng)輻射長(zhǎng)期觀測(cè)記錄的氣象站作為參考?xì)庀笳尽?/p>

(2)當(dāng)利用現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽(yáng)能資源分析時(shí)，場(chǎng)址觀測(cè)數(shù)據(jù)應(yīng)連續(xù)，且不應(yīng)少于一年。

(3)大型光伏發(fā)電站建設(shè)前期宜先在站址所在地設(shè)立太陽(yáng)輻射現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)站，現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)記錄的周期不應(yīng)少于一個(gè)完整年。

目前光伏電站建設(shè)周期短站，光伏電價(jià)波動(dòng)較大，投資商在進(jìn)行光伏電站投資時(shí)，均未進(jìn)行場(chǎng)址區(qū)域測(cè)光，而光伏電站主要位于荒漠區(qū)域、山地區(qū)域或其他偏遠(yuǎn)區(qū)域，場(chǎng)址區(qū)域附近缺乏相應(yīng)的輻照觀測(cè)站。為保證光伏電站的科學(xué)選擇，需進(jìn)行光伏區(qū)域的太陽(yáng)能資源推算。由于站址區(qū)域及附近缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)，本文采用新一代中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式WRF模式進(jìn)行太陽(yáng)總輻射數(shù)值模擬試驗(yàn)，在選定區(qū)域后根據(jù)1°×1°分辨率的NCEP逐6 h再分析資料、地形資料USGS，模擬的預(yù)選光伏電站場(chǎng)區(qū)光資源圖譜如圖2所示。

圖2 場(chǎng)址區(qū)域位置及模擬的太陽(yáng)能資源圖譜

2.2 太陽(yáng)能站址選擇

根據(jù)《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》太陽(yáng)能電站選址原則和模擬的區(qū)域太陽(yáng)能資源圖譜，綜合考慮該區(qū)域的電網(wǎng)接入條件、環(huán)評(píng)、國(guó)土及林業(yè)要求，經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查后，確定選址區(qū)域位于圖2所示中心位置，該區(qū)域?yàn)轸~(yú)塘，可規(guī)劃容量為30 MWp的漁光互補(bǔ)項(xiàng)目，該區(qū)域點(diǎn)的逐時(shí)光資源如圖3所示。

圖3 光伏電站站址點(diǎn)的逐時(shí)輻照與溫度曲線

光伏場(chǎng)區(qū)近區(qū)域范圍內(nèi)無(wú)輻射觀測(cè)站和日照觀測(cè)站，距離光伏場(chǎng)址區(qū)域最近的輻射觀測(cè)站為海口輻射觀測(cè)站(約35 km)。海口區(qū)域光照時(shí)間長(zhǎng)，大氣透明度好，光穿透力強(qiáng)。據(jù)?？跉庀缶仲Y料，海南年平均太陽(yáng)輻射總量為4 500～5 500 MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)為1 750～2 650 h ，光照率為50%～60%。采用WRF模式，并采用海口氣象站輻射數(shù)據(jù)同化后推算出2012年3月至2013年2月光伏場(chǎng)區(qū)的總輻射量為5 396.25 MJ/m2，與?？跉庀笳径嗄甑妮椛淞科呒s為6.15%左右，具體見(jiàn)表1所示。通過(guò)建立?？跉庀笳九c場(chǎng)址推算結(jié)果的相應(yīng)各月輻射值線性回歸方程，兩者相關(guān)系數(shù)為0.943 5，通過(guò)了置信度為0.01的顯著性F檢驗(yàn)。因此，可初步將推算的場(chǎng)址區(qū)域的輻射度作為本場(chǎng)區(qū)的輻射參考資料，進(jìn)行光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

表1 擬選光伏站站址的輻照數(shù)據(jù)與附近輻射站的數(shù)據(jù)表

因大氣物理狀態(tài)的波動(dòng)，導(dǎo)致氣象因素也隨之發(fā)生變化，如輻照度、環(huán)境溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、云量、氣壓等。由光伏發(fā)電原理可知，影響光伏組件發(fā)電功率的氣象因子有很多，在不忽略重要?dú)庀笥绊懸蜃拥那疤嵯?，?jì)及光伏電站實(shí)際運(yùn)行中的相關(guān)折減系數(shù)，綜合分析后可知光伏組件發(fā)電功率氣象影響因子主要為輻照度和溫度。根據(jù)本文基于WRF模式經(jīng)同化后輸出的場(chǎng)址區(qū)域逐時(shí)輻射數(shù)據(jù)及環(huán)境溫度，推算額定功率為260 W光伏板理想狀態(tài)下的瞬時(shí)出力曲線見(jiàn)圖4。

圖4 環(huán)境溫度與光伏板輸出功曲線圖

通過(guò)對(duì)圖4的分析，可知受太陽(yáng)能輻射周期性變化的影響，光伏電站光伏組件的出力變化同樣具有較強(qiáng)的周期性，以日為變化周期，光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率輸出主要是在每天的 08:00～18:00這段時(shí)間，一般是早晚低，中午高；晴天輸出大，陰雨天輸出小。據(jù)此可推算出采用固定傾角時(shí)，光伏組件的最佳接受輻射的角度、光伏組件的組串?dāng)?shù)和光伏電站的最佳容配比，從而可滿足光伏電站的投資效益測(cè)算。

據(jù)以上綜合考慮，本光伏場(chǎng)區(qū)總裝機(jī)容量擬取為30 MWp，經(jīng)方案初步分析，該場(chǎng)區(qū)的首年的年等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)為1 221 h，年發(fā)電量為3 662.55萬(wàn)kWh，25年平均年發(fā)電小時(shí)為1 098 h，25年年平均發(fā)電量為3 295萬(wàn)kWh。根據(jù)當(dāng)前漁光互補(bǔ)造價(jià)水平和光伏電站的上網(wǎng)電價(jià)，初步估計(jì)本光伏電站靜態(tài)投資為24 593萬(wàn)元，單位投資8 198元/kW；建設(shè)期貸款利息為480萬(wàn)元，流動(dòng)資金為90萬(wàn)元，項(xiàng)目總投資為25 163萬(wàn)元，單位動(dòng)態(tài)投資8 388元/kW，資本金財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率13.9%，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，為光伏電站的投資決策提供了參考意義。

3 結(jié)語(yǔ)

目前國(guó)家的太陽(yáng)能輻射觀測(cè)氣象站較少，光伏選址的區(qū)域周邊缺少輻射觀測(cè)資料，部分區(qū)域甚至缺乏日照觀測(cè)資料。在進(jìn)行光伏電站前期評(píng)估時(shí)，缺乏進(jìn)行太陽(yáng)輻射量的推算、光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)、系統(tǒng)配置及發(fā)電量計(jì)算的依據(jù)。本文WRF模式進(jìn)行太陽(yáng)總輻射數(shù)值模擬試驗(yàn)，并根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果繪制了預(yù)選光伏電站場(chǎng)區(qū)的光資源圖譜、輸出了預(yù)選址點(diǎn)的逐小時(shí)輻照資料，通過(guò)附近氣象站的輻射觀測(cè)值對(duì)模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，對(duì)于光伏發(fā)電工程的前期評(píng)價(jià)有較好的參考價(jià)值。由于本文著重為光伏區(qū)域的初步選址提供太陽(yáng)能資源支撐，為進(jìn)行具體項(xiàng)目的效益初步評(píng)估，需待后期搜集相關(guān)具體的地質(zhì)、水文、電網(wǎng)等相關(guān)的資料后進(jìn)行詳盡方案設(shè)計(jì)，做出更為詳盡的項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益評(píng)價(jià)。

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(本文編輯：嚴(yán) 加)

Site Selection of Photovoltaic Power Station Based on WRF Model

KANG Kai, LU Sheng

( Hubei Electric Power Design Institute, Wuhan 430040, China)

At present, the scarcity of sunshine and radiation stations surrounding some photovoltaic power plants makes it impossible to obtain a reasonable PV system design and site scheme due to the lack of appropriate data. This paper simulates hourly solar radiation and temperature using the WRF model, and gives the site selection scheme of photovoltaic power stations which has a reference value for the preliminary evaluation of photovoltaic power generation project.

radiation；WRF mode；photovoltaic system

10.11973/dlyny201605014

TM615

B

2095-1256(2016)05-0592-05

2016-03-15