中國典型地區(qū)水平總輻射輻照度頻次特征*

文 | 申彥波，王香云，王婷，郭鵬

中國典型地區(qū)水平總輻射輻照度頻次特征*

文 | 申彥波，王香云，王婷，郭鵬

太陽能資源是影響光伏發(fā)電的先決條件之一，對一個具體的光伏電站而言，除太陽總輻射年輻照量之外，太陽輻照度的頻次分布特征也是影響其年發(fā)電量的重要因素。在并網光伏發(fā)電系統(tǒng)中，有兩個關鍵設備的效率與太陽輻照度直接相關，一是太陽電池，二是逆變器。

對太陽電池而言，其額定功率測試的標準條件是：（1）光源輻照度1000 W/m2；（2）測試溫度25℃；（3）AM1.5地面太陽光譜輻照度分布。在實際光伏電站運行過程中，太陽-輻照度總是變化的，而太陽電池的開路電壓和短路電流均與入射光譜輻照度的大小有關。當輻照度較弱時，開路電壓與入射光輻照度呈近似線形變化；當太陽輻照度較強時，開路電壓與入射光輻照度呈對數關系變化；在入射光輻照度比標準測試條件（1000W/m2）不是大很多的情況下，太陽電池的短路電流與入射光輻照度呈正比關系，即在一定范圍內，當入射光輻照度成倍增加時，太陽電池的短路電流也要成倍增加。與此相對應，太陽電池的最大功率點也要隨著太陽輻照度的增加而變化。

對于光伏系統(tǒng)的逆變器而言，影響其發(fā)電量的有：最大功率跟蹤點（MPPT）效率和轉換效率。MPPT效率即逆變器實時跟蹤并工作在太陽能電池板最大功率點處的精度。因在實際工作中，逆變器的輸入電壓以及負載點會隨輻照度和溫度的變化而變化，最大功率點以及運行負載點會變化，體現(xiàn)在逆變器上即影響其MPPT效率以及轉換效率。另外，不同地區(qū)的太陽能資源存在差異，故其在一定輻照度下的持續(xù)時間也會不同，反映到逆變器上表現(xiàn)為不同負載點的駐留時間不同。

當前，隨著太陽能開發(fā)利用在我國的快速發(fā)展，行業(yè)內對于光伏發(fā)電的效率提高、發(fā)電能力提升以及關鍵設備檢測的標準化和中國化越來越重視。中國由于地形復雜、氣候特征多樣，使得太陽能資源及相關氣象要素的分布也極為復雜，進而對不同地區(qū)光伏發(fā)電的影響也存在較大差異。其中，太陽輻照度的頻次特征便是影響光伏發(fā)電的關鍵氣象要素之一。本文通過對我國典型地區(qū)典型年水平總輻射輻照度的分析，獲得不同氣候區(qū)和資源等級區(qū)域的太陽輻照度時次和能量頻次分布特征，為進一步研究我國不同地區(qū)太陽電池和逆變器的實際發(fā)電量提供基礎依據。

數據與方法

一、數據資料及站點選擇

本文所用數據資料主要包括全國輻射觀測站近10年的逐時平均水平總輻射輻照度（單位：W/m2），以及在此基礎上統(tǒng)計得到的水平總輻射逐日、逐月、逐年輻照量（單位：kWh/m2），所有數據均來源于國家氣象信息中心，數據觀測質量符合《地面氣象觀測規(guī)范》的要求。

為反映我國太陽能資源開發(fā)利用典型地區(qū)的特點，按照以下三個原則選擇具有代表性的輻射觀測站：（1）兼顧所有太陽能資源等級區(qū)域，重點考慮資源豐富區(qū)；（2）空間分布上盡可能均勻，兼顧行政區(qū)；（3）綜合考慮地形、氣候特征及輻射站的觀測環(huán)境、建站和遷站情況等。據此，在全國范圍一共選取18個輻射站進行分析，其空間分布如圖1所示。其中太陽能資源I類最豐富區(qū)（水平總輻射年輻照量≥1750kWh/m2）的代表站點包括：拉薩、格爾木、額濟納旗、敦煌；II類很豐富區(qū)（1400kWh/m2≤水平總輻射年輻照量<1750kWh/m2）的代表站點包括：二連浩特、昆明、和田、

蘭州、海口、烏魯木齊；III類豐富區(qū)（1050kWh/m2≤水平總輻射年輻照量<1400kWh/m2）的代表站點包括：北京、長春、鄭州、南京、福州、廣州、武漢；IV類一般區(qū)（水平總輻射年輻照量<1050kWh/m2）的代表站點以重慶為例。

二、數據處理方法

首先從每個站近10年的數據中選擇典型年。為反映每個站點某一年的真實情況，本文未采用數據概率統(tǒng)計的方法確定典型年，而是以水平面總輻射年輻照量最接近10年平均值的年份為該站點的典型年，挑選的年份列于表1和表2中每個站點下方的括號內。

其次對每個輻射站典型年的逐時平均水平總輻射輻照度進行分檔統(tǒng)計。根據逆變器的運行特點，選取代表性的運行負載點，在每一選定的負載點上盡量選取中間值作為統(tǒng)計區(qū)間切換點，同時保證每個統(tǒng)計區(qū)間的平均輻照度接近功率分檔點，將輻照度分為7個區(qū)間：0 W/m2－75 W/m2、75 W/m2－150 W/m2、150 W/m2－250 W/m2、250 W/m2－400 W/m2、400 W/m2－620 W/m2、620 W/m2－875 W/m2、>875 W/m2。每個輻射站的統(tǒng)計要素包括：

（1）每個區(qū)間輻照度出現(xiàn)的時次T（單位：h）；

（2）T占全年白天時次T0的百分比fT（單位：%）；

（3）每個區(qū)間輻照度全年累計的輻照量Q（單位：kWh/m2）；

（4）Q占全年總輻照量Q0的百分比fQ（單位：%）。

其中，全年白天時次T0是將輻照度≥0的時次累加得到（在氣象站的輻射數據記錄中，0是有效數據，無觀測和無效數據分別用32766和32744表示）。

結果分析

根據上述數據資料和統(tǒng)計方法，得到18個典型輻射站代表年水平面總輻射逐時輻照度的頻次分布特征，T、fT、T0以及Q、fQ、Q0的統(tǒng)計結果分別如表1和表2所示，并通過圖2對fT和fQ的分布特征進行對比。

一、不同區(qū)間輻照度出現(xiàn)時次特征分析

總體來看，大部分輻射站均呈現(xiàn)出低輻照度區(qū)間（0 W/m2－75W/m2）出現(xiàn)時次最多、中間某一輻照度區(qū)間（多數是400 W/m2－620W/m2）出現(xiàn)時次次多、高輻照度區(qū)間（>875W/m2）出現(xiàn)時次最少的特點。這是由于低輻照度區(qū)間主要出現(xiàn)在日出日落前后，持續(xù)時間較長；高輻照度區(qū)間通常出現(xiàn)在中午，持續(xù)時間較短。而不同輻照度區(qū)間出現(xiàn)時次的分布特征則與資源豐富程度密切相關。

在資源最豐富區(qū)，400 W/m2－620W/m2（格爾木、額濟納旗、敦煌）或620 W/m2－875W/m2（拉薩）輻照度區(qū)間出現(xiàn)時次均接近甚至超過0 W/m2－75W/m2低輻照度區(qū)間，fT達到20%左右；而875W/m2以上高輻照度區(qū)間的fT也在5%以上，拉薩甚至達到了12.25%。此外，二連浩特的年輻照量接近于資源最豐富區(qū)，fT的分布特征也與此相近。

在資源很豐富區(qū)，除二連浩特外，其余5站fT的分布特征比較接近。0 W/m2－75W/m2低輻照度區(qū)間出現(xiàn)次數最多，fT在30%左右；400 W/m2－620W/m2輻照度區(qū)間出現(xiàn)時次次之，fT介于15%和20%之間；而875W/m2以上高輻照度區(qū)間的fT則下降到3%左右。

在資源豐富區(qū)，各輻射站fT的分布特征與資源很豐富區(qū)類似。400 W/m2－620W/m2輻照度區(qū)間的fT仍在15%和20%之間；875W/m2以上高輻照度區(qū)間的fT則進一步下降到1%左右；而0 W/m2－75W/m2低輻照度區(qū)間的fT則普遍超過30%，武漢甚至達到37.64%。

在資源一般區(qū)，以重慶為例，各輻照度區(qū)間fT的分布特征與其它資源區(qū)明顯不同。fT隨著輻照度的增加而降低，0 W/m2－75W/m2低輻照度區(qū)間的fT接近50%，而875W/m2以上高輻照度區(qū)間全年僅出現(xiàn)16次，占比僅0.33%。

二、不同區(qū)間輻照度全年累計輻照量特征分析

不同區(qū)間輻照度全年累計輻照量fQ的分布特征與上述時次特征明顯不同，而這種特征也決定了一個地區(qū)的資源豐富程度及其對光伏組件和逆變器效率的影響。總體來看，各輻射站均是400 W/m2－620W/m2或620 W/m2－875W/m2輻照度區(qū)間的fQ最高，且該比例越大，資源豐富程度越高；而0 W/m2－75W/m2低輻照度區(qū)間盡管出現(xiàn)時次最多，但其fQ在各輻射站卻均是最低或次低。

表1 18個典型輻射站代表年T、fT、T0統(tǒng)計結果（表中≥0所對應的時次即為T0）

表2 18個典型輻射站代表年Q、fQ、Q0統(tǒng)計結果（表中≥0所對應的輻照量即為Q0）

在資源最豐富區(qū)，各輻射站75%以上的輻照量都集中在400W/m2以上的3個輻照度區(qū)間（即400 W/m2－620W/ m2、620 W/m2－875W/m2、>875W/m2），拉薩更是高達85.54%；其中又以620 W/m2－875W/m2輻照度區(qū)間占比最高，fQ達到35%左右；875W/m2以上高輻照度區(qū)間的fQ基本都在15%以上。

在資源很豐富區(qū)，各輻射站400W/m2以上3個輻照度區(qū)間的fQ占比在70%以上，其中仍是620 W/m2－875W/ m2輻照度區(qū)間占比最高，但fQ的值則下降到35%以下；

875W/m2以上高輻照度區(qū)間的fQ則下降到15%以下。

在資源豐富區(qū)，各輻射站400W/m2以上3個輻照度區(qū)間的fQ占比下降到65%左右，其中400 W/m2－620W/m2輻照度區(qū)間的fQ明顯增加，接近或超過620 W/m2－875W/ m2；875W/m2以上高輻照度區(qū)間的fQ則下降到5%左右。

在資源一般區(qū)，重慶400W/m2以上3個輻照度區(qū)間的fQ占比下降到56.66%，其中620 W/m2－875W/m2輻照度區(qū)間占比最高，但fQ的值只有不到30%；875W/m2以上高輻照度區(qū)間的fQ僅有1.69%；而0 W/m2－75W/m2低輻照度區(qū)間的fQ則超過5%，是所有輻射站中最高的。

結論與討論

通過以上對全國18個典型輻射站代表年不同輻照度區(qū)間出現(xiàn)時次和累計輻照量分布特征的統(tǒng)計和分析，主要結論如下：

（1）不同輻照度區(qū)間出現(xiàn)時次和累計輻照量的比例決定了一個地區(qū)的太陽能資源豐富程度。較高輻照度區(qū)間（400W/m2以上）出現(xiàn)時次越多，累計輻照量占比越大，太陽能資源豐富程度越高，越有利于提高光伏發(fā)電效率；相反，低輻照度區(qū)間（75W/m2以下）出現(xiàn)時次越多，累計輻照量占比越高，則太陽能資源豐富程度越低，對于光伏發(fā)電越不利。

（2）中國的太陽輻射能量以400W/m2以上的輻照度區(qū)間為主，大多數地區(qū)占全部輻照量的65%以上，青藏高原甚至超過80%。

（3）不同地區(qū)的太陽能資源年總量即使比較接近，也可能在各輻照度區(qū)間的能量比例方面存在差異，進而對光伏發(fā)電效率和發(fā)電量產生影響。

本文基于氣象站實測數據分析了水平總輻射輻照度的頻次特征，為分析光伏組件和逆變器效率提供基礎數據。但對于實際運行的光伏電站而言，影響發(fā)電量的是與陣列同角度的斜面總輻射，其輻照度的頻次特征可能與水平總輻射存在差異；此外，不同資源區(qū)輻照度頻次特征的變化對光伏組件和逆變器效率的定量影響有多大，反映到發(fā)電量上有多大差異等等，尚需要大量的電站運行數據進一步深入研究。

（作者單位：申彥波，王香云，郭鵬：中國氣象局公共氣象服務中心，中國氣象局風能太陽能資源中心；王婷：北京鑒衡認證中心有限公司）

* 資助項目：公益性行業(yè)（氣象）科研專項“太陽能光伏資源精細化評估技術研究”（GYHY201306048）