娜姑光伏電站的太陽能資源評估及發電量預測

王恒賢，龔加志，曾章波，董明名，方火浪

摘 要：云南省是中國太陽能資源最豐富的地區之一，光伏發電已成為該省實現能源轉型的中堅力量和減少碳排放的重要舉措。基于Meteomorm和SolarGIS數據庫，對在云南省曲靖市會澤縣擬建的娜姑光伏電站所在區域的太陽能資源時空分布特征進行了分析；并通過計算能夠反映太陽能資源豐富程度、穩定度和太陽直接輻射狀況的量化指標，評估了該光伏電站建設地的氣候適宜性；然后利用光伏發電系統設計軟件，結合電站所在地的實際地形，對該電站光伏陣列的布置方式進行了優化，并預測了電站的發電量。分析結果表明：1）基于Meteomorm和SolarGIS數據庫分別計算得到的月均水平面太陽輻射量及月均水平面太陽散射輻射量的變化趨勢和數值基本接近；2）根據SolarGIS數據庫計算得到的娜姑光伏電站建設區域的年總水平面太陽輻射量、月均法向太陽直接輻射量和年總水平面太陽散射輻射量分別為1655.9、1361.8和755.0 kWh/m2；3）娜姑光伏電站裝機容量為151.2 MW時，預計其25年的總發電量為5499833.0 MWh，年均發電量為219993.3 MWh，年均等效利用小時數為1454.9 h。該研究可為娜姑光伏電站的建設提供科學依據。

關鍵詞：太陽能資源；光伏電站；氣候適宜性；氣象數據；太陽輻射；發電量

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0? 引言

隨著光伏發電技術的不斷進步和光伏電站建設成本的降低，光伏發電已成為中國新能源投資的主體之一。大力發展光伏發電是中國建設新型電力系統、實現能源綠色低碳轉型的重要途徑。

建設光伏電站的首要任務是分析和掌握該電站所在區域的太陽能資源特征。近年來，國內外研究人員利用氣象觀測數據，對不同地區的太陽能資源及光伏電站所在地的氣候和土地適宜性進行了研究。Lurwan等[1]、Charabi等[2]分別利用地理信息系統（GIS）技術優選了光伏電站的建設場地，并對光伏電站的發電能力進行了評估。杜東升等[3]、梁玉蓮等[4]、鐘燕川等[5]分別根據湖南省、華南地區、四川省觀測站的總太陽輻射和日照時數數據，研究了湖南省、華南地區、四川省太陽能資源的時空分布特征、豐富程度、穩定度和可利用狀況。張乾等[6]利用遙感技術獲取了區域太陽能資源的時空分布數據，并采用多因子評價模型對中國大型光伏電站所在區域的氣候適宜性進行了評估。馮蕾等[7]根據野外觀測站和氣象站的觀測數據，分析了寧夏回族自治區太陽山地區水平面總太陽輻射的年、季、日、時變化特征，以及太陽直接輻射、太陽散射輻射和斜面太陽輻射的分布特征。趙振宇等[8]對北京地區的太陽能資源與分布式光伏發電項目所在區域的時空耦合適宜度進行了評估。郝玉珠等[9]、王志春等[10]利用內蒙古自治區氣象站的觀測數據，對自治區相關地區的太陽能資源儲量及其穩定度進行了研究。江滌非等[11]根據湖南省氣象站的觀測數據，分析了省內不同地區的總太陽輻射量和穩定度，并對光伏發電項目的氣候適宜性進行了區域劃分。趙明智等[12]采用TRANSYS系統的氣象數據，研究了內蒙古自治區鄂爾多斯市達拉特旗的月總太陽輻射量、年總太陽輻射量及其變化規律。苗馨月等[13]從美國航空航天局（NASA）提供的氣象數據中提取了新疆維吾爾自治區塔里木盆地典型區域的太陽輻射量數據，研究了塔里木盆地的太陽能資源分布情況。

本文以在云南省曲靖市會澤縣擬建的娜姑光伏電站為研究對象，利用Meteomorm和SolarGIS數據庫，對電站所在區域的太陽能資源時空分布特征進行分析；并通過計算能夠反映太陽能資源豐富程度、穩定度及直接太陽輻射狀況的量化指標，評估該光伏電站建設地的氣候適宜性；然后利用光伏發電系統設計軟件，結合電站所在地的實際地形，對該電站光伏陣列的布置方式進行優化，并對該電站的發電量進行預測。

1? 云南省太陽能資源概況

云南省位于低緯度高原地區，北回歸線貫穿其南部，其氣候基本屬于亞熱帶和熱帶季風氣候，滇西北屬高原山地氣候。該省的地勢呈西北高、東南低，自北向南呈階梯狀逐級下降，為山地高原地形，山地面積占全省總面積的88.6%，地跨長江、珠江、元江、瀾滄江、怒江、大盈江6大水系；地形復雜，海拔高差懸殊，太陽輻射量大。全省的年均日照時數為2200 h，年總太陽輻射量在1004.2～1852.0 kWh/m2之間；日照時數超過2000 h的縣有94個，占全省縣總數（129個）的74.6%；年總太陽輻射量大于1388.9 kWh/m2的地區占全省總面積的90.0%。該省的全年太陽高度角變化幅度不大，冬季與夏季的日照時數差異較小；年內各月間的太陽輻射量差異不大，分布相對均勻。綜上可知，云南省是中國太陽能資源最豐富的地區之一，僅次于西藏自治區和青海省。

根據云南省發展和改革委員會、云南省氣象局于2007年發布的《云南省太陽能資源評價報告》，該省各地的年日照時數分布情況如圖1所示。

從圖1可以看出：云南省內大部分地區實際的年日照時數在2100～2500 h之間，其中，會澤縣在2100～2300 h之間。

通過對省內125個氣象站提供的多年逐月平均日照時數進行分析后發現，其分布特征為：旱季（11月—次年5月中旬）的日照時數明顯大于雨季（5月下旬—10月）的日照時數；省內大多數地區的全年最大月均日照時數一般出現在3月，最小月均日照時數一般出現在7月或9月。

根據《云南省太陽能資源評價報告》，該省各地的年總太陽輻射量的分布情況如圖2所示。

結合圖2可以發現：在云南省129個縣中，有92個縣的年總太陽輻射量在1389.0～1667.0 kWh/m2之間，59個縣超過1527.8 kWh/m2。并且對比圖1和圖2可以看出：云南省年總太陽輻射量的空間分布趨勢與年日照時數的空間分布趨勢一致。

從地區分布來看，一般低緯度地區冬季和夏季的太陽高度角較大，其年總太陽輻射量大于高緯度地區的年總太陽輻射量，這使云南省的年總太陽輻射量分布呈南多北少的總趨勢。然而，該省一些地區的年總太陽輻射量分布并不符合這一趨勢，比如，在云南省北部的河谷地區，其氣候特點是干旱、少雨、日照充足，是云南省年總太陽輻射量最多的地區。因此，太陽輻射量的變化，不僅受到太陽高度角的制約，還會受到地形和氣候的影響。

2? 光伏電站建設區域的太陽能資源分析

會澤縣（103°03′E～103°55′E、25°48′N～27°04′N）位于云南省東北部、金沙江東岸、曲靖市西北部，烏蒙山主峰地段。該縣的地勢為西高東低，南起北伏，由西向東呈階梯狀遞減；地形山高谷深，溝壑縱橫，山川相間排列，山區、河谷呈條塊分布；平均海拔在2200 m以上，空氣相對稀薄，太陽輻射波較短，日照時間較長，年日照時數為2312.2 h，年均氣溫為13.3 ℃。

擬建的娜姑光伏電站位于會澤縣的娜姑鎮，屬于農光互補型山地光伏電站。電站規劃區域的東西長約12.0 km、南北寬約2.5 km，如圖3中的紅線范圍所示。

由于會澤縣氣象站缺乏該縣的太陽輻射數據，因此本文從Meteomorm和SolarGIS數據庫獲取了擬建光伏電站區域的太陽能資源評估數據。Meteonorm是一款氣象數據查看軟件，來源于瑞士Meteonorm研究所，包含全球8325個氣象站及5顆地球同步衛星提供的氣象數據，中國98個氣象輻射觀測站中的大部分數據均包含在這個數據庫中。SolarGIS是由歐洲Solargiss.r.o.公司開發的太陽能資源評估軟件，其使用歐洲氣象衛星應用組織（Eumetsat）的Meteosat系列衛星、美國國家海洋和大氣管理局（NOAA）的GOES系列靜止軌道氣象衛星及日本的MTSAT系列衛星提供的衛星遙感數據。根據從Meteomorm和SolarGIS數據庫獲取的氣象數據，對擬建光伏電站區域的典型年太陽能資源進行分析。

基于Meteomorm數據庫計算得到擬建光伏電站區域全年的日均水平面太陽輻射量變化曲線，具體如圖4所示。

從圖4可以看出：擬建光伏電站區域全年的日均水平面太陽輻射量隨季節更替呈明顯的起伏變化，上包絡線近似對稱分布；第124、164、206天附近的日均水平面太陽輻射量較大，最大值出現在第164天，約為9.9 kWh/m2。

從圖5可以看出：

1）月均水平面太陽輻射量呈現一定的波動性，基于兩個數據庫分別計算得到的月均水平面太陽輻射量的數值和變化趨勢基本接近。

2）從基于Meteomorm數據庫計算得到的結果看：4月接收的水平面太陽輻射量最高，為182.0 kWh/m2；3月接收的水平面太陽輻射量次之；10月接收的水平面太陽輻射量最低，為106.0 kWh/m2。

3）從基于SolarGIS數據庫計算得到的結果看：5月接收的水平面太陽輻射量最高，為178.6 kWh/m2；4月接收的水平面太陽輻射量次之；12月接收的水平面太陽輻射量最低，為108.1 kWh/m2。

4）基于Meteomorm和SolarGIS數據庫計算得到的年總水平面太陽輻射量分別為1662.0和1655.9 kWh/m2，二者非常接近。該計算結果也與圖2中的會澤縣年太陽輻射量（1389.0～1667.0 kWh/m2）的最大值較為接近。

基于Meteomorm和SolarGIS數據庫分別計算得到的擬建光伏電站區域全年月均法向太陽直接輻射量如圖6所示。

從圖6可以看出：

1）在1～4、6～9和12月，基于Meteomorm數據庫計算得到的月均法向太陽直接輻射量大于基于SolarGIS數據庫計算得到的值，而在其他月份，前者略小于后者。

2）從基于Meteomorm數據庫計算得到的結果看：2月接收的月均法向太陽直接輻射量最高，為185.0 kWh/m2；1月接收的月均法向太陽直接輻射量次之；10月接收的月均法向太陽直接輻射量最低，為74.0 kWh/m2。

3）從基于SolarGIS數據庫計算得到的結果看：2月接收的月均法向太陽直接輻射量最高，為158.9 kWh/m2；1月接收的月均法向太陽直接輻射量次之；7月接收的月均法向太陽直接輻射量最低，為64.0 kWh/m2。

4）基于Meteomorm和SolarGIS數據庫計算得到的年總法向太陽直接輻射量分別為1543.0和1361.8 kWh/m2，后者比前者低約12%。

基于Meteomorm和SolarGIS數據庫分別計算得到的擬建光伏電站區域全年月均水平面太陽散射輻射量如圖7所示。

從圖7可以看出：

1）月均水平面太陽散射輻射量呈現較大波動，基于兩個數據庫計算得到的數據和變化趨勢基本相似。

2）從基于Meteomorm數據庫計算得到的結果看：8月接收的水平面太陽散射輻射量最高，為90.0 kWh/m2；5月接收的水平面太陽散射輻射量次之；12月接收的水平面太陽散射輻射量最低，為36.0 kWh/m2。

3）從基于SolarGIS數據庫計算得到的結果看：8月接收的水平面太陽散射輻射量最高，為83.2 kWh/m2；7月接收的水平面太陽散射輻射量次之；12月接收的水平面太陽散射輻射量最低，為37.9 kWh/m2。

4）基于Meteomorm和SolarGIS數據庫計算得到的年總水平面太陽散射輻射量分別為732.0和755.0 kWh/m2，二者非常接近。

由Meteomorm和SolarGIS數據庫分別得到的擬建光伏電站區域全年月均環境溫度如圖8所示。

從圖8可以看出：

1）由于兩個數據庫對于測量環境溫度的位置界定不同，導致二者得到的值存在較大差異，各月的月均值相差約5.8 ℃，但環境溫度曲線的變化形狀非常相似。

2） 由Meteomorm數據庫得到的最高環境溫度為19.4 ℃，出現在7月；最低環境溫度為6.2 ℃，出現在1月。

3） 由SolarGIS數據庫得到的最高環境溫度為24.9 ℃，出現在7月；最低環境溫度為11.6 ℃，出現在12月。

3? 光伏電站建設地的氣候適宜性評估

目前，太陽能資源主要從豐富程度、穩定度和直射比這3個方面進行評估。根據SolarGIS數據庫計算得到的結果及GB/T 37526—2019《太陽能資源評估方法》，對娜姑光伏電站建設地的氣候適宜性進行評估。

太陽能資源的豐富程度以年總水平面太陽輻射量QH作為評估指標。娜姑光伏電站擬建區域的年總水平面太陽輻射量為1655.9 kWh/m2。GB/T 37526—2019對太陽能資源豐富程度等級劃分如表1所示。

由表1可知：該建設區域的太陽能資源豐富程度為“很豐富”，等級為“B”。

太陽能資源穩定度表示太陽能資源的年內變化狀態和幅度，是評估太陽能資源的重要指標。太陽能資源的穩定度通常用水平面太陽輻射穩定度QHR來表示，其值為全年中月均日水平面太陽輻射量的最小值與最大值的比值。該值越大說明太陽能資源越穩定。月均日水平面太陽輻射量定義為月均水平面太陽輻射量除以當月天數。在該光伏電站擬建區域的月均水平面太陽輻射量中，5月的值最大，為178.6 kWh/m2；12月的值最小，為108.1 kWh/m2。根據上述數據可計算得到該光伏電站擬建區域的水平面太陽輻射穩定度為0.61。

GB/T 37526—2019對太陽能資源穩定度的等級劃分如表2所示。

由表2可知：該建設區域的太陽能資源穩定度為“很穩定”，等級為“A”。

太陽能資源的直射比以年水平面太陽直接輻射量占年總水平面太陽輻射量的比例來表示，該值越大，說明太陽能資源中的太陽直接輻射量占比越高。

娜姑光伏電站擬建區域的年總水平面太陽輻射量為1655.9 kWh/m2，年水平面太陽散射輻射量為755.0 kWh/m?，由此可計算得到直射比RD為0.54。

GB/T 37526—2019對太陽能資源直射比的等級劃分如表3所示。

由表3可知：該建設區域的太陽能資源直射比為“高”，等級為“B”。

4? 光伏陣列設計和發電量預測

光伏組件的安裝傾角和光伏陣列方位角是影響山地光伏電站發電效率的重要因素。利用PVsyst軟件進行建模及系統仿真，對光伏組件的安裝傾角和光伏陣列方位角進行優化。傾斜面上的太陽輻射量Qt由太陽直接輻射量、太陽散射輻射量和太陽反射輻射量3部分組成，其計算式[14]可表示為：

（1）

式中：Q為水平面太陽輻射量；S為水平面太陽直接輻射量；D為水平面太陽散射輻射量；β為傾斜面與水平面的夾角；K為地面反射系數；Rb為傾斜面太陽直接輻射量與水平面太陽直接輻射量的比值。

傾斜面太陽直接輻射量與水平面太陽直接輻射量的比值可表示為：

（2）

式中：φ為項目所在地的緯度；δ為太陽赤緯角；ωs為水平面上的日落時角；ω0為傾斜面上的日落時角。

利用PVsyst軟件仿真計算在該地區單塊光伏組件在不同安裝傾角下接收的年總太陽輻射量，計算結果如圖9所示。

從圖9可以看出：當光伏組件安裝傾角為26°～32°時，其接收的年總太陽輻射量相對較大；且在安裝傾角為29°時達到最大值，為1863.0 kWh/m2，此時的光伏組件安裝傾角被定義為“最佳安裝傾角”。

由于山地光伏電站的土地面積有限，在布置光伏陣列時，前后排光伏陣列之間可能存在陰影遮擋。考慮到陰影遮擋的影響，根據光伏電站建設區域地形圖，利用Helios 3D軟件對光伏組件的陰影遮擋情況進行分析，并結合地形的實際坡度計算光伏陣列間距，以滿足各光伏陣列在冬至日真太陽時09：00～15：00時間段不受陰影遮擋影響。

固定光伏陣列間距，并按適當幅度改變光伏組件安裝傾角及光伏陣列方位角，利用PVsyst軟件仿真計算不同光伏組件安裝傾角和光伏陣列方位角時對應的年總太陽輻射量，并確定最大年總太陽輻射量時對應的光伏組件安裝傾角和光伏陣列方位角，結果如圖10所示。

從圖10可以看出：小紅點處的年總太陽輻射量最大，為1823.0 kWh/m2，對應的光伏組件安裝傾角為27.5°、光伏陣列方位角為-1°。

根據以上計算結果，考慮到山地光伏電站光伏組件安裝的復雜性，本光伏電站將南坡光伏組件的安裝傾角設置為27°、光伏陣列方位角設置為0°；將東西坡光伏組件的安裝傾角設置為27°、光伏陣列方位角設置為10°，以最大限度利用場地面積。

通過優化計算，將該山地光伏電站大部分光伏陣列的間距取3～8 m，小部分陰影遮擋嚴重的光伏陣列的間距取10或15 m。

本光伏電站擬采用540 W雙面單晶硅光伏組件，共280020塊；直流側裝機容量為151.2 MW。每26塊光伏組件串聯成1個光伏組串，約每19個光伏組串匯入1臺逆變器，每14臺逆變器接入1臺3150 kVA箱變，并升壓至35 kV，共計40臺3150 kVA箱變。每3150 kW容量的光伏組件組成1個光伏子陣，共40個光伏子陣。

根據所選雙面單晶硅光伏組件第1年衰減率不大于2.0%、后續年衰減率為0.45%的質量標準，利用GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》中提供的光伏電站發電量計算公式，可預測該山地光伏電站建成后第1～25年的發電量，結果如圖11所示。

通過圖11可知：該山地光伏電站建成后預計25年的總發電量為5499833.0 MWh，年均發電量為219993.3 MWh，年均等效利用小時數為1454.9 h。

5? 結論

本文根據Meteomorm和Solargis數據庫，對在云南省曲靖市會澤縣擬建的娜姑光伏電站所在區域的太陽能資源時空分布特征進行了分析；并通過計算能夠反映太陽能資源豐富程度、穩定度和太陽直接輻射狀況的量化指標，評估了該光伏電站建設地的氣候適宜性；然后利用光伏發電系統設計軟件PVsyst，結合電站所在地的實際地形，對該電站光伏陣列的布置方式進行了優化，并預測了電站的發電量。分析結果表明：

1）基于Meteomorm和SolarGIS數據庫分別計算得到的月均水平面太陽輻射量及月均水平面太陽散射輻射量的變化趨勢和數值基本接近；

2）根據SolarGIS數據庫計算得到的娜姑光伏電站建設區域的年總水平面太陽輻射量、年總法向太陽直接輻射量和年總水平面太陽散射輻射量分別為1655.9、1361.8和755.0 kWh/m2；

3）娜姑光伏電站裝機容量為151.2 MW時，預計其25年的總發電量為5499833.0 MWh，年均發電量為219993.3 MWh，年均等效利用小時數為1454.9 h。

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Assessment of solar energy resources and prediction of power generation CAPACITY in Nagu PV power station

Wang Hengxian1，Gong Jiazhi2，Zeng Zhangbo3，Dong Mingming3，Fang Huolang4

（1. Huadian Yunnan Power Generation Corporation Limited，Kunming 650231，China；

2. Huize Huadian Daocheng Clean Energy Development Corporation Limited，Qujing 654299，China；

3. PowerChina Huadong Engineering Corporation Limited，Hangzhou 311122，China；

4. College of Civil Engineering and Architecture，Zhejiang University，Hangzhou 310058，China）

Abstract：Yunnan Province is one of the regions with the richest solar energy resources in China，and PV power generation has become the backbone of the province's energy transformation and an important measure to reduce carbon emissions. This paper analyzes the spatiotemporal distribution characteristics of solar energy resources in the area where the proposed Nagu PV power station is located in Huize County，Qujing City，Yunnan Province，based on Meteomorm and SolarGIS databases. And the climate suitability of the PV power station construction site is evaluated by calculating quantitative indicators that can reflect the richness，stability，and direct solar radiation status of solar energy resources. Then，using PV power generation system design software，the layout of the PV array is optimized based on the actual terrain of the PV power station location，and the power generation capacity of the PV power station is predicted. The analysis results show that：1） The variation trends and values of the monthly average horizontal solar radiation and scattered solar radiation calculated based on Meteomorm and SolarGIS databases are basically similar；2） According to the SolarGIS database，the annual total horizontal solar radiation，annual total normal direct solar radiation，and annual total horizontal scattered solar radiation in the construction area of the Nagu PV power station are 1655.9，1361.8，and 755.0 kWh/m2，respectively；3） When the installed capacity of the Nagu PV power station is 151.2 MW，it is expected that its total power generation capacity in 25 years will be 5499833.0 MWh，with an average annual power generation capacity of 219993.3 MWh and an average equivalent utilization hours of 1454.9 hours. This study can provide scientific basis for the construction of Nagu PV power station.

Keywords：solar energy resources；PV power stations；climate suitability；meteorological data；solar radiation；power generation capacity