不同氣候帶的光伏電站運行數(shù)據(jù)對比分析研究

摘要：光伏電站在戶外實際工況下運行時，由于不同區(qū)域的氣候條件不同，導(dǎo)致光伏電站的運行情況千差萬別。日照強烈，環(huán)境溫度、濕度大幅度變化，酸雨侵蝕，風(fēng)沙蝕擊等氣象因素勢必會影響光伏發(fā)電設(shè)備的發(fā)電性能，加速其老化程度，最終影響光伏電站的發(fā)電效率和壽命。基于中國現(xiàn)有的氣候帶分類，對不同氣候帶的氣候特征進行了分析，然后對不同氣候帶中光伏電站的運行數(shù)據(jù)進行了對比，分析了不同氣象因素對光伏電站發(fā)電性能和發(fā)電量差異的影響。研究結(jié)果表明：由于不同氣候帶的太陽能資源稟賦、環(huán)境溫度等氣象因素差異較大，對各氣候帶中光伏電站的工作電壓、工作電流、輸出功率等電性能參數(shù)的影響不同，因此光伏電站建設(shè)時需結(jié)合不同氣候帶的氣候特征進行設(shè)備選型和優(yōu)化設(shè)計方案，以保證光伏電站投運后可達到最佳運行效果。

關(guān)鍵詞：氣候帶；光伏電站；氣象特征；太陽輻照度；環(huán)境溫度；發(fā)電性能；運行數(shù)據(jù)對比

中圖分類號：TM615文獻標(biāo)志碼：A

0引言

在碳達峰、碳中和目標(biāo)的刺激下，以光伏發(fā)電為代表的新能源發(fā)電方式正逐步成為中國的主力電源[1。截至2023年6月底，中國光伏發(fā)電累計裝機容量為4.7億kW，分布在中國各個省（市、自治區(qū)），覆蓋了不同氣候帶。未來，光伏產(chǎn)業(yè)仍將持續(xù)高速發(fā)展，不同氣候帶的光伏發(fā)電裝機規(guī)模將不斷增長，應(yīng)用場景也將越來越復(fù)雜。2022年6月1日，國家發(fā)展改革委、國家能源局等9部門聯(lián)合印發(fā)的《“十四五”可再生能源發(fā)展規(guī)劃》提出：“結(jié)合不同地區(qū)氣候特點，在寒溫、暖溫、高原、濕熱等典型氣候地區(qū)進行光伏發(fā)電實證基地建設(shè)，開展光伏發(fā)電關(guān)鍵部件及系統(tǒng)實證研究，為光伏產(chǎn)業(yè)升級提供支撐”。基于此，本文根據(jù)現(xiàn)有的中國氣候帶分類及典型城市，首先分析不同氣候帶的氣象特征，然后對不同氣候帶中光伏電站的運行數(shù)據(jù)進行對比，分析不同氣候帶中光伏電站的發(fā)電性能和發(fā)電量差異2，為在不同氣候帶建設(shè)光伏電站時的設(shè)備選型、設(shè)計優(yōu)化提供數(shù)據(jù)支撐。

1中國氣候帶分類

根據(jù)GB/T 4797.1—2018《環(huán)境條件分類自然環(huán)境條件溫度和濕度》3，中國的氣候帶主要包括寒冷、寒溫I、寒溫Ⅱ、暖溫、干熱、濕熱和亞濕熱等氣候帶，具體分類及代表城市如表1所示。

2不同氣候帶的氣候特征

在每個氣候帶選擇典型城市作為本文分析代表，如表2所示，基于不同氣候帶的氣象數(shù)據(jù)，從太陽能資源稟賦、環(huán)境溫度兩個方面對不同氣候帶的氣候進行對比分析，并總結(jié)各氣候帶的氣候特征。由于亞濕熱氣候帶的氣候特征對光伏發(fā)電的影響與濕熱氣候帶類似，因此本文以濕熱氣候帶分析為主，不針對亞濕熱氣候帶進行分析。

2.1太陽能資源

對不同氣候帶的年水平總太陽輻照量進行對比，選擇2022年的實測數(shù)據(jù)，以寒溫I氣候帶的年水平總太陽輻照量作為基準(zhǔn)，分析不同氣候帶的太陽輻照量差異，具體對比結(jié)果如表3所示。

從表3可以看出：不同氣候帶之間年水平總太陽輻照量的差異較大。其中：寒溫Ⅱ氣候帶的太陽輻照資源最好，其次是寒冷氣候帶，濕熱氣候帶的太陽輻照資源相對最差。

不同氣候帶的光譜分布不同，與AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜均存在一定偏差，因此需要對比各氣候帶的實測光譜與AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜之間的差異，以對不同氣候帶的光譜進行分析。由于光伏電站很少對光譜進行監(jiān)測，因此僅以寒溫I、寒溫Ⅱ氣候帶為代表進行分析，其實測光譜與AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜的對比如圖1所示。

從圖1可以看出：寒溫I氣候帶的實測光譜與AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜之間的差異較小。寒溫Ⅱ氣候帶的實測光譜與AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜之間的差異較大，其中，在280～450 nm波段，寒溫Ⅱ氣候帶的太陽輻照度高于AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜的值，說明此波段的紫外線含量較高；而在450nm以上波段，寒溫Ⅱ氣候帶的太陽輻照度基本上都低于AM1.5標(biāo)準(zhǔn)太陽光譜的值。

2.2環(huán)境溫度

對不同氣候帶的環(huán)境溫度進行對比，分析不同氣候帶的環(huán)境溫度差異，具體對比結(jié)果如表4所示。

從表4可以看出：不同氣候帶之間平均環(huán)境溫度、最高環(huán)境溫度和最低環(huán)境溫度的差異較大。其中，寒溫I、寒溫Ⅱ和寒冷氣候帶的平均環(huán)境溫度較低，且最高環(huán)境溫度和最低環(huán)境溫度之間的跨度區(qū)間大；干熱氣候帶的最高環(huán)境溫度明顯高于其他氣候帶的最高環(huán)境溫度；濕熱氣候帶的最高環(huán)境溫度和最低環(huán)境溫度之間的跨度區(qū)間最小；暖溫氣候帶的3個環(huán)境溫度參數(shù)均較為適中。

2.3小結(jié)

根據(jù)不同氣候帶的氣象數(shù)據(jù)對比分析結(jié)果，對不同氣候帶的氣候特征進行了總結(jié)，如表5所示。

3不同氣候帶的光伏電站運行數(shù)據(jù)對比分析

在每個氣候帶的典型城市選取2～3個在運光伏電站，以各光伏電站2022年的運行數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對比分析不同氣候帶的氣候環(huán)境對光伏電站發(fā)電性能和系統(tǒng)發(fā)電量的影響。

3.1不同氣候帶的光伏電站發(fā)電性能對比

3.1.1工作溫度對比

對在不同氣候帶運行的同一類型的PERC雙面光伏組件的平均工作溫度、最高工作溫度及最低工作溫度進行對比分析，結(jié)果如表6所示。由于并不是所有光伏電站都布置安裝了光伏組件溫度傳感器，因此此處僅以寒溫I氣候帶、寒溫Ⅱ氣候帶、暖溫氣候帶為例進行分析。

從表6可以看出：不同氣候帶中PERC雙面光伏組件的工作溫度差異較大，其中，寒溫I氣候帶中PERC雙面光伏組件的平均工作溫度較低，暖溫氣候帶中PERC雙面光伏組件的平均工作溫度較高。

對各氣候帶中PERC雙面光伏組件在不同工作溫度區(qū)間的運行時長占其全年運行時長的比例進行對比分析，結(jié)果如圖2所示。

從圖2可以看出：根據(jù)運行時長的占比情況，不同氣候帶中PERC雙面光伏組件的工作溫度分布存在較大差異。其中，暖溫氣候帶中PERC雙面光伏組件的工作溫度主要分布在15～55 ℃，此溫度區(qū)間的運行時長占其全年運行時長的84.15%;寒溫Ⅱ氣候帶中PERC雙面光伏組件的工作溫度主要分布在0～45 ℃，此溫度區(qū)間的運行時長占其全年運行時長的73.90%;寒溫I氣候帶中PERC雙面光伏組件的工作溫度主要分布在0～40 ℃，此溫度區(qū)間的運行時長占其全年運行時長的73.55%。

3.1.2工作電壓對比

不同技術(shù)類型雙面光伏組件的發(fā)電性能不同。以寒溫I氣候帶中某光伏電站為例，選擇n型叉指背接觸（IBC）、n型TOPCon、n型HJT、p型PERC這4種雙面光伏組件分別串聯(lián)成的光伏組串在冬季12月某一天的運行數(shù)據(jù)進行對比分析，對比時光伏組串的工作電壓進行了歸一化處理。不同技術(shù)類型雙面光伏組件的工作溫度與光伏組串的歸一化工作電壓的曲線如圖3所示。

從圖3可以看出：無論何種技術(shù)類型的光伏組件，其工作溫度都會對光伏組串的運行電壓造成影響。在早、晚時段，光伏組件的工作溫度較低，此時光伏組串的工作電壓相對較高；在中午時段，光伏組件的工作溫度較高，此時光伏組串的工作電壓相對較低。

對不同氣候帶光伏電站的工作電壓進行分析。光伏電站均為1500 V系統(tǒng)，均采用同一類型的PERC雙面光伏組件，但各光伏電站中每串光伏組串的光伏組件串聯(lián)數(shù)不同。不同氣候帶中光伏組串的工作電壓對比結(jié)果如表7所示。

從表7可以看出：在光伏電站均為1500 V系統(tǒng)的條件下，不同氣候帶中光伏組串的最大工作電壓范圍為1051～1197 V;其中，寒冷氣候帶中光伏組串的最大工作電壓最高，其值可達到標(biāo)稱電壓的1.2倍。因此，光伏電站中的光伏組

3.1.3工作電流對比

太陽輻照度對光伏組件的工作電流影響較大，因此需要對不同太陽輻照度下光伏組串（均采用p型PERC雙面光伏組件）的工作電流進行對比分析。太陽輻照度一光伏組串歸一化工作電流散點圖如圖4所示。

從圖4可以看出：光伏組串的歸一化工作電流與太陽輻照度基本呈正比例關(guān)系，表明太陽輻照度越強，光伏組串的工作電流越大。

對不同氣候帶中雙面光伏組件1年的運行數(shù)據(jù)進行統(tǒng)計，然后對比分析不同氣候帶中PERC雙面光伏組件超標(biāo)稱電流運行情況，具體如表8所示。根據(jù)可獲得數(shù)據(jù)的細致程度，此處僅以寒溫I氣候帶、寒溫Ⅱ氣候帶、濕熱氣候帶為例進行分析。

從表8可以看出：寒溫I氣候帶因受積雪的影響，地面反射率較高，該氣候帶中PERC雙面光伏組件全年的超標(biāo)稱電流運行時長占總運行時長的比例超過了7%，占比較大。

3.1.4輸出功率對比

對不同氣候帶中光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率數(shù)據(jù)進行歸一化處理，以單位兆瓦輸出功率進行表征，然后對不同季度時，不同氣候帶中光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率曲線的差異進行對比分析，具體如圖5所示。根據(jù)可獲得數(shù)據(jù)的細致程度，此處僅以寒溫I氣候帶、寒溫Ⅱ氣候帶、濕熱氣候帶為例進行分析。

從圖5可以看出：各季度不同氣候帶中光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率峰值均存在時差；另外，光伏發(fā)電系統(tǒng)在不同季度的發(fā)電時長也存在較大偏差。

3.2不同氣候帶的光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量對比

3.2.1光伏發(fā)電系統(tǒng)損失對比

采用PVsyst軟件對不同氣候帶中光伏發(fā)電系統(tǒng)的各類損失進行理論計算，計算設(shè)置中，光伏發(fā)電系統(tǒng)均設(shè)置為同裝機容量、同設(shè)備，且均為針對所在氣候帶的最佳設(shè)計方案，然后對比不同氣候帶中光伏發(fā)電系統(tǒng)損失情況，結(jié)果如表9所示。

從表9可以看出：1）不同氣候帶之間光伏發(fā)電系統(tǒng)的整體損失差異較大，主要是因為溫度損失的差異較大；2）由于不同氣候帶中光伏發(fā)電系統(tǒng)的光伏陣列間距不同，因此相同容量光伏方陣的線纜長度存在差異，導(dǎo)致直流線纜的損失也存在差異；3）受環(huán)境溫度的影響，不同氣候帶中光伏發(fā)電系統(tǒng)的溫度損失和逆變器損失也不同。

3.2.2發(fā)電增益對比

不同氣候帶的太陽高度角存在差異，緯度越高，太陽高度角越低，因此緯度對采用平單軸跟蹤光伏支架的光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量的影響較大。以寒溫I氣候帶（黑龍江省大慶市）和寒溫Ⅱ氣候帶（青海省共和縣）為例，對不同氣候帶中光伏發(fā)電系統(tǒng)分別采用“平單軸跟蹤光伏支架+p型PERC雙面光伏組件”和“固定式光伏支架+p型PERC雙面光伏組件”（下文分別簡稱為“平單軸光伏發(fā)電系統(tǒng)”和“固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)”）時的發(fā)電特性進行對比分析。發(fā)電增益為同一個氣候帶中平單軸光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量較固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量的增益。不同氣候帶中兩種光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電增益和月發(fā)電增益對比如圖6所示。

從圖6可以看出：不同氣候帶中，采用不同光伏支架的光伏發(fā)電系統(tǒng)的年發(fā)電增益和月發(fā)電增益均不同。與寒溫Ⅱ氣候帶相比，寒溫I氣候帶中平單軸光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電增益相對較低；尤其在冬季，寒溫I氣候帶中平單軸光伏發(fā)電系統(tǒng)的月發(fā)電增益明顯偏低。

3.2.3年等效利用小時數(shù)對比

對不同氣候帶中固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)的年等效利用小時數(shù)進行對比，結(jié)果如表10所示。

從表10可以看出：受氣象因素的綜合影響，不同氣候帶中固定式光伏發(fā)電系統(tǒng)的年等效利用小時數(shù)差異較大。其中，寒溫I氣候帶雖然太陽能資源不是最豐富的，但其加權(quán)平均利用小時數(shù)最高，這主要是與寒溫I氣候帶中光伏發(fā)電系統(tǒng)損失低、雙面光伏組件背面接收的太陽輻照度占比高（這是因為寒溫I氣候帶冬季積雪長期不融化，而雪場景的反射率高）、電網(wǎng)的棄光率低等綜合因素有關(guān)。

對不同氣候帶中平單軸光伏發(fā)電系統(tǒng)的年等效利用小時數(shù)進行對比，結(jié)果如表11所示。根據(jù)可獲得的數(shù)據(jù)情況，此處僅以寒溫I氣候帶、寒溫Ⅱ氣候帶、暖溫氣候帶、濕熱氣候帶為例進行分析。

對比表10、表11可以看出：與采用固定式光伏支架時相比，采用平單軸跟蹤支架后，不同氣候帶中光伏發(fā)電系統(tǒng)的年等效利用小時數(shù)都有所提升。不同氣候帶中平單軸光伏發(fā)電系統(tǒng)的年等效利用小時數(shù)差異較大，其中，寒溫Ⅱ氣

4結(jié)論與建議

本文基于中國現(xiàn)有的氣候帶分類，對不同氣候帶的氣候特征進行了分析，然后對不同氣象因素對光伏電站發(fā)電性能和發(fā)電量差異的影響進行了對比分析。研究結(jié)果表明：由于不同氣候帶的太陽能資源稟賦、環(huán)境溫度等氣象因素差異較大，對各氣候帶中光伏電站的工作電壓、工作電流、輸出功率等電性能參數(shù)的影響不同，因此光伏電站建設(shè)時需結(jié)合不同氣候帶的氣候條件進行設(shè)備選型和優(yōu)化設(shè)計方案，以保證光伏電站投運后可達到最佳運行效果。

基于本文研究結(jié)果，提出以下建議：

1）現(xiàn)有氣候分類標(biāo)準(zhǔn)以環(huán)境溫度、濕度等因素進行分類，但光伏發(fā)電受太陽輻照度、環(huán)境溫度、紫外線含量、濕度、海拔高度等氣候環(huán)境綜合因素的影響，建議結(jié)合光伏發(fā)電的特點建立適用于光伏發(fā)電的氣候分類標(biāo)準(zhǔn)。

2）在不同氣候帶建設(shè)光伏發(fā)電實證基地，對不同氣候帶中光伏電站的設(shè)備選型及最優(yōu)設(shè)計方案進行研究，可以提升光伏發(fā)電設(shè)備的氣候適應(yīng)性，并可以得到不同氣候帶中光伏電站的最佳典型設(shè)計方案。同時，還可以建立中國不同氣候帶光伏發(fā)電的完整、準(zhǔn)確的數(shù)據(jù)庫，助力光伏產(chǎn)業(yè)高質(zhì)量發(fā)展。

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COMPARATIVE ANALYSIS AND STUDY OF OPERATION DATA OFPV POWER STATIONS IN DIFFERENT CLIMATE ZONES

He Jiajia，HouShaopan，ChenJie，DengWei，Zhang Guo

（Qinghai Huanghe Upstream Hydropower DevelopentCo.，Ltd.Photovoltaic Industry Technology Branch，Xining 810000，China）

Abstract：When PV power stations operate under actual outdoor conditions，due to different climatic conditionsin different regions，the operation of PV power stations varies greatly.Meteorological factors such as strongsunlight，significant changes in ambient temperature and humidity，acid rain erosion，wind and sand erosion，etc.will inevitably affect the power generation performance of PV power generation equipment，accelerateits aging degree，and ultimately affect the power generation efficiency and lifespan of PV power stations.Based on the existing classification of climate zones in China，this paper analyzes the climate characteristicsof different climate zones，and then compares the operating data of PV power stations in different climatezones，analyzing the impact of different meteorological factors on the power generation performance anddifferences in power generation capacity of PV power stations.The research results show that due to significantdifferences in meteorological factors such as endowment of solar energy resources，ambient temperature indifferent climate zones，the impact on the electrical performance parameters such as working voltage，workingcurrent，and output power of PV power stations varies in each climate zone.Therefore，when constructing PVpowerstations，equipment selection and optimization design schemes need to be combined with the climatecharacteristics of different climate zones to ensure that the PV power station can achieve the best operating effectafter operation.

Keywords：climatezone;PV power stations;meteorologicalcharacteristics;solarirradiance;ambienttemperature;power generation performance;comparative of operating data