河北省太陽能資源開發(fā)利用現(xiàn)狀及其氣象服務(wù)分析

崔海華 河北省氣象行政技術(shù)服務(wù)中心

1 河北省太陽能資源分布

河北省位于北緯36°05′至42°40′、東經(jīng)113°27′至119°50′之間，地形地貌復(fù)雜多樣，是我國(guó)唯一兼有高原、山地、丘陵、平原、湖泊和海濱的省份，主要由壩上高原、山地丘陵、河北平原三部分組成，形成了由西北向東南逐級(jí)降低的地勢(shì)。因?yàn)樵屏康亩喙选⑷照肇S富與否，直接影響著地面和大氣的輻射平衡和熱量平衡，從而影響太陽能資源分布。本文從河北省年平均云總量、年平均日照時(shí)數(shù)和太陽總輻射三個(gè)方面詳細(xì)分析河北省太陽能資源分布情況。

1.1 總云量的空間分布

本文利用河北省142 個(gè)國(guó)家氣象臺(tái)站1991—2020年總云量的日觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了1991—2020年30年累年各站總云量的平均值。全省年平均總云量為5.2 成，年總云量為3.9～7.3 成，最大值在衡水的安平，最小值在承德的圍場(chǎng)和張家口的懷來。利用克里金插值法繪制了1991—2020年河北省年平均總云量分布圖，如圖1 所示。河北省屬于多云地區(qū)，年平均總云量的總體分布趨勢(shì)是南部多、北部少。在冀中南地區(qū)可達(dá)五成以上，尤其是在石家莊、邢臺(tái)、衡水和滄州等部分地區(qū)的總云量可達(dá)5.6 成以上；保定地區(qū)的總云量相對(duì)較少，約在5 成左右；張家口、承德、秦皇島、唐山四地市的總云量均低于5 成，承德是總云量最少的地方，大部分地區(qū)低于4.5 成。可見，在承德、張家口、唐山、秦皇島和保定的總云量相對(duì)較少，適宜太陽能資源開發(fā)利用。

圖1 1991—2020年河北省年平均總云量分布圖

1.2 日照時(shí)數(shù)的空間分布

本文利用河北省142 個(gè)國(guó)家氣象臺(tái)站1991—2020年日照時(shí)數(shù)日觀測(cè)數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了1991—2020年30年累年各站日照時(shí)數(shù)的平均值。全省年平均日照時(shí)數(shù)為2417h，利用克里金插值法得到142 個(gè)站的年平均日照時(shí)數(shù)分布圖，如圖2 所示，河北省屬于我國(guó)日照較為豐富的地區(qū)。河北省年平均日照時(shí)數(shù)的空間分布呈現(xiàn)出北部多，南部少，沿海地區(qū)多，山麓平原少。冀西北壩上高原地區(qū)是河北省年平均日照時(shí)數(shù)最多的地區(qū)，為2800～2969h，主要是因?yàn)樵摰貐^(qū)與蒙古高原相連，海拔較高，地勢(shì)較平坦且開闊，晴朗天氣多；太行山南段及其山麓平原地區(qū)日照時(shí)數(shù)最少，主要是受太行山地形影響，造成暖濕氣流在迎風(fēng)坡抬升，易形成陰雨天氣，再加之霧霾天氣影響，導(dǎo)致該地區(qū)年平均日照時(shí)數(shù)偏少。可見，在張家口、承德、秦皇島是我省日照較豐富的地區(qū)。

圖2 1991—2020年河北省日照時(shí)數(shù)分布圖

1.3 太陽總輻射的空間分布

2023年4月4日，中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽能中心發(fā)布了《中國(guó)風(fēng)能太陽能資源年景公報(bào)（2022年）》，公報(bào)顯示，河北省太陽總輻射量的空間分布呈北部年值高于南部，中部東西橫向由邊緣區(qū)域中間時(shí)遞減趨勢(shì)。（5040 MJ/m2≤GHR ＜6300 MJ/m2）。在中國(guó)風(fēng)能太陽能資源年景公報(bào)（2022年）附錄5 中查得河北省2022年水平面總輻照量平均值為1537.5 kWh/m2，折合為5535 MJ/m2。

綜上所述，河北省各地云量、日照時(shí)數(shù)、太陽總輻射分布各異，但總體上張家口、承德和保定的太陽能資源相對(duì)豐富，具備地面電站、農(nóng)光互補(bǔ)、光電建筑一體化等多種形式的開發(fā)條件，適宜開展光伏電站建設(shè)。

2 河北省太陽能資源開發(fā)利用

河北省太陽能資源優(yōu)越，非常適宜發(fā)展光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)，也一直是光伏投資商關(guān)注的重點(diǎn)地區(qū)。河北省“十四五”規(guī)劃和二〇三五年遠(yuǎn)景目標(biāo)綱要中明確提出，“十四五”期間，河北省將在張家口、承德、唐山、滄州、沿太行山區(qū)重點(diǎn)建設(shè)光伏發(fā)電應(yīng)用基地，到2025年光伏發(fā)電裝機(jī)容量達(dá)到5400 萬kW。本文從光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量、空間分布和結(jié)構(gòu)變化三個(gè)方面詳細(xì)分析河北省太陽能資源開發(fā)利用情況。

2.1 光伏發(fā)電累計(jì)裝機(jī)容量變化情況

據(jù)國(guó)家能源局統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，2014年河北省累計(jì)裝機(jī)容量150 萬kW，2022年累計(jì)裝機(jī)容量達(dá)到3885 萬kW，居全國(guó)第二位，2022年累計(jì)裝機(jī)容量是2014年的26 倍。可見，近10年來河北的光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)得到了突飛猛進(jìn)的發(fā)展。從新增裝機(jī)容量看，隨著分布式光伏發(fā)電逐步推廣，2020年全省新增光伏發(fā)電裝機(jī)容量呈現(xiàn)爆發(fā)式增長(zhǎng)。

2.2 光伏發(fā)電裝機(jī)容量空間分布情況

河北省山地面積占全省總面積的48.1%，這些山地的土地性質(zhì)多為未利用荒地，具有植被稀少，光照條件良好，適宜建設(shè)山地式光伏電站。河北省雖然太陽能資源豐富，但市縣光伏產(chǎn)業(yè)資源、需求和條件情況不一，存在自身特點(diǎn)所生產(chǎn)的差異性。據(jù)河北省能源局統(tǒng)計(jì)，截止2022年底，河北省累計(jì)光伏裝機(jī)容量排名前五的地市分別是張家口、保定、邢臺(tái)、石家莊、滄州，分別占全省的21%、15%、14%、12%、12%，由此可見，各地市均借助太陽能資源豐富且土地利用條件較好的優(yōu)勢(shì)，尤其是借助農(nóng)光互補(bǔ)、光電建筑一體化等多種形式大力推進(jìn)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目。

2.3 光伏發(fā)電裝機(jī)結(jié)構(gòu)變化情況

光伏發(fā)電主要包括集中式光伏發(fā)電和分布式光伏發(fā)電兩類。集中式光伏發(fā)電一般為大型地面光伏電站，所發(fā)電能夠直接并網(wǎng)到主干電網(wǎng)；分布式光伏發(fā)電主要是指小型分散式光伏電站，主要有屋頂分布式光伏發(fā)電。隨著分布式光伏電站的推進(jìn)，河北省光伏裝機(jī)結(jié)構(gòu)發(fā)生了巨大的變化。2014—2016年，河北省光伏發(fā)電裝機(jī)結(jié)構(gòu)以集中式光伏電站為主，占80%以上。2017—2022年，各地因地制宜大力推進(jìn)分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，太陽能新增裝機(jī)向分布式傾斜，河北省分布式光伏發(fā)電的占比呈逐年增加趨勢(shì)。截至2022年，河北省集中式光伏電站累計(jì)裝機(jī)容量為1994 萬kW，占光伏電站總裝機(jī)容量的52%；分布式光伏電站累計(jì)裝機(jī)容量為1861萬kW，占總裝機(jī)容量的48%。

3 太陽能資源開發(fā)利用的氣象服務(wù)需求

隨著河北省光伏發(fā)電裝機(jī)容量的迅速擴(kuò)大，集中式光伏電站和分布式光伏電站均步入大規(guī)模并網(wǎng)發(fā)展階段，為做好“碳達(dá)峰、碳中和”目標(biāo)愿景下河北省新能源氣象服務(wù)，通過實(shí)地調(diào)研光伏發(fā)電企業(yè)（場(chǎng)站），綜合考了河北地理環(huán)境和氣候條件，在目前我國(guó)太陽能資源開發(fā)利用氣象服務(wù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，科學(xué)分析了河北省太陽能資源開發(fā)利用的氣象服務(wù)需求。下面從太陽能資源監(jiān)測(cè)與評(píng)估、太陽能光伏發(fā)電功率預(yù)報(bào)、災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)預(yù)警三個(gè)方面詳細(xì)闡述河北省太陽能資源開發(fā)利用的氣象服務(wù)需求。

3.1 太陽能資源監(jiān)測(cè)與評(píng)估

到2022年底，河北省累計(jì)完成光伏發(fā)電裝機(jī)容量3885 萬kW，已完成2025年預(yù)期目標(biāo)5400 萬kW 的72%，在未來3年如何科學(xué)合理布局光伏電站的建設(shè)，是能源管理部門和場(chǎng)站建設(shè)部門在選址建設(shè)中亟需解決的科學(xué)問題。需要有專業(yè)人員，結(jié)合土地利用、生態(tài)保護(hù)、城鄉(xiāng)建設(shè)等，根據(jù)太陽能資源特性進(jìn)行深入分析和研究，為建站選址、光伏板排布、選型、建設(shè)規(guī)模等提供詳實(shí)的應(yīng)用氣象學(xué)依據(jù)。

3.2 太陽能光伏發(fā)電功率預(yù)報(bào)

太陽輻射隨地理、季節(jié)、白晝、天氣狀況而變化，這就決定了光伏發(fā)電具有間歇性和不確定性，增加了電網(wǎng)計(jì)劃和調(diào)度的難度。光伏發(fā)電大規(guī)模并網(wǎng)對(duì)電網(wǎng)安全、可靠、經(jīng)濟(jì)運(yùn)行帶來了巨大挑戰(zhàn)。

準(zhǔn)確預(yù)測(cè)光伏電站輸出功率可提高電網(wǎng)的安全性和可靠性，為調(diào)度運(yùn)行部門調(diào)整和優(yōu)化常規(guī)電源的發(fā)電計(jì)劃提供決策支撐，還可以增強(qiáng)光伏發(fā)電在電力市場(chǎng)中的競(jìng)爭(zhēng)力，有助于光伏發(fā)電企業(yè)合理安排檢修計(jì)劃、減少棄光，提高企業(yè)的盈利。

按照國(guó)家政策要求，目前國(guó)內(nèi)光伏項(xiàng)目基本上都有一套基于天氣預(yù)報(bào)的功率預(yù)測(cè)系統(tǒng)，但在操作層面上仍存在較大的波動(dòng)性，急需利用天氣數(shù)據(jù)和數(shù)值預(yù)報(bào)模式降低功率預(yù)測(cè)的誤差和風(fēng)險(xiǎn)，尤其是在轉(zhuǎn)折性天氣預(yù)報(bào)的準(zhǔn)確率上。太陽能光伏發(fā)電功率預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率的提高，有利于國(guó)家電網(wǎng)公司的電網(wǎng)平穩(wěn)調(diào)度調(diào)峰和光伏發(fā)電場(chǎng)站做出合理交易策略，還可為其做出科學(xué)決策提供科技支撐。

3.3 災(zāi)害性天氣預(yù)報(bào)預(yù)警

光伏電站大多建設(shè)在偏遠(yuǎn)山區(qū)或丘陵地帶，該地區(qū)天氣復(fù)雜多變、惡劣天氣頻繁發(fā)生，且光伏電站對(duì)災(zāi)害性天氣非常敏感。比如，高溫?zé)崂酥率构夥M件發(fā)電效率下降、電池壽命縮短，大風(fēng)冰雹致使建構(gòu)筑物或發(fā)電設(shè)備損壞，雷擊致使電子元器件損壞，沙塵天氣降低發(fā)電效率，冰凍則會(huì)使輸電線路覆冰倒塌，山洪地質(zhì)災(zāi)害會(huì)損毀光伏場(chǎng)站基礎(chǔ)設(shè)施等。新能源發(fā)電管理部門為保障光伏場(chǎng)站安全運(yùn)行，急需在大風(fēng)、強(qiáng)對(duì)流、山洪、沙塵、山火等方面的精細(xì)化災(zāi)害性天氣預(yù)警和氣象災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)預(yù)報(bào)等氣象服務(wù)，為其提高防災(zāi)減災(zāi)能力，降低災(zāi)害損失。

4 思考與建議

4.1 強(qiáng)化太陽能資源監(jiān)測(cè)能力

河北省氣象部門目前有一級(jí)輻射站7個(gè)、二級(jí)輻射站1 個(gè)，太陽總輻射和紫外輻射觀測(cè)站13 個(gè)，遠(yuǎn)遠(yuǎn)不能滿足數(shù)值預(yù)報(bào)所需要的精度，需在光伏電站、分布式光伏較集中區(qū)域增加太陽輻照度觀測(cè)，開展河北省太陽能資源月、季、年等不同時(shí)間尺度的年景評(píng)估，為開展太陽能資源精細(xì)化監(jiān)測(cè)評(píng)估和預(yù)報(bào)服務(wù)奠定基礎(chǔ)，有效支撐全省太陽能資源的合理開發(fā)和高效利用。

4.2 提升太陽能預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)能力

利用多源資料融合技術(shù)、多源數(shù)值預(yù)報(bào)模式、機(jī)器學(xué)習(xí)技術(shù)等，優(yōu)化預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)模型，提高氣象預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)精度、準(zhǔn)確性和時(shí)效性。加強(qiáng)在大風(fēng)、沙塵暴、覆冰、霧等災(zāi)害性天氣對(duì)太陽能發(fā)電設(shè)施和電力輸送設(shè)施的影響機(jī)理的研究，提升基于太陽能場(chǎng)站的災(zāi)害性天氣和極端氣候事件風(fēng)險(xiǎn)預(yù)警和災(zāi)害防御能力。

4.3 提高太陽能氣象服務(wù)能力

充分對(duì)接河北省能源電力行業(yè)的發(fā)展需求，形成面向政府決策、規(guī)劃布局、發(fā)電生產(chǎn)、能源安全、電網(wǎng)消納及防災(zāi)減災(zāi)的全鏈條氣象服務(wù)能力，建立河北省太陽能開發(fā)利用全流程的精細(xì)化氣象服務(wù)。針對(duì)河北省農(nóng)村新能源發(fā)展特點(diǎn)與能源安全，加強(qiáng)農(nóng)村太陽能監(jiān)測(cè)、預(yù)報(bào)、預(yù)警及評(píng)估，助力鄉(xiāng)村振興。