于秩彬，王春芳，周釗正，趙永強(qiáng)

(青島大學(xué) 電氣工程學(xué)院，山東 青島 266071)

影響光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率的主要環(huán)境因素為光照強(qiáng)度，另外溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)速、積灰程度、海拔高度及某些地區(qū)特殊的天氣狀況等[1]其他環(huán)境因素相互耦合，共同影響分布式光伏發(fā)電系統(tǒng)的工作效率。目前，國(guó)內(nèi)外相關(guān)方面的研究主要集中在分析光照強(qiáng)度對(duì)發(fā)電功率的影響，通過(guò)天氣條件與光照強(qiáng)度的關(guān)系說(shuō)明各因素對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響，并沒(méi)有詳細(xì)闡述除光照外的環(huán)境因素對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的直接作用[2-3]。呂學(xué)梅等人[4]研究了日照時(shí)數(shù)和天氣狀況對(duì)日發(fā)電量的影響；閆全全等人[5]基于武漢光伏發(fā)電站的數(shù)據(jù)，研究了氣溫通過(guò)太陽(yáng)總輻射對(duì)光伏發(fā)電量的影響；姚萬(wàn)祥等人[6]基于氣象站分析了太陽(yáng)輻射照度與太陽(yáng)光照強(qiáng)度的關(guān)系；大連理工大學(xué)[7]基于大連教學(xué)中心太陽(yáng)能光伏項(xiàng)目，分析了積灰對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電效率的影響；華北電力大學(xué)[8]分析了日食與沙塵暴等特殊氣象對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)出力的影響。中國(guó)南、北方及內(nèi)陸、沿海地區(qū)氣候存在差異，特別是青島沿海地區(qū)地理位置和氣候特點(diǎn)特殊，以上研究并不適用于青島地區(qū)。本文研究分析了不同天氣因素對(duì)青島地區(qū)分布式光伏電站發(fā)電功率的影響，對(duì)電站發(fā)電量及環(huán)境因素等數(shù)據(jù)進(jìn)行篩選統(tǒng)計(jì)，分析造成不同季節(jié)發(fā)電量差異的原因，對(duì)光照強(qiáng)度、溫度、相對(duì)濕度3個(gè)因素對(duì)光伏電站發(fā)電功率的影響程度進(jìn)行了詳細(xì)的解耦分析。

1 青島大學(xué)分布式光伏電站

青島大學(xué)分布式光伏電站如圖1所示。該電站建于2012年，主要是由22塊BCT260-24型多晶硅太陽(yáng)能電池板和1臺(tái)SG5KTL型逆變器組成，總安裝容量約為3.5 kW，逆變器效率約為97%，此外還配備了實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)與小型氣象站，以便于展開(kāi)科研工作。

圖1 青島大學(xué)分布式光伏電站Fig.1 Distributed photovoltaic power station of Qingdao University

2 光伏電站各季節(jié)發(fā)電量統(tǒng)計(jì)

本文采用的數(shù)據(jù)來(lái)自2014年10月至2016年10月對(duì)青島大學(xué)光伏并網(wǎng)電站的觀測(cè)數(shù)據(jù)記錄。由于青島地區(qū)每年氣象規(guī)律相似，2015年數(shù)據(jù)與2016年數(shù)據(jù)接近，所以本文采用2015年所記錄數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。按照3—5月為春季、6—8月為夏季、9—11月為秋季、12月至次年2月為冬季劃分季節(jié)。記錄時(shí)間為8:30、10:45、13:30、16:30，記錄內(nèi)容包括天氣情況、光照強(qiáng)度、溫度、相對(duì)濕度、風(fēng)向和風(fēng)速、發(fā)電功率和總發(fā)電量等數(shù)據(jù)。本文提取每隔一天的采樣數(shù)據(jù)，并排除個(gè)別錯(cuò)誤數(shù)據(jù)，得到2015年四季發(fā)電量統(tǒng)計(jì)如圖2所示。光伏電站2015年每個(gè)月的發(fā)電量統(tǒng)計(jì)見(jiàn)表1。

由表1可得，2015年春季總發(fā)電量為1 743 kWh，夏季總發(fā)電量為1 523 kWh，秋季總發(fā)電量1 238 kWh，冬季總發(fā)電量888 kWh。春季發(fā)電量最大，夏季和秋季發(fā)電量次之，冬季發(fā)電量分布平均但發(fā)電量最低。夏季日照充裕，但是夏季陰雨天氣頻發(fā)以及青島地區(qū)特有的夏秋季節(jié)海霧等原因使得光照強(qiáng)度分布發(fā)生變化。

圖2 光伏電站四季發(fā)電量統(tǒng)計(jì)Fig.2 Statistics of generating capacity in the four seasons in the photovoltaic power station

/kWh/kWh13 09629523 39138933 78058644 35657654 93758165 46652975 96650086 46049496 990530107 473483117 698225127 902204

接下來(lái)通過(guò)分析光照強(qiáng)度變化及各個(gè)季節(jié)的環(huán)境因素變化對(duì)發(fā)電功率的影響，詳細(xì)闡述造成春季發(fā)電量高以及不同季節(jié)發(fā)電量差異的主要原因。

3 光照強(qiáng)度季節(jié)性變化分析

影響光伏發(fā)電量的直接因素為光照強(qiáng)度。取每日13：30的數(shù)據(jù)記錄，篩選出242組數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行不同程度的擬合，作出光照強(qiáng)度與發(fā)電功率的關(guān)系曲線如圖3所示。

圖3 光照強(qiáng)度對(duì)發(fā)電功率的影響Fig.3 Influence of illumination intensity on generated power

圖3中散點(diǎn)經(jīng)過(guò)最小二乘法進(jìn)行3種不同程度的擬合，分別為3次擬合、9次擬合、15次擬合，誤差平方和分別為15.571 8、9.557 0、9.269 8，擬合程度較好，擬合效果較為接近。通過(guò)圖3可以看出，光照強(qiáng)度是發(fā)電功率最直接的影響因素。青島日照時(shí)間以5月最多，10月次多；12月最少，2月次少。但日照百分率則10月最大，11月次大；7月最小，6、8月次小。而且青島6、7月多海霧，常因海霧抬升形成低云，6、7月的日照百分率因云霧增加而減少[9]。青島四季光照強(qiáng)度統(tǒng)計(jì)如圖4所示。整理圖4得到表2的數(shù)據(jù)。

由圖4分布趨勢(shì)和表2數(shù)據(jù)可以看出，春季光照平均值最大，夏季次之，秋季平均光照最低，冬季介于夏季與秋季之間，這與表1的發(fā)電量數(shù)據(jù)有差異。通過(guò)比較標(biāo)準(zhǔn)差，可以看出海霧對(duì)光照強(qiáng)度的影響較大，夏季和秋季是海霧頻發(fā)季節(jié)，導(dǎo)致夏季平均光強(qiáng)低于春季，使夏季發(fā)電量略低于春季，而秋季發(fā)電量高于冬季，這是由于冬季太陽(yáng)高度角小，日照時(shí)間變短造成總太陽(yáng)輻射強(qiáng)度低。太陽(yáng)赤緯角

(1)

式中N為日期序列號(hào)(從1月1日開(kāi)始計(jì))。將計(jì)算結(jié)果帶入太陽(yáng)高度角α的計(jì)算公式，即

sinα=sinφsinδ+cosφcosδcosω.

(2)

式中：φ為光伏系統(tǒng)安裝地點(diǎn)的緯度，青島地處北緯35°35′～37°09′，光伏電站位于36.07°；ω為太陽(yáng)時(shí)角，取每天正午數(shù)據(jù)，所以ω=0°。由上述公式計(jì)算得到2015年每日正午太陽(yáng)高度角變化范圍見(jiàn)表3。

圖4 青島四季光照強(qiáng)度Fig.4 Illumination intensity in the four seasons in Qingdao

表2 四季光照強(qiáng)度平均值與標(biāo)準(zhǔn)差(樣本數(shù)40)Tab.2 Average value and standard deviation of illumination intensityklx

表3 太陽(yáng)高度角變化范圍Tab.3 Variation range of solar elevation angle

由表3可以看出，夏季太陽(yáng)高度角的幅值約為70.4°，太陽(yáng)高度角與輻射照度正相關(guān)，其關(guān)系曲線中間斜率大、兩端斜率小[6]。冬季太陽(yáng)高度角與春季和夏季存在明顯的差距，輻射照度平均程度小于其他季節(jié)，造成冬季光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率低。另外，光伏陣列傾斜面接受到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度與天氣狀況、空氣中的污染物、光伏陣列的積灰度有關(guān)[10]。青島地區(qū)空氣清潔且空氣流動(dòng)性較好，在光伏系統(tǒng)運(yùn)行過(guò)程中，春、夏、秋三季光伏電池板表面積灰程度較弱，積灰對(duì)光伏電池發(fā)電量的影響可以忽略不計(jì)；而冬季相對(duì)干燥，降水量偏小，光伏陣列的積灰度明顯增高，若不及時(shí)清理，也會(huì)造成冬季發(fā)電量低。

4 氣象因素對(duì)光伏發(fā)電的影響

4.1 氣象因素相關(guān)性分析

影響光伏電池板發(fā)電功率的氣象因素主要包括相對(duì)濕度h、溫度T、光照強(qiáng)度s，氣象因素之間存在關(guān)聯(lián)度，且對(duì)發(fā)電功率P的影響程度不同，將觀測(cè)所得氣象數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化成量綱為1的數(shù)據(jù)，用MATLAB求取相關(guān)系數(shù)。取所有季節(jié)835組數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)系數(shù)計(jì)算，結(jié)果見(jiàn)表4。

表4 相關(guān)系數(shù)Tab.4 Correlation coefficients

由表4可以得到，光照強(qiáng)度對(duì)發(fā)電功率的正相關(guān)系數(shù)很大，為主導(dǎo)因素；光照與相對(duì)濕度負(fù)相關(guān)系數(shù)較大，而且相對(duì)濕度對(duì)發(fā)電功率同樣為負(fù)相關(guān)，相對(duì)濕度對(duì)發(fā)電功率的限制作用比較明顯；溫度與發(fā)電功率呈現(xiàn)較小的正相關(guān)系數(shù)，由于低溫與低光照強(qiáng)度處于同一時(shí)間段，需要進(jìn)一步分析不同的溫度范圍對(duì)發(fā)電功率的影響。由于溫度和相對(duì)濕度對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)存在直接影響[11]，取光照強(qiáng)度大于70 klx的數(shù)據(jù)以排除光照條件的影響，采用Bisquare方法擬合充足光照強(qiáng)度功率曲面如圖5所示。

圖5 充足光照強(qiáng)度功率曲面Fig.5 Power surface with sufficientillumination intensity

由圖5可以看出，在光照條件充足的情況下，溫度和相對(duì)濕度對(duì)系統(tǒng)發(fā)電功率存在影響，環(huán)境溫度高于25 ℃、相對(duì)濕度高于70%時(shí)，發(fā)電功率明顯降低。高溫和高濕環(huán)境均不利于光伏系統(tǒng)，下面分別對(duì)這兩種因素的影響程度進(jìn)行分析。

4.2 溫度季節(jié)性變化分析

青島市地處北溫帶季風(fēng)區(qū)域，屬溫帶季風(fēng)氣候，四季分明，而且由于瀕臨黃海，具有海洋性氣候特征。青島市全年8月最熱，1月最冷[12]，四季氣溫變化趨勢(shì)如圖6所示。

圖6 青島四季氣溫變化趨勢(shì)Fig.6 Variation trend of temperature of the four seasons in Qingdao

與內(nèi)陸地區(qū)相比，青島地區(qū)冬季低溫天數(shù)較少，夏季整體溫度低于內(nèi)陸地區(qū)，具有季風(fēng)氣候四季分明的特點(diǎn)，夏季的溫度明顯高于春季和秋季，冬季溫度在0 ℃左右，但少有極端寒冷的天氣，因此本文不涉及低溫(低于-5 ℃)對(duì)光伏系統(tǒng)的影響。為了排除不同季節(jié)光照強(qiáng)度不同造成的發(fā)電功率輸出差異，取每日13：30的數(shù)據(jù)記錄，篩選出40組光照強(qiáng)度大于70 klx的數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行不同程度的擬合，作出曲線如圖7所示。

圖7中散點(diǎn)經(jīng)過(guò)最小二乘法進(jìn)行3種不同程度的擬合，分別為3次擬合、9次擬合、15次擬合，誤差平方和分別為1.146 6、0.841 6、0.617 4，擬合程度良好，擬合效果較為接近。可以看出：青島地區(qū)冬季低溫對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響不明顯；溫度升到20 ℃以上，光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率明顯降低。青島地區(qū)7、8月溫度較高，8月平均溫度達(dá)到25 ℃以上，導(dǎo)致該時(shí)間段光伏發(fā)電系統(tǒng)雖然處于光照強(qiáng)度充足的條件下，發(fā)電功率卻并不理想。

圖7 充足光照條件下溫度對(duì)發(fā)電功率的影響Fig.7 Effect of temperature ongenerated power under sufficient light conditions

4.3 相對(duì)濕度對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響

青島瀕臨黃海，空氣濕度較高，從4月到7月，海霧天氣頻率逐漸上升，青島海霧沒(méi)有規(guī)律，全天任何時(shí)段都可以出現(xiàn)。海霧天氣特點(diǎn)是空氣濕度很大，相對(duì)濕度高于95%，而且由于海霧遮擋太陽(yáng)光，影響了光伏電池板接受的太陽(yáng)輻射[9]。相對(duì)濕度對(duì)光伏發(fā)電影響分為對(duì)光照強(qiáng)度的影響以及對(duì)系統(tǒng)工作的直接影響。青島地區(qū)氣候特殊，相對(duì)濕度較大的天氣一般是由于海霧出現(xiàn)而導(dǎo)致，此時(shí)環(huán)境特點(diǎn)為濕度大、光照強(qiáng)度明顯不足。取每日13：30的數(shù)據(jù)記錄，篩選出40組數(shù)據(jù)，采用最小二乘法進(jìn)行不同程度的擬合，作出相對(duì)濕度對(duì)光照強(qiáng)度的影響曲線如圖8所示。

圖8 相對(duì)濕度對(duì)光照強(qiáng)度的影響Fig.8 Effect of humidity on illumination intensity

圖8中散點(diǎn)經(jīng)過(guò)最小二乘法進(jìn)行3種不同程度的擬合，分別為3次擬合、9次擬合、15次擬合，誤差平方和分別為2.682 1、2.356 7、1.983 0，擬合程度良好，擬合效果較為接近。通過(guò)圖8可以看出，在相對(duì)濕度高于70%、光照強(qiáng)度降低、海霧濃度較高時(shí)，容易出現(xiàn)相對(duì)濕度高于90%，這時(shí)光伏發(fā)電系統(tǒng)由于光照強(qiáng)度過(guò)低，發(fā)電功率很小。取光照強(qiáng)度大于70 klx，分析相對(duì)濕度對(duì)發(fā)電功率的影響，作出曲面圖如圖9所示。

圖9 充足光照條件下相對(duì)濕度對(duì)發(fā)電功率的影響Fig.9 Effect of humidity on generated power under sufficient light conditions

由圖9可以看出，在相對(duì)濕度大于80%后，系統(tǒng)的發(fā)電功率遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于干燥情況下的發(fā)電功率。實(shí)際情況中，相對(duì)濕度高于80%的天氣一般為夏季海霧或陰雨天氣，光照強(qiáng)度很低，系統(tǒng)主要受光照條件不足的限制，發(fā)電功率低。

5 發(fā)電量的統(tǒng)計(jì)預(yù)測(cè)

由于光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出受到太陽(yáng)輻射強(qiáng)度和天氣因素的影響，其發(fā)電量的變化是一個(gè)非平穩(wěn)的隨機(jī)過(guò)程[13-14]，若不采取有效的處理方式降低光伏電站輸出功率序列的非平穩(wěn)性，將無(wú)法保證預(yù)測(cè)結(jié)果的精確性和算法的收斂性[15]。文獻(xiàn)[15-18]均提出了對(duì)光伏電站適用性較強(qiáng)的預(yù)測(cè)方法，但是由于其方法的復(fù)雜性與變量的差異性，不適合廣泛推廣。文獻(xiàn)[19-22]提出了對(duì)光伏系統(tǒng)短期發(fā)電量的預(yù)測(cè)方法，但是對(duì)于氣象變化頻繁的青島地區(qū)，長(zhǎng)期預(yù)測(cè)的方法更加適合。

本文基于上述數(shù)據(jù)的分析，采用了一種較為簡(jiǎn)單的方法來(lái)預(yù)測(cè)全年的發(fā)電量。上述數(shù)據(jù)均來(lái)自于同一套發(fā)電系統(tǒng)，數(shù)據(jù)本身包含了關(guān)于該發(fā)電系統(tǒng)以及該地區(qū)氣象條件的信息，因此用歷史發(fā)電量作為預(yù)測(cè)系統(tǒng)發(fā)電量的主要依據(jù)之一是可行的[16]。

表5為2015年全年數(shù)據(jù)整理后的平均日發(fā)電量，并且按照季節(jié)劃分為4個(gè)部分。

利用查表法找到對(duì)應(yīng)季節(jié)的平均日發(fā)電量，計(jì)算2016年發(fā)電量預(yù)測(cè)值

E=∑Ed·d.

(3)

式中：Ed為查表所得平均日發(fā)電量，d為對(duì)應(yīng)的天數(shù)。根據(jù)式(4)，計(jì)算出2016年發(fā)電量預(yù)測(cè)值約為實(shí)際發(fā)電量的95%，是比較準(zhǔn)確的。

6 結(jié)論

本文主要從光照強(qiáng)度、溫度及相對(duì)濕度3個(gè)方面研究了青島地區(qū)四季天氣對(duì)光伏發(fā)電量的影響。

表5 平均日發(fā)電量Tab.5 Average daily generating capacity

青島地區(qū)光照資源以春季最為充沛，光照強(qiáng)度差異是造成冬季發(fā)電量低的主要原因。由于青島地區(qū)冬季極寒天氣少，無(wú)極低溫度出現(xiàn)，在運(yùn)行維護(hù)中可以忽略不計(jì)冬季低溫對(duì)光伏發(fā)電的影響。高溫對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電功率有明顯的不利影響，在高于20 ℃的環(huán)境下，光伏電池板溫度高，發(fā)電功率低。濕度與光照強(qiáng)度呈現(xiàn)負(fù)相關(guān)，青島地區(qū)海霧天氣特點(diǎn)為相對(duì)濕度大、光照強(qiáng)度小，此類天氣多發(fā)于夏季，限制了夏季與秋季初的光伏發(fā)電系統(tǒng)工作，而春季天氣較為晴朗，降水與海霧出現(xiàn)頻率較低，有利于光伏電池板的發(fā)電工作。本文給出了根據(jù)歷史數(shù)據(jù)查表法預(yù)算年發(fā)電量的計(jì)算公式，該方法僅對(duì)青島以及氣候相似地區(qū)適用。