胡昌吉，屈柏耿，林為，段春艷

(佛山職業(yè)技術(shù)學(xué)院，廣東 佛山 528137)

光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽(yáng)電池半導(dǎo)體材料的光伏效應(yīng)將太陽(yáng)光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā)電系統(tǒng)，有獨(dú)立運(yùn)行和并網(wǎng)運(yùn)行2種方式。太陽(yáng)輻射能是地球上最主要的能量來(lái)源，具有總量巨大、時(shí)間長(zhǎng)久、利用清潔安全、存在普遍等優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)具有不穩(wěn)定性、分散性、效率低和成本高等特點(diǎn)[1]；因此，在太陽(yáng)能資源的開(kāi)發(fā)利用中，首先應(yīng)清楚了解其資源總量、分布特點(diǎn)和變化規(guī)律[2]。太陽(yáng)能資源評(píng)估是對(duì)一定歷史時(shí)期內(nèi)某個(gè)位置或區(qū)域內(nèi)可用于能量轉(zhuǎn)換的太陽(yáng)輻射進(jìn)行的描述。目前，盡管光伏發(fā)電成本逐年降低，但仍高于傳統(tǒng)的水電和煤電。太陽(yáng)能資源是決定光伏系統(tǒng)發(fā)電量及影響光伏電站收益的主要因素之一。太陽(yáng)能資源受日地運(yùn)動(dòng)、地理?xiàng)l件及氣候條件等多種因素綜合影響，不同季節(jié)、不同氣象條件下地球上不同地區(qū)的太陽(yáng)能資源分布各不相同[3]。

太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)分析和評(píng)估對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目各個(gè)階段都具有重要的意義[4]。在可行性研究階段，了解太陽(yáng)輻射總量、穩(wěn)定性等信息有助于確定潛在的項(xiàng)目位置，估算光伏發(fā)電潛能，擬定光伏發(fā)電技術(shù)方案，從而評(píng)估光伏電站項(xiàng)目風(fēng)險(xiǎn)。太陽(yáng)能資源分析可為光伏發(fā)電系統(tǒng)的站址選擇和技術(shù)方案確定提供重要的參考依據(jù)，分析結(jié)果的差異對(duì)光伏發(fā)電項(xiàng)目啟動(dòng)及投資收益產(chǎn)生重大影響[5]；在設(shè)計(jì)階段，了解太陽(yáng)輻射成分，有助于選擇最佳的發(fā)電技術(shù)方案，進(jìn)行合理的系統(tǒng)配置，包括最佳傾角、光伏組件技術(shù)、安裝方式、光伏陣列與逆變器的容配比等；在施工、安裝調(diào)試階段，由于光伏陣列的性能與太陽(yáng)輻照量、溫度等密切相關(guān)，且逆變器的輸出也與太陽(yáng)輻照量相關(guān)，因此太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)可用于光伏電站性能測(cè)試和試運(yùn)行情況評(píng)估；在運(yùn)行階段，則可根據(jù)光伏電站發(fā)電量、裝機(jī)容量和太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，計(jì)算光伏系統(tǒng)綜合效率系數(shù)，用于評(píng)估光伏發(fā)電系統(tǒng)性能[6]。

總之，掌握太陽(yáng)能資源分布、充分利用太陽(yáng)能資源、優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)是降低光伏發(fā)電成本的關(guān)鍵。采用適當(dāng)?shù)姆绞将@取有效的太陽(yáng)能資源數(shù)據(jù)，利用先進(jìn)的方法處理太陽(yáng)能資源數(shù)據(jù)，依據(jù)國(guó)家頒布的太陽(yáng)能資源評(píng)估標(biāo)準(zhǔn)(或規(guī)范)對(duì)擬開(kāi)發(fā)光伏發(fā)電項(xiàng)目的太陽(yáng)能資源進(jìn)行分析，對(duì)光伏發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃設(shè)計(jì)有著重要的指導(dǎo)意義[7-11]。

本文的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)采集自位于佛山市三水區(qū)樂(lè)平鎮(zhèn)的太陽(yáng)輻射現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)站。樂(lè)平鎮(zhèn)是廣東省科技廳命名的廣東省唯一的光伏專業(yè)鎮(zhèn)，其所在的三水區(qū)也啟動(dòng)了廣東省首個(gè)國(guó)家新能源示范城市建設(shè)。大批光伏企業(yè)在樂(lè)平鎮(zhèn)聚集，并建設(shè)了大批光伏電站，初步形成光伏產(chǎn)業(yè)中下游產(chǎn)業(yè)鏈。因此，對(duì)佛山三水區(qū)的太陽(yáng)能資源進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)具有實(shí)際應(yīng)用價(jià)值。

1 太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)分析

1.1 數(shù)據(jù)來(lái)源與質(zhì)量檢查

太陽(yáng)輻射現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)站采用型號(hào)為CMP11的總輻射表和型號(hào)為CR800的數(shù)據(jù)采集器，太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)采集時(shí)間為2013年1月至2017年12月，數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的完整性、合理性以及極值等檢查[12]。

采用PVsyst軟件對(duì)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量檢查。圖1為2017年4月1日的水平面太陽(yáng)輻照度隨時(shí)間的變化圖。在晴朗的天氣條件下，實(shí)測(cè)的水平面太陽(yáng)輻照度和晴空模型匹配很好，散射輻照度較低，沒(méi)有出現(xiàn)太陽(yáng)輻照度異常值。實(shí)測(cè)太陽(yáng)輻射曲線與晴空模型存在較小的時(shí)移，需要進(jìn)一步修正。

圖1 PVsyst軟件中實(shí)測(cè)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)與晴空模型數(shù)據(jù)對(duì)比Fig.1 Comparisons between measured solar radiation data and clear sky model data in PVsyst software

圖2為2017年每天上午和下午逐小時(shí)的晴空指數(shù)分布圖。晴空指數(shù)(clearness index，量符號(hào)為KT)是指入射到水平面太陽(yáng)總輻照量與大氣層外界太陽(yáng)總輻照量之比[13]，上午和下午的晴空指數(shù)隨太陽(yáng)高度角的變化對(duì)導(dǎo)入氣象數(shù)據(jù)的時(shí)移非常敏感。當(dāng)時(shí)移為5 min時(shí)，晴空指數(shù)分布的對(duì)稱性會(huì)有較大變化，如圖2所示。當(dāng)上午和下午的晴空指數(shù)統(tǒng)計(jì)分布較為一致時(shí)，表明導(dǎo)入的氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。如果導(dǎo)入數(shù)據(jù)存在晴空指數(shù)不對(duì)稱分布的情況，則當(dāng)上午和下午的晴空指數(shù)最高點(diǎn)都很一致時(shí)所對(duì)應(yīng)的時(shí)移是最佳的。經(jīng)檢驗(yàn)，太陽(yáng)輻射現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)站采集的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)質(zhì)量均較好。實(shí)測(cè)太陽(yáng)輻照量數(shù)據(jù)時(shí)移修正值為5 min。

1.2 短期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)代表年訂正

將短期實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)訂正為典型年數(shù)據(jù)的方法有比值法和相關(guān)法。由于缺乏參考?xì)庀笳鹃L(zhǎng)序列數(shù)據(jù)中的同期數(shù)據(jù)，采用Sandia法在2013—2017年的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)中挑選12個(gè)具有代表性的典型月組成一個(gè)理想的太陽(yáng)能資源典型年。Sandia法采用Finkelstein-Schafer統(tǒng)計(jì)算法，通過(guò)對(duì)比所選月份的逐年累積分布曲線與長(zhǎng)期累積分布曲線的接近程度來(lái)選取典型氣象年[14]。

2013—2017年的1月水平面太陽(yáng)總輻照量的逐年累積分布曲線與長(zhǎng)期累積分布曲線對(duì)比如圖3所示?？梢钥闯?，2014年和2016年1月的曲線與長(zhǎng)期累積分布曲線偏離較大，而2017年1月的曲線與長(zhǎng)期累積分布曲線最接近。因此，2017年1月被選為近5年的1月典型月，并以此類推，選擇其他11個(gè)典型月，最終形成太陽(yáng)能資源典型年。

圖2 晴空指數(shù)分布Fig.2 Clearness index distribution

圖3 1月水平面太陽(yáng)總輻照量的逐年累積分布曲線與長(zhǎng)期累積分布曲線對(duì)比(2013—2017年)Fig.3 Comparison of cumulative distribution function of monthly global horizontal irradiation and long-term cumulative distribution function (2013—2017)

1.3 太陽(yáng)輻射狀況分析

1.3.1 太陽(yáng)輻射總量分析

2013—2017年水平面太陽(yáng)總輻照量為1 280～1 350 kWh/(m2·a)，折算成峰值日照時(shí)間為3.5～3.7 h，如圖4所示。

圖4 2013—2017年水平面太陽(yáng)總輻照量變化曲線Fig.4 Variation of total horizontal solar radiation(2013—2017)

基于太陽(yáng)能資源典型年數(shù)據(jù)，可得到年水平面太陽(yáng)總輻照量約為1 303 kWh/(m2·a)。按照QX/T 89—2018《太陽(yáng)能資源評(píng)估方法》，佛山三水地區(qū)屬于太陽(yáng)能資源豐富區(qū)[12]。其中，6—9月的總輻照量較大，而11—12月、1—4月的總輻照量較小，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表1。

表1 太陽(yáng)能資源典型年太陽(yáng)輻照量數(shù)據(jù)Tab.1 Solar radiation data for typical years of solar energy resource

1.3.2 太陽(yáng)能資源直射比等級(jí)

當(dāng)水平面上日落時(shí)的時(shí)角ωs<81.4°時(shí)，

(1)

當(dāng)水平面上日落時(shí)的時(shí)角ωs為81.4°時(shí)，

(2)

月平均散射輻照量可由下式計(jì)算：

(3)

計(jì)算得到的直射比為0.41，即太陽(yáng)能資源直射比等級(jí)為C級(jí)，散射輻射成分較多[12]。尤其是3—5月，太陽(yáng)輻射成分中以散射輻射為主。3—5月的月平均直射比較低，陰雨天氣是主要的原因。其他月份的直射比均不大于0.5，這與南方地區(qū)濕潤(rùn)溫暖的氣候有關(guān)。具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。

1.3.3 太陽(yáng)能資源穩(wěn)定性分析

典型年各月水平面太陽(yáng)總輻照量最小值為3月的1.99 kWh/(m2·d)，最大值為8月的4.98 kWh/(m2·d)。太陽(yáng)能資源年變化特征及穩(wěn)定度等級(jí)為最小值與最大值之比，計(jì)算值為0.40，即太陽(yáng)能資源處于穩(wěn)定等級(jí)[12]，有利于光伏項(xiàng)目的利用開(kāi)發(fā)。2013—2017年太陽(yáng)能資源穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)見(jiàn)表3，可以看出，最低輻照量月份多為3月，而最高輻照量月份為6—8月。

1.3.4 太陽(yáng)能資源日變化特征分析

太陽(yáng)能資源日變化特征的分析，可以針對(duì)各月代表日(即日天文輻照量最接近當(dāng)月平均值的日期，可通過(guò)天文輻射的理論計(jì)算得到)，從天文平均的角度評(píng)價(jià)太陽(yáng)輻射的日變化特征，從而得到1 d中太陽(yáng)能資源的穩(wěn)定程度[17]。但是考慮了天氣影響后，各月的代表日并不一定就是能反映典型天氣條件的典型日；因此，只考慮影響更為重要的天氣條件對(duì)太陽(yáng)輻射日變化特征的影響。依據(jù)晴空指數(shù)將天氣類型進(jìn)行劃分為陰天(KT≤0.3)、多云天(0.3

表2 太陽(yáng)能資源典型年太陽(yáng)散射輻照量和直射比數(shù)據(jù)Tab.2 Diffuse radiation and direct radiation ratio data in typical years of solar energy resources

以2014年10月為例：晴天典型日為10月15日，對(duì)應(yīng)的KT值為0.59，太陽(yáng)輻照量為5.12 kWh/(m2·d)；陰天典型日為10月26日，對(duì)應(yīng)的KT值為0.23，太陽(yáng)輻照量為1.92 kWh/(m2·d)；多云天典型日為10月4日，對(duì)應(yīng)的KT值約0.47，太陽(yáng)輻照量為4.24 kWh/(m2·d)。

不同天氣條件對(duì)太陽(yáng)輻照度變化影響較大，如圖5所示。晴天的太陽(yáng)輻照度變化最小，其次是陰天，波動(dòng)最大的是多云天。采用短期實(shí)測(cè)太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)中的分鐘值，對(duì)太陽(yáng)輻照度的時(shí)間序列進(jìn)行差分處理，除以時(shí)間尺度(1 min)，得到太陽(yáng)輻照度變化速率，如圖6所示。多云天的輻照度變化速率可達(dá)150 W/(m2·min)，陰天為100 W/(m2·min)。由于輻照度正負(fù)變化速率產(chǎn)生的波動(dòng)對(duì)光伏電站產(chǎn)生的影響，與光伏電站出力、電能質(zhì)量等[19-21]類似，可通過(guò)輻照度變化速率絕對(duì)值的累積分布曲線，進(jìn)一步分析不同典型天氣條件下輻照度變化速率的分布情況，如圖7所示。晴天條件下，最大變化速率小于20 W/(m2·min)；陰天條件下，變化速率小于20 W/(m2·min)的概率為95%，最大變化速率為100 W/(m2·min)；多云條件下，變化速率小于20 W/(m2·min)的概率為80%，最大變化速率為150 W/(m2·min)。

表3 2013—2017年太陽(yáng)能資源穩(wěn)定性分析Tab.3 Stability analysis of solar energy resources(2013—2017)

注：b為月最低輻照量與月最高輻照量的比值。

圖5 2014年10月典型天氣條件下實(shí)測(cè)太陽(yáng)總輻照度Fig.5 Totalsolar irradiance measured under typical weather conditions in October 2014

圖6 典型天氣條件下實(shí)測(cè)太陽(yáng)總輻照度變化速率Fig.6 Variation rate of measured totalsolar irradiance under typical weather conditions

水平面太陽(yáng)總輻照度分布頻率反映了太陽(yáng)能資源豐富程度，并影響光伏組件和逆變器的轉(zhuǎn)換效率，進(jìn)而對(duì)光伏電站的發(fā)電效率和發(fā)電量產(chǎn)生影響[22-23]。水平面太陽(yáng)總輻照度分布頻率最大的區(qū)間為0～100 W/m2，占比約為35%；高輻照度區(qū)間(大于700 W/m2)占比約為10%；中低輻照度區(qū)間(100～700 W/m2)占比約為55%；大于1 000 W/m2輻照度區(qū)間的分布頻率接近0，如圖8所示。

圖7 太陽(yáng)輻照度變化速率絕對(duì)值的累積分布曲線Fig.7 Cumulative distributioncurves of absolute values of solar irradiance variation rates

圖8 水平面太陽(yáng)總輻照度各區(qū)間占比Fig.8 Proportion of each interval of total horizontal solar irradiance

對(duì)比當(dāng)?shù)貢r(shí)間上午(09：00—10：00)、中午(11：00—13：00)和下午(14：00—15：00)3個(gè)時(shí)段的太陽(yáng)能資源，結(jié)果見(jiàn)表4。中午時(shí)段的太陽(yáng)能資源最為豐富，全年占比達(dá)到40%以上，是上午和下午時(shí)段的2倍，這表明中午時(shí)段是最有利于太陽(yáng)能資源利用的時(shí)段。09：00—15：00時(shí)段的太陽(yáng)能資源全年總占比約為84%，充分利用該時(shí)段的太陽(yáng)輻照量，可以有效提升光伏電站的發(fā)電量[24]。

表4 不同時(shí)段太陽(yáng)能資源的分布情況Tab.4 Distribution of solar energy resources in different periods

2 太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)的應(yīng)用

2.1 光伏電站最佳傾角分析

基于典型氣象年的太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，采用Klein和Theilacker提出K-T方法[25-26]，由水平面太陽(yáng)總輻照量推算出不同傾角情況下的光伏組件表面的月均輻照量

(4)

(5)

(6)

ωs=arccos(-tanφtanδ).

(7)

(8)

式(6)—(8)中：φ為當(dāng)?shù)鼐暥龋沪臑樘?yáng)赤緯；n為一年中某一天的順序數(shù)，如1月1日為1，12月31日為365，依此類推；G為G函數(shù)。

G函數(shù)的定義為

(a′A-bB)(sinω1-sinω2)-a′C(cosω1-cosω2)+

(9)

(10)

(11)

計(jì)算得到的全年最大太陽(yáng)總輻照量為3.62 kWh/(m2·d)，對(duì)應(yīng)的最佳傾角為16°。影響光伏組件最佳傾角的因素主要為天文、地理和氣象[7]。由于散射輻射成分較多，因此最佳傾角比當(dāng)?shù)鼐暥?北緯23.24°)低一些[27]。

在佛山三水地區(qū)，可調(diào)光伏支架不論是半年調(diào)節(jié)、每季調(diào)節(jié)還是每月調(diào)節(jié)，太陽(yáng)輻照量的增益并不明顯。與固定式支架相比，每月調(diào)節(jié)支架的最高增益只有2.8%，具體數(shù)據(jù)見(jiàn)表5。

2.2 不同光伏支架類型分析

選擇用于評(píng)價(jià)逆變器效率的4類太陽(yáng)資源典型地區(qū)與佛山三水地區(qū)進(jìn)行比較[28]。以5 kW(峰瓦)的光伏電站為例，假定系統(tǒng)的綜合效率系數(shù)相同，采用PVsyst軟件仿真研究在不同太陽(yáng)能資源地區(qū)、不同支架類型對(duì)光伏電站發(fā)電量的影響，結(jié)果見(jiàn)表6。佛山三水地區(qū)處于第4類太陽(yáng)資源典型地區(qū)，不同類型光伏支架對(duì)光伏電站發(fā)電量的影響與廣州地區(qū)相似。可以看出，跟蹤光伏支架對(duì)光伏電站發(fā)電量的提升并不顯著，即便是雙軸跟蹤光伏支架所帶來(lái)的發(fā)電量增益僅為15%左右，遠(yuǎn)低于第1類地區(qū)(如格爾木地區(qū))的發(fā)電量增益。

表5 光伏支架安裝調(diào)節(jié)方式對(duì)應(yīng)的最佳傾角及太陽(yáng)輻照量Tab.5 Optimum inclination angle andsolar irradiation for different installation and adjustment modes of photovoltaic support

注：所有“增益”均以因定式支架安裝方式為基準(zhǔn)。

2.3 容配比分析

由于大部分時(shí)間太陽(yáng)輻照度在1 kW/m2以下，且光伏組件到逆變器之間存在線損、光伏組件之間串聯(lián)失配、陰影遮擋等損失，逆變器基本處于非滿負(fù)荷運(yùn)行狀態(tài)，造成了容量的浪費(fèi)[29]。

以額定功率輸出為5 kW的逆變器為例，光伏組件容量和逆變器容量比(即容配比)從1.0增加至1.4，采用PVsyst軟件進(jìn)行系統(tǒng)仿真，可得到不同容配比時(shí)的光伏電站的能量損失，見(jiàn)表7。逆變器的能量損失隨容配比增大而逐漸增大，包括逆變器正常工作過(guò)程中的能量損失和因逆變器限功率運(yùn)行產(chǎn)生的能量損失2個(gè)部分。盡管限功率損失占逆變器功率損失的比例從容配比為1.0時(shí)的0%變化到容配比為1.4時(shí)的27.11%，但是限功率損失占發(fā)電量損失的比例依然很低，最大時(shí)只有1%左右。容配比受到逆變器輸入電壓的極限值的限制以及光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性，如度電成本、投資內(nèi)部收益率等因素的影響，因此容配比并非越大越好[30]。

表6 在不同太陽(yáng)能資源地區(qū)、不同支架類型對(duì)5 kW(峰瓦)光伏電站發(fā)電量的影響Tab.6 Influences of different supports on power generation capacity of 5 kWp photovoltaic station in different solar energy areas

表7 5 kW(峰瓦)光伏電站在不同容配比時(shí)的能量損失Tab.7 Energyloss of 5 kWp photovoltaic power station at different capacity ratio

3 結(jié)論

太陽(yáng)能資源評(píng)估工作對(duì)光伏電站項(xiàng)目開(kāi)發(fā)、規(guī)劃設(shè)計(jì)有重要意義。本文通過(guò)對(duì)太陽(yáng)輻射現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)站數(shù)據(jù)的分析，得出結(jié)論：佛山三水地區(qū)屬于太陽(yáng)能資源的豐富區(qū)，且太陽(yáng)能資源處于穩(wěn)定等級(jí)，有利于光伏項(xiàng)目的利用開(kāi)發(fā)；太陽(yáng)輻射成分中以散射輻射為主；固定式安裝光伏方陣的最佳傾角為16°，可調(diào)光伏支架對(duì)光伏電站發(fā)電量的提升約為3%，雙軸跟蹤光伏支架對(duì)發(fā)電量的提升約為15%；時(shí)段09：00—15：00的太陽(yáng)能資源占全年的84%，是最有利于太陽(yáng)能資源利用的時(shí)段；太陽(yáng)輻照度100～700 W/m2的中低輻照度在水平面太陽(yáng)總輻照度分布中占比最大；光伏容配比的提高有助于提升光伏電站的發(fā)電量。