雷震 郝雨辰 孔伯駿

1 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 調(diào)度控制中心,南京,210024 2 國網(wǎng)江蘇省電力有限公司 揚(yáng)州供電分公司,揚(yáng)州,225001

0 引言

隨著我國能源結(jié)構(gòu)的不斷調(diào)整優(yōu)化,傳統(tǒng)化石能源在能源結(jié)構(gòu)中所占比重不斷下降,清潔無污染的新能源所占比重不斷上升[1]．太陽能作為一種取之不盡用之不竭的新能源,可以從根本上解決能源短缺和環(huán)境污染等問題,大力發(fā)展太陽能光伏發(fā)電,對落實(shí)新發(fā)展理念、促進(jìn)綠色低碳循環(huán)發(fā)展具有重要意義[2-5]．“漁光互補(bǔ)”是一種將漁業(yè)養(yǎng)殖與光伏發(fā)電相結(jié)合,實(shí)現(xiàn)“一地多用、漁光互補(bǔ)”的發(fā)電新模式[4],可以提高資源利用率和單位面積土地的經(jīng)濟(jì)價(jià)值,對光伏電站大范圍落地應(yīng)用具有重要的推動作用[5-7]．

光伏發(fā)電效益主要與光伏面板材質(zhì)和外界環(huán)境有關(guān)[5,8-10]．非晶硅光伏面板輸出能量主要取決于光譜分布,而多晶硅則對光譜分布不敏感[11]．對于外界環(huán)境對光伏發(fā)電效益的影響,大多從氣象因素入手研究．黃偉等[8]分析了日照強(qiáng)度和云量對光伏發(fā)電的影響,確定了不同天氣情況對光伏發(fā)電影響系數(shù)．褚華宇等[12]研究了霧霾對光伏發(fā)電功率的影響,并建立了考慮霧霾影響的光伏發(fā)電功率預(yù)測模型．崔永琴等[13]從面板積塵影響因素出發(fā),研究了風(fēng)力、降雨、空氣污染、灰塵性質(zhì)及面板傾角等對光伏發(fā)電效益的影響．曹英麗等[14]通過對光伏發(fā)電功率與同期氣象影響因子進(jìn)行相關(guān)性分析發(fā)現(xiàn),太陽輻射量、日照時(shí)數(shù)與光伏發(fā)現(xiàn)效益相關(guān)性最高．Kymakis等[15]將太陽輻照度作為光伏電站選址的重要參考指標(biāo)．雖然國內(nèi)外學(xué)者對光伏發(fā)電效益的影響因素進(jìn)行了深入研究,但大多集中于陸面光伏電站,而對建于水面上的“漁光互補(bǔ)”光伏電站鮮有涉及．由于漁光互補(bǔ)光伏電站下墊面性質(zhì)不同于常規(guī)陸面光伏電站,電站周圍形成的典型小氣候?qū)е缕浒l(fā)電效益影響因素也會與常規(guī)陸面光伏電站不同,但目前關(guān)于“漁光互補(bǔ)”光伏電站發(fā)電效益的氣象影響因素研究尚不多見,尤其是太陽輻射對其影響規(guī)律尚不清楚．

本文以江蘇寶應(yīng)生態(tài)漁業(yè)光伏發(fā)電“領(lǐng)跑者”示范基地為研究對象,詳細(xì)分析太陽輻射對該地區(qū)光伏發(fā)電效益的影響規(guī)律,為提高漁光互補(bǔ)光伏電站太陽能利用效益和功率預(yù)報(bào)準(zhǔn)確率提供技術(shù)支持．

1 研究區(qū)概況

寶應(yīng)光伏發(fā)電示范基地是國家能源局批復(fù)的第三批全國10個(gè)領(lǐng)跑基地之一,位于江蘇省揚(yáng)州市寶應(yīng)縣,亞熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,多

年平均降水量966 mm,日照時(shí)數(shù)2 181 h,年平均氣溫14.4 ℃,全年無霜期260 d．基地占地面積為4 267 hm2,采用“漁光互補(bǔ)”開發(fā)方式,在魚塘水面上方架設(shè)光伏面板陣列,光伏面板下方水域可以進(jìn)行魚蝦養(yǎng)殖等漁業(yè)活動．基地光伏電站建設(shè)容量為500 MW,面板安裝傾角為30°．

2 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理

本文數(shù)據(jù)資料主要來自寶應(yīng)光伏發(fā)電示范基地中廣核柳堡電站2019年逐日光伏發(fā)電資料,該電站共裝設(shè)317 462塊315 W高效單晶雙面P型半片,華為70和100 kW逆變器分別為1 015臺和172臺,裝機(jī)容量100 MW．氣象數(shù)據(jù)來自于寶應(yīng)縣氣象局(119.18°E,33.14°N)和基地電站實(shí)際觀測數(shù)據(jù)(119.69°E,33.28°N)．發(fā)電效益數(shù)據(jù)主要選擇日實(shí)際發(fā)電量、日并網(wǎng)最大功率、月實(shí)際發(fā)電量、月發(fā)電峰值等4個(gè)指標(biāo),其中：月實(shí)際發(fā)電量為每月日實(shí)際發(fā)電量之和,月發(fā)電峰值為每月日并網(wǎng)最大功率之和;太陽輻射數(shù)據(jù)主要選擇日平均輻照度(Ravg)、日最大輻照度(Rmax)、日累計(jì)輻照量(Rsum)、日有效利用小時(shí)數(shù)(H)等4個(gè)指標(biāo)．由于可能會遇到設(shè)備故障進(jìn)行組件檢修或不可控氣象災(zāi)害影響,光伏面板并非時(shí)刻處于正常運(yùn)行狀態(tài),使得自動采集的某些數(shù)據(jù)存在較大偏差,出現(xiàn)部分資料缺失或異常情況,本文對環(huán)境觀測資料和運(yùn)行日志數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理,剔除故障數(shù)據(jù)和疑誤數(shù)據(jù),并采用插值法進(jìn)行數(shù)據(jù)補(bǔ)全.為了更加客觀地反映輻射指標(biāo)對發(fā)電效益的影響,本文采用氣象站和電站實(shí)際觀測值的平均值進(jìn)行分析．

3 結(jié)果與分析

3.1 發(fā)電效益指標(biāo)年內(nèi)變化特征

不同月份并網(wǎng)最大功率與發(fā)電量分布如圖1所示．平均月發(fā)電峰值為68.0 MW,而9月的發(fā)電峰值最大,較均值提高了16.2%,1月發(fā)電峰值最小,較均值降低了37.4% (圖1a)．月發(fā)電峰值超過70 MW的月份還有3月、6月、7月、8月、10月．從月發(fā)電峰值的標(biāo)準(zhǔn)差可以看出,6月的發(fā)電峰值波動最小,而2月波動最大．總體而言,月發(fā)電峰值波動與季節(jié)相關(guān)性較高,5—10月夏秋季波動幅度較小,其他月份波動幅度較大．與月發(fā)電峰值規(guī)律類似,3月和6—9月的月發(fā)電量較高,均超過了400 MW,而1月的月發(fā)電量最低,僅為159 MW(圖1b),但1月發(fā)電量波動最小,穩(wěn)定性最好．

圖1 逐月并網(wǎng)最大功率值與實(shí)際發(fā)電量統(tǒng)計(jì)特征Fig.1 Statistics of peak grid-connected power and actual power generation in each month

3.2 全年尺度下日發(fā)電量及峰值與輻射指標(biāo)回歸分析

日并網(wǎng)功率最大值與太陽輻射指標(biāo)之間呈現(xiàn)明顯對數(shù)關(guān)系(圖2)．日并網(wǎng)功率最大值與平均輻照度、最大輻照度和日累計(jì)輻照量之間相關(guān)性較高,相關(guān)系數(shù)均超過了0.80,說明隨輻射強(qiáng)度的增加,日并網(wǎng)功率最大值呈先急劇增加后逐漸趨緩的自然對數(shù)關(guān)系,但并網(wǎng)峰值上線閾值在90 MW左右;日并網(wǎng)功率最大值與日有效利用小時(shí)數(shù)之間相關(guān)度與前述3項(xiàng)指標(biāo)相比較弱,擬合效果較差,R2僅為0.70．因此,在該地區(qū)開展光伏發(fā)電功率預(yù)測和前期太陽能資源開發(fā)利用評估時(shí),可采用平均輻照度、最大輻照度、日累計(jì)輻照量3個(gè)指標(biāo)作為參考指標(biāo),其預(yù)測和評估結(jié)果要比采用太陽總輻射、直射輻射更為合理;另外,可以通過平均輻照度、最大輻照度和日累計(jì)輻照量等指標(biāo)來估算最大并網(wǎng)峰值．

圖2 日并網(wǎng)最大功率值與太陽輻射指標(biāo)的散點(diǎn)圖Fig.2 Scatter plot of daily peak grid-connected power and solar radiation indices

與日并網(wǎng)功率最大值規(guī)律不同,日實(shí)際發(fā)電量與太陽輻射相關(guān)指標(biāo)呈現(xiàn)線性關(guān)系(圖3)．日實(shí)際發(fā)電量與平均輻照度呈顯高度線性關(guān)系,平均輻照度每增加100個(gè)單位,日實(shí)際發(fā)電量增加10個(gè)單位．日累計(jì)輻照量、日有效利用小時(shí)數(shù)和日實(shí)際發(fā)電量之間的關(guān)系與平均輻照度類似,線性關(guān)系較為明顯,擬合趨勢線方程R2均超過0.95．最大輻照度與日實(shí)際發(fā)電量之間相關(guān)性較低,R2僅為0.55,這主要是因?yàn)槿諏?shí)際發(fā)電量由全天累計(jì)輻照量大小決定,而最大輻照度的影響時(shí)段較短,無法反映整天陽光輻射的情況．因此在進(jìn)行資源評估和發(fā)電總量預(yù)測時(shí),可采用平均輻照度和日累計(jì)輻射量兩個(gè)指標(biāo)進(jìn)行資源評估和遠(yuǎn)景預(yù)估．

圖3 日實(shí)際發(fā)電量與太陽輻射指標(biāo)的散點(diǎn)圖Fig.3 Scatter plots of daily power generation and solar radiation indices

3.3 不同月份峰值及發(fā)電量與輻射指標(biāo)相關(guān)分析

不同月份并網(wǎng)功率最大值與太陽輻射指標(biāo)相關(guān)分析結(jié)果如表1所示．平均輻照度、最大輻照度和日累計(jì)輻照量與日并網(wǎng)功率峰值之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系,相關(guān)性均通過了0.01顯著性水平,但除了最大輻照度在3—5月、11—12月相關(guān)系數(shù)超過0.9以外,其他各指標(biāo)相關(guān)系數(shù)均未超過0.9,這種結(jié)果與實(shí)際相符,因?yàn)樵伦畲筝椪斩雀叩蜎Q定月并網(wǎng)峰值大小,而平均輻照度、累計(jì)輻照量大小則主要決定月實(shí)際發(fā)電量高低．但從表1分析發(fā)現(xiàn),1—4月和8—12月日并網(wǎng)功率峰值與日有效利用小時(shí)數(shù)之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系,而5—7月相關(guān)性卻不顯著,尤其是在5月日并網(wǎng)功率峰值與日有效利用小時(shí)數(shù)呈負(fù)相關(guān)關(guān)系,與實(shí)際規(guī)律差異較大,其中原因待進(jìn)一步研究．

表1 不同月份日并網(wǎng)功率最大值與太陽輻射指標(biāo)相關(guān)分析

注:**表明在0.01水平上顯著相關(guān);*表明在0.05 水平上顯著相關(guān)．

不同月份發(fā)電量與輻射指標(biāo)相關(guān)分析結(jié)果如表2所示．從表2發(fā)現(xiàn)：該地區(qū)月實(shí)際發(fā)電量與平均輻照度呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān),除了1—3月外,其他月份相關(guān)系數(shù)都超過0.9;最大輻照度與月實(shí)際發(fā)電量之間也呈現(xiàn)出較強(qiáng)相關(guān)性,但和其他3個(gè)指標(biāo)相比,其相關(guān)系數(shù)相對較小,全年都未達(dá)到0.9,這種情況與理論實(shí)際都比較一致,因?yàn)樽畲筝椪斩戎粵Q定每個(gè)月最大發(fā)電量值,不能決定月發(fā)電量;月累計(jì)輻照度與月實(shí)際發(fā)電量之間呈現(xiàn)出極顯著正相關(guān)性,除了1月和3月,其他月份相關(guān)系數(shù)都超過了0.9；和其他幾個(gè)輻射因子相比,月有效利用時(shí)數(shù)和月實(shí)際發(fā)電量之間相關(guān)性出現(xiàn)異常,4—7月與實(shí)際發(fā)電量之間相關(guān)性不顯著,其中5月出現(xiàn)了負(fù)相關(guān),而1—2月和8—12月日發(fā)電量與日有效利用小時(shí)數(shù)之間呈顯著正相關(guān)關(guān)系,月有效利用時(shí)數(shù)與并網(wǎng)峰值相關(guān)性分析呈現(xiàn)出同樣結(jié)果．這一方面可能是該電站這幾個(gè)月日有效利用時(shí)數(shù)指標(biāo)觀測出現(xiàn)問題或者觀測設(shè)備出現(xiàn)問題,應(yīng)及時(shí)檢查檢驗(yàn)觀測數(shù)據(jù)和設(shè)備;另一個(gè)方面也可能是在電站設(shè)計(jì)、評估、功率預(yù)報(bào)和遠(yuǎn)景評估時(shí),采用平均輻照度、累計(jì)輻照度能客觀反映電站實(shí)際發(fā)電情況,能更科學(xué)地為發(fā)電企業(yè)提供可參考的決策支持.另外,建于水面之上的漁光互補(bǔ)光伏電站,夏季高溫容易引起周圍空氣濕度變大,消減太陽輻射強(qiáng)度,使得水面對輻射反射等引起異常．

表2 不同月份實(shí)際發(fā)電量與太陽輻射指標(biāo)相關(guān)分析

3.4 不同月份峰值及實(shí)際發(fā)電量與不同輻射指標(biāo)回歸分析

不同月份日并網(wǎng)功率最大值與太陽輻射指標(biāo)的回歸分析結(jié)果如表3所示,可以發(fā)現(xiàn)日并網(wǎng)功率最大值與輻射指標(biāo)呈顯著對數(shù)關(guān)系,其中影響1月、3月、5—9月和11—12月日并網(wǎng)功率最大值的關(guān)鍵輻射指標(biāo)為最大輻照度,日并網(wǎng)功率最大值與最大輻照度呈顯著自然對數(shù)關(guān)系,除1月、6月和11月外,其余月份R2均超過了0.80．影響2月和10月日并網(wǎng)功率最大值的關(guān)鍵輻射指標(biāo)為日有效利用小時(shí)數(shù),而影響4月日并網(wǎng)功率最大值的關(guān)鍵輻射指標(biāo)為日累計(jì)輻照量．

表3 逐月并網(wǎng)功率最大值回歸分析

不同月份發(fā)電量與太陽輻射指標(biāo)的回歸分析結(jié)果如表4所示,可以發(fā)現(xiàn),發(fā)電量與太陽輻射指標(biāo)呈顯著線性相關(guān),擬合度均較高．影響1—3月和8—12月發(fā)電量的關(guān)鍵輻射指標(biāo)是有效利用小時(shí)數(shù),隨著有效利用小時(shí)數(shù)增加,發(fā)電量呈線性增加趨勢;而影響4—7月發(fā)電量的關(guān)鍵輻射指標(biāo)為累計(jì)輻照量,發(fā)電量隨累計(jì)輻照量增加而線性增加．從以上研究發(fā)現(xiàn),影響該地區(qū)月發(fā)電量的主要輻射因子為有效利用小時(shí)數(shù)和累計(jì)輻照量．

表4 逐月實(shí)際發(fā)電量回歸分析

4 結(jié)論與討論

太陽輻射對漁光互補(bǔ)發(fā)電效益影響顯著,且不同月份輻射指標(biāo)對發(fā)電效益影響存在明顯差異.具體結(jié)論如下:

1)漁光互補(bǔ)光伏電站發(fā)電的實(shí)際效能存在顯著季節(jié)差異,其中夏秋季日并網(wǎng)峰值及發(fā)電量較大,且穩(wěn)定性較高,而冬春季發(fā)電效益和穩(wěn)定性較差．

2)全年尺度下日并網(wǎng)功率最大值與太陽輻射各指標(biāo)呈明顯的自然對數(shù)關(guān)系,而日發(fā)電量與太陽輻射呈明顯的線性關(guān)系．在該地區(qū)開展光伏發(fā)電功率預(yù)測和前期太陽能資源開發(fā)利用評估時(shí),可采用平均輻照度、最大輻照度、日累計(jì)輻照量3個(gè)指標(biāo)作為參考指標(biāo),其預(yù)測和評估結(jié)果要比采用太陽總輻射、直射輻射更為合理．

3)不同月份并網(wǎng)功率最大值和月發(fā)電量與太陽輻射指標(biāo)相關(guān)性不同,夏秋季與太陽輻射相關(guān)性較低,而冬春季與太陽輻射相關(guān)性較高．不同月份下并網(wǎng)功率最大值和月發(fā)電量均與平均輻照度、最大輻照度和日累計(jì)輻照量呈正相關(guān)關(guān)系．在電站設(shè)計(jì)、評估、功率預(yù)報(bào)和遠(yuǎn)景評估時(shí),采用平均輻照度、累計(jì)輻照度能客觀反映電站實(shí)際發(fā)電情況,能更科學(xué)地為發(fā)電企業(yè)提供可參考的決策支持.

4)影響不同月份并網(wǎng)功率最大值和發(fā)電量的關(guān)鍵輻射指標(biāo)略有差異．影響并網(wǎng)功率最大值月份最多的輻射指標(biāo)是日最大輻照度,而影響發(fā)電量月份最多的指標(biāo)是有效利用小時(shí)數(shù)．