侯敏 黃安寧 黃鶴 卜清軍 王國(guó)松 王彩霞

(1 天津市濱海新區(qū)氣象局，天津 300457;2 南京大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院， 南京 210023;3 天津市氣候中心，天津 300061;4 國(guó)家海洋信息中心，天津 300171)

引 言

太陽(yáng)能光伏發(fā)電技術(shù)是當(dāng)今世界可再生能源發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。天津生態(tài)城位于天津市濱海新區(qū)北部，是政府應(yīng)對(duì)全球氣候變化、節(jié)約資源能源、建設(shè)和諧社會(huì)的重大戰(zhàn)略性項(xiàng)目[1]。生態(tài)城優(yōu)先發(fā)展可再生能源，綜合利用風(fēng)能、太陽(yáng)能、地?zé)崮艿染G色能源，減少對(duì)環(huán)境的影響。

太陽(yáng)能作為常規(guī)能源的補(bǔ)充，充分利用太陽(yáng)能資源是生態(tài)城建設(shè)的重要部分[2-4]。至今生態(tài)城已完成9.27 MW太陽(yáng)能光伏電站的建設(shè)，并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。而太陽(yáng)輻射是太陽(yáng)能熱利用、建筑設(shè)計(jì)等的基本參數(shù)之一[5-6]。為了更多地獲取太陽(yáng)能資源，通常將太陽(yáng)能電池板傾斜放置，但目前氣象臺(tái)站僅開(kāi)展了水平面上的太陽(yáng)輻射觀測(cè)，觀測(cè)到的只是水平面上的太陽(yáng)輻射，而對(duì)于光伏電站也極少配備與太陽(yáng)能電池板傾角一致的傾斜面太陽(yáng)輻射觀測(cè)，此外，中尺度數(shù)值天氣模式提供的未來(lái)72 h逐時(shí)地面太陽(yáng)輻射亦為水平面上，因此，光伏電站在實(shí)際運(yùn)行過(guò)程中所采用的有效輻射——傾斜面上的太陽(yáng)輻射，需要通過(guò)計(jì)算模型[7-13]計(jì)算得到。

傾斜面太陽(yáng)輻射計(jì)算模型的建立一般基于幾何光學(xué)理論，主要是考慮直接輻射和散射輻射，在沒(méi)有直接輻射和散射輻射觀測(cè)的情況下，引入直射比對(duì)總輻射進(jìn)行“直散分離”是行之有效的方法，但由于近年來(lái)，受氣候變化和城市化影響，京津冀地區(qū)霧霾頻發(fā)，嚴(yán)重影響了直接輻射和散射輻射在總輻射中的比例，因此，需要討論模型在生態(tài)城的適用性，這對(duì)京津冀地區(qū)的太陽(yáng)能利用具有一定指導(dǎo)意義。

為評(píng)估生態(tài)城太陽(yáng)能資源，更準(zhǔn)確地為生態(tài)城光伏發(fā)電提供專業(yè)氣象服務(wù)和對(duì)策研究，濱海新區(qū)氣象局與天津市氣象局合作開(kāi)展了生態(tài)城太陽(yáng)能資源觀測(cè)實(shí)驗(yàn)、生態(tài)城光伏發(fā)電量預(yù)報(bào)預(yù)測(cè)關(guān)鍵技術(shù)研究、評(píng)估和服務(wù)工作。本文利用生態(tài)城太陽(yáng)能觀測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，深入分析太陽(yáng)輻射特征以及天氣條件對(duì)太陽(yáng)輻射的影響，并討論不同模型計(jì)算得到的傾斜面太陽(yáng)輻射的效果及誤差來(lái)源。

1 觀測(cè)實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

1.1 場(chǎng)地與儀器介紹

太陽(yáng)能輻射站設(shè)在生態(tài)城污水處理廠屋頂，四周空曠、無(wú)高大建筑和白色反射體，觀測(cè)站配有兩臺(tái)太陽(yáng)總輻射傳感器(圖1)，一臺(tái)水平放置，一臺(tái)傾斜放置(朝向正南，傾角為21.5°，與太陽(yáng)能電池板相同)，型號(hào)均為T(mén)BQ-2-B(北京華創(chuàng)風(fēng)云科技有限責(zé)任公司)，光譜范圍300～3 000 nm，輻射范圍 0～2 000 W·m-2，年穩(wěn)定度小于±2%，余弦響應(yīng)≤7%(太陽(yáng)高度角10°時(shí))，采樣時(shí)間間隔1 min。為保證觀測(cè)數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，安裝前對(duì)兩臺(tái)傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)和同步觀測(cè)，觀測(cè)期間定期對(duì)傳感器玻璃罩面進(jìn)行除塵和擦拭，避免因傳感器積灰造成觀測(cè)誤差。

圖1 TBQ-2-B太陽(yáng)總輻射表儀器

1.2 數(shù)據(jù)處理與方法

1.2.1 質(zhì)量控制

本文采用的觀測(cè)數(shù)據(jù)為2014年8月14日至2015年8月12日期間水平面太陽(yáng)輻照度和傾斜面太陽(yáng)輻照度09—16時(shí)(北京時(shí),下同)逐小時(shí)值。圖2a給出了水平面輻照度和傾斜面輻照度散點(diǎn)，總體上看兩者之間具有很好的一致性，相關(guān)系數(shù)為0.940，大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)分布在擬合趨勢(shì)線附近，但仍存在一小部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)偏離較大，均方根誤差為90.272，因此需要對(duì)觀測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。

文中采用的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法是：首先對(duì)水平面輻照度和傾斜面輻照度進(jìn)行線性擬合，然后將水平面輻照度作為自變量，利用擬合公式計(jì)算出對(duì)應(yīng)的傾斜面輻照度，并進(jìn)一步給出傾斜面輻照度實(shí)測(cè)值和計(jì)算值之間的差值和平均差值，最終剔除差值大于平均差值3倍的點(diǎn)。圖2b給出了經(jīng)過(guò)質(zhì)量控制后兩者的散點(diǎn)分布，可以看到兩者表現(xiàn)出非常好的一致性，且水平面輻照度和傾斜面輻照度的相關(guān)系數(shù)值升高為0.956，均方根誤差降至75.677。

圖2 水平面輻照度和傾斜面輻照度散點(diǎn)：(a)質(zhì)量控制前；(b)質(zhì)量控制后

對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制后，將逐小時(shí)的輻照度轉(zhuǎn)化為小時(shí)曝輻量，并將每日09—16時(shí)曝輻量累加作為該日總曝輻量，在此基礎(chǔ)上計(jì)算月平均曝輻量、季總曝輻量和年總曝輻量。為了更好地體現(xiàn)太陽(yáng)輻射的物理規(guī)律和季節(jié)特征，采用春分、夏至、秋分和冬至作為季節(jié)分界，即春季：3月22日—6月22日；夏季：6月23日—9月22日；秋季：9月23日—12月22日；冬季：12月23日—3月21日。

1.2.2 傾斜面太陽(yáng)輻射計(jì)算模型

傾斜面太陽(yáng)總輻射包括傾斜面接收到的直接輻射、散射輻射和反射輻射，其中直接輻射和反射輻射計(jì)算方法較簡(jiǎn)單，但對(duì)于散射輻射，因天空存在各向同性和各向異性的差異，所以計(jì)算模型有所不同。本文采用的一種是Klein[8]提出的各向同性模型，另一種是Hay[9]提出的各向異性計(jì)算模型。

(1)各向同性計(jì)算模型。傾斜面太陽(yáng)總輻射計(jì)算公式為：

，

(1)

其中：Hθ為傾斜面太陽(yáng)總輻射；Hb為水平面直接輻射；Rb為傾斜面直接輻射與水平面直接輻射的比值；H為水平面太陽(yáng)總輻射；θ為斜面傾角；ρ為地面反射率。

Rb計(jì)算公式為：

(2)

其中:W為太陽(yáng)赤緯；h為地理緯度；ksr為傾斜面上的日出時(shí)角；kss為傾斜面上的日落時(shí)角；V為斜面方位角；ks為水平面上的日落時(shí)角。

ksr和kss計(jì)算公式為：

(3)

(4)

(2)各向異性計(jì)算模型。傾斜面太陽(yáng)總輻射計(jì)算公式為：

(5)

式中：Ho為大氣層頂天文輻射。

(3)“直散分離”計(jì)算方法

采用Erbs[14]提出的“直射比”的方法實(shí)現(xiàn)總輻射的“直散分離”。直射比定義為直接輻射在總輻射中所占的比例，其計(jì)算方法如下：

，

(6)

式中：A為直射比。直射比可用大氣透明度系數(shù)來(lái)表示。大氣透明度系數(shù)為地面實(shí)際觀測(cè)到的總輻射與大氣層頂天文輻射的比值，其與直射比的關(guān)系如下：

(7)

式中：kT為大氣透明度系數(shù)；a0、a1、c0、c1、c2、c3、c4為回歸方程的擬合系數(shù)，無(wú)量綱，a0=0.09,a1=0.835,c0=0.048 9,c1=0.160 4,c2=4.388,c3=16.638,c4=12.366；b0、b1為分段擬合的劃分區(qū)間系數(shù)，無(wú)量綱,b0=0.22,b1=0.80。

1.2.3 傾斜面太陽(yáng)輻射計(jì)算模型評(píng)估

評(píng)估不同計(jì)算模型時(shí)，采用相對(duì)誤差、相關(guān)系數(shù)、平均偏差、均方根誤差和t-統(tǒng)計(jì)量5種統(tǒng)計(jì)學(xué)測(cè)試方法[7]。其中，平均偏差為計(jì)算值與觀測(cè)值差值的平均值，值越接近于0，模型的準(zhǔn)確度越高，均方根誤差是用來(lái)檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，值越小，模型精密度越高[15-18]。但由于平均偏差和均方根誤差的固有缺陷，會(huì)出現(xiàn)平均偏差大(小)而均方根誤差小(大)同時(shí)存在的結(jié)果，因此引入t-統(tǒng)計(jì)量[19]，將平均偏差和均方根誤差都考慮在內(nèi)，對(duì)模型的評(píng)估更有說(shuō)服力，值越小表明算法性能越好。

2 結(jié)果分析

2.1 生態(tài)城太陽(yáng)輻射基本特征

圖3給出了生態(tài)城水平面和傾斜面曝輻量月均值的年時(shí)間序列。整體上二者變化均呈單峰型分布，最大值出現(xiàn)在5月，最小值出現(xiàn)在1月；6月，兩者同時(shí)相對(duì)較低，而7月又有所增加，根據(jù)2015年歷史資料分析發(fā)現(xiàn)，5月和7月月日照時(shí)數(shù)分別為300.1 h和232.8 h，均比歷年平均值高，日照偏多，而6月月日照時(shí)數(shù)為227.2 h，比歷年平均值低，日照偏少；另外，降水方面，5月出現(xiàn)9次降水天氣過(guò)程，6月出現(xiàn)14次，降水天氣對(duì)太陽(yáng)輻射影響較大，從而導(dǎo)致6月曝輻量偏低。4—9月，水平面曝輻量普遍高于傾斜面，3月和10月兩者大小相當(dāng)，其他月份傾斜面曝輻量則明顯高于水平面。因此對(duì)于電站來(lái)說(shuō)，采用水平面總輻射觀測(cè)進(jìn)行月發(fā)電量評(píng)估并不十分準(zhǔn)確。此外，從年總曝輻量(表1)也可以看到，水平面總曝輻量比傾斜面高出124.2 MJ·m-2。季節(jié)上，總曝輻量總體表現(xiàn)為：春季>夏季>冬季>秋季，春、夏季水平面總曝輻量大于傾斜面，而秋、冬季則相反。從以上分析可知，觀測(cè)到的水平面曝輻量和傾斜面曝輻量在月平均、季節(jié)和年總量上存在較大差異，對(duì)于光伏電站來(lái)說(shuō)，僅僅利用水平面輻射觀測(cè)進(jìn)行發(fā)電量的月、季節(jié)和年的評(píng)估和預(yù)估必然會(huì)導(dǎo)致較大偏差，因此，為準(zhǔn)確評(píng)估電站地點(diǎn)的太陽(yáng)能資源和光伏發(fā)電量，應(yīng)開(kāi)展至少1 a的平行于太陽(yáng)能電池板的傾斜面輻射觀測(cè)。

圖3 生態(tài)城水平面曝輻量和傾斜面曝輻量年變化

表1 年總曝輻量和不同季節(jié)總曝輻量

圖4給出了晴天、少云、多云、陰天和雨天5種不同天氣條件下傾斜面輻照度日變化曲線，其中，日間沒(méi)有特殊天氣現(xiàn)象、日平均總云量小于30%、能見(jiàn)度大于15 km記為晴天，日平均總云量30%～50%記為少云，日平均總云量60%～90%記為多云，日平均總云量大于90%記為陰天，當(dāng)白天有持續(xù)降水時(shí)則記為雨天。可以看到，晴天和少云條件下，全天輻照度均維持在較高水平，16時(shí)最小，12時(shí)最大，日變化為光滑拋物線型，說(shuō)明晴天和少云天氣太陽(yáng)輻射充足、利用率大，日變化緩慢且穩(wěn)定，并網(wǎng)發(fā)電時(shí)對(duì)電網(wǎng)的沖擊??；多云和陰天條件下，輻照度明顯低于晴天和少云，日變化均呈現(xiàn)鋸齒狀分布，波動(dòng)幅度較大，若并網(wǎng)發(fā)電將對(duì)電網(wǎng)帶來(lái)一定沖擊；雨天輻照度最低，基本維持在200 W·m-2以下，且日變化不明顯，說(shuō)明雨天太陽(yáng)能利用率低，此時(shí)電站需要調(diào)整供電計(jì)劃，同時(shí)開(kāi)展對(duì)電網(wǎng)的維護(hù)維修。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，晴天或少云條件下，輻照度在12時(shí)達(dá)到最大，多云、陰天、雨天條件下，輻照度均在13時(shí)達(dá)到最大。影響太陽(yáng)輻射的因素主要有太陽(yáng)高度角、云層覆蓋率、氣溫、相對(duì)濕度和地表溫度等。晴天或少云情況下，受太陽(yáng)高度角影響最大，太陽(yáng)高度角一般在正午時(shí)刻達(dá)到最大，因此太陽(yáng)輻射一般在12時(shí)左右達(dá)到峰值，而云量較多情況下，首先太陽(yáng)高度角的影響降低，云層對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減作用使得輻照度偏低，另外地表溫度是太陽(yáng)輻射對(duì)地表影響的直接表現(xiàn)，地面吸收太陽(yáng)輻射能之后，再通過(guò)輻射、傳導(dǎo)和對(duì)流將所獲得的熱量傳給大氣，進(jìn)而使大氣溫度升高，最終影響太陽(yáng)輻射，而這一系列熱量輸送過(guò)程可能就是在多云、陰天、雨天等天氣條件下斜面輻照度峰值出現(xiàn)時(shí)刻滯后的原因[20]。

圖4 生態(tài)城典型天氣條件下傾斜面輻照度日變化

總之，太陽(yáng)輻射的日變化存在一定的隨機(jī)性、波動(dòng)性，這些對(duì)電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有影響，因此電力系統(tǒng)需要根據(jù)不同天氣狀況及時(shí)調(diào)整發(fā)電計(jì)劃，制定常規(guī)能源發(fā)電和光伏發(fā)電規(guī)劃，減少備用旋轉(zhuǎn)容量，從而使電力系統(tǒng)保持穩(wěn)定，減少資源的浪費(fèi)。

2.2 傾斜面太陽(yáng)輻射計(jì)算模型評(píng)估

由上文分析可知，水平面曝輻量和傾斜面曝輻量之間無(wú)論是在月平均上還是在季節(jié)和年總量上均存在較大的差異，因此利用傾斜面曝輻量對(duì)光伏電站發(fā)電量進(jìn)行評(píng)估和預(yù)估更為合理，但一般情況下，光伏電站建站前太陽(yáng)能資源評(píng)估和發(fā)電量預(yù)估工作中，沒(méi)有開(kāi)展長(zhǎng)期的傾斜面輻射觀測(cè)，更多的則是采用當(dāng)?shù)貧庀蟛块T(mén)提供的水平面太陽(yáng)輻射數(shù)據(jù)，結(jié)合各向同性或各向異性傾斜面計(jì)算模型開(kāi)展評(píng)估工作，這必然涉及到兩種模型的計(jì)算精度問(wèn)題，因此，本文利用生態(tài)城1 a的水平面和傾斜面總輻射的觀測(cè)資料，評(píng)估兩種模型的計(jì)算精度，并深入分析造成誤差的原因。

表2給出了兩種模型計(jì)算得到的傾斜面輻射值與實(shí)測(cè)值之間的相關(guān)系數(shù)、平均偏差、均方根誤差和t-統(tǒng)計(jì)量的結(jié)果。可以看到，兩種模型的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差基本沒(méi)有差異，但各向異性模型的平均偏差絕對(duì)值和t-統(tǒng)計(jì)量更小，因此總體上兩種模型計(jì)算效果相當(dāng)，各向異性模型稍好，在實(shí)際應(yīng)用中選擇任意一種模型進(jìn)行傾斜面太陽(yáng)輻射計(jì)算均可行。但是兩種模型計(jì)算結(jié)果相對(duì)于實(shí)測(cè)值仍存在較大誤差(圖5)，對(duì)于各向異性計(jì)算模型，雖然相對(duì)誤差小于30%的比例達(dá)到90%，但是相對(duì)誤差小于10%的比例僅為28%，此外，仍有10%的結(jié)果相對(duì)誤差超過(guò)30%，甚至更高，且經(jīng)統(tǒng)計(jì)可得計(jì)算值的絕對(duì)差值范圍在-271～137 W·m-2之間。

表2 兩種模型傾斜面輻射計(jì)算值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖5 兩種計(jì)算模型相對(duì)誤差統(tǒng)計(jì)

因此，雖模型計(jì)算效果總體表現(xiàn)較好，但仍存在一定程度的誤差，需要進(jìn)一步分析誤差成因，從而對(duì)計(jì)算模型進(jìn)行一定的優(yōu)化。本文在對(duì)水平面總輻射進(jìn)行“直散分離”時(shí)，引入了直射比的概念，并在缺乏直接輻射和散射輻射的情況下，采用Erbs[14]的方法：通過(guò)建立的直射比和大氣透明度系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式以及擬合所得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)直射比的計(jì)算。這種方法本身就是一個(gè)基于統(tǒng)計(jì)理論的概念模型，且數(shù)據(jù)樣本均采用國(guó)外的數(shù)據(jù)，而且僅僅是一段時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其普適性和準(zhǔn)確性有待論證。因此，本文利用前面的計(jì)算結(jié)果，分別評(píng)估了不同季節(jié)不同大氣透明度條件各向異性模型的計(jì)算誤差(表3)。可以看到，kT<0.22時(shí)，4個(gè)季節(jié)的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.99以上，平均偏差、均方根誤差和t-統(tǒng)計(jì)量相對(duì)于kT>0.22時(shí)均是最小的，說(shuō)明模型計(jì)算精度高，直射比經(jīng)驗(yàn)公式具有普適性；0.22≤kT≤0.8時(shí)，各季節(jié)相關(guān)系數(shù)略有下降，均方根誤差達(dá)到80 W·m-2，值得注意的是平均偏差在春夏和秋冬季出現(xiàn)了完全相反的情況，春夏季呈現(xiàn)正偏差，模型有高估的情況，秋冬季呈現(xiàn)負(fù)偏差，模型有低估的情況，因此，當(dāng)0.22≤kT≤0.8時(shí)模型普適性欠佳，需要?jiǎng)澐植煌竟?jié)并針對(duì)每個(gè)季節(jié)特點(diǎn)對(duì)直射比計(jì)算模型的系數(shù)作進(jìn)一步的修正，以期得到更高精度的計(jì)算結(jié)果；kT>0.8時(shí)，出現(xiàn)與0.22≤kT≤0.8一致的情況，并且在秋冬季平均偏差和均方根誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其他情況。

表3 不同大氣透明度條件下各向異性計(jì)算誤差

綜上，計(jì)算模型中引入的直射比分段計(jì)算函數(shù)和相應(yīng)系數(shù)并非在所有季節(jié)和大氣透明度系數(shù)條件下均表現(xiàn)出很好的普適性和準(zhǔn)確性，在電站實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)在開(kāi)展水平面和傾斜面輻射觀測(cè)的基礎(chǔ)上，對(duì)模型的普適性進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)計(jì)算系數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修正，以獲得更加精確的傾斜面輻射計(jì)算結(jié)果。

3 結(jié)論

本文利用2014年8月14日到2015年8月12日天津生態(tài)城太陽(yáng)能觀測(cè)站和同期氣象觀測(cè)資料，對(duì)水平面和傾斜面太陽(yáng)輻射特征進(jìn)行了分析，并對(duì)傾斜面太陽(yáng)輻射的計(jì)算模型進(jìn)行了評(píng)估和探究。主要結(jié)論如下：

(1)生態(tài)城水平面和傾斜面太陽(yáng)輻射在月、季、年不同時(shí)間尺度上均存在明顯差異，用水平面輻射觀測(cè)進(jìn)行太陽(yáng)能資源評(píng)估不夠精確，應(yīng)該開(kāi)展近1 a的平行于太陽(yáng)能板的傾斜面輻射觀測(cè)。

(2)不同天氣條件下太陽(yáng)輻射特征差異明顯，電站應(yīng)根據(jù)不同天氣調(diào)整發(fā)電策略，尤其應(yīng)注意多云或陰天造成的發(fā)電功率的間歇性和不穩(wěn)定。

(3)兩種傾斜面太陽(yáng)輻射計(jì)算模型精度相當(dāng)，計(jì)算效果總體較好，但仍存在誤差。“直射比”經(jīng)驗(yàn)公式和相關(guān)系數(shù)的普適性較差，在電站實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)在開(kāi)展水平面和傾斜面輻射觀測(cè)的基礎(chǔ)上對(duì)其普適性進(jìn)行評(píng)估，并根據(jù)實(shí)際情況對(duì)計(jì)算系數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修正。