基于GIS平臺的我國太陽能光伏發(fā)電潛力研究

王利珍， 譚洪衛(wèi)，， 莊 智， 雷 勇， 李 進(jìn)

（1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)綠色建筑及新能源研究中心，上海 200092；3.珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司，珠海 519060）

基于GIS平臺的我國太陽能光伏發(fā)電潛力研究

王利珍1， 譚洪衛(wèi)1，2， 莊 智2， 雷 勇1， 李 進(jìn)3

（1.同濟(jì)大學(xué)機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092；2.同濟(jì)大學(xué)綠色建筑及新能源研究中心，上海 200092；3.珠海興業(yè)綠色建筑科技有限公司，珠海 519060）

太陽能光伏（PV）系統(tǒng)在我國的應(yīng)用十分廣泛，但還缺乏其在不同區(qū)域的資源利用潛力分析.建立了太陽能光伏發(fā)電潛力評估方法，通過搭建實(shí)驗(yàn)臺研究3種常用太陽能光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率和環(huán)境參數(shù)的關(guān)系，并擬合出光伏效率方程.借助地理信息系統(tǒng)（GIS）平臺的空間分析功能研究我國各地太陽能輻射強(qiáng)度頻數(shù)和發(fā)電潛力空間分布.通過分析發(fā)現(xiàn)單晶硅組件在我國西北和北方地區(qū)高達(dá)200 kWh／（m2·a）以上，適宜發(fā)展PV系統(tǒng)，而西南地區(qū)僅約130 kWh／（m2·a），可以為各地發(fā)展太陽能和制定能源發(fā)展規(guī)劃提供參考.

太陽能資源；光伏系統(tǒng)；GIS平臺；效率方程

太陽能光伏發(fā)電在未來社會發(fā)展和能源結(jié)構(gòu)中將發(fā)揮重要作用.大規(guī)模開發(fā)和應(yīng)用太陽能光伏系統(tǒng)對逐步優(yōu)化能源結(jié)構(gòu)、節(jié)約常規(guī)能源、改善生態(tài)環(huán)境、解決能源短缺問題具有重大意義，開展太陽能資源評估研究已成為一項(xiàng)緊迫而重要的任務(wù).國內(nèi)外學(xué)者采用不同的方法，對太陽能資源進(jìn)行分析.國外一些學(xué)者借助GIS平臺對太陽能資源和太陽能規(guī)劃進(jìn)行了深入調(diào)查和研究，在GIS平臺下對資源的利用潛力進(jìn)行可視化分析.文獻(xiàn)［1-2］分別結(jié)合TRNSYS、3D城市模型等對太陽能光伏能源資源進(jìn)行分析；Izquierdo等［3］利用屋頂面積分布來研究評價(jià)大型光伏能源系統(tǒng)潛力；Rylatt，Gadsden等［4-6］開展了太陽能潛力研究.Ramachandra等［7］利用GIS系統(tǒng)繪制了潛力地圖；Kucuksari等［8］借助GIS尋找最優(yōu)PV工程最佳實(shí)施方案，為應(yīng)用提供參考；Sanchez等［9］采用多目標(biāo)決策和GIS相結(jié)合的方法對太陽能發(fā)電進(jìn)行了評價(jià)；Ramachandra等［10］利用空間地圖探討Karnataka州的太陽能潛力等；Sθrensen等［11］在衛(wèi)星資料基礎(chǔ)上采用GIS系統(tǒng)繪制太陽能資源地圖，開展太陽能光伏的應(yīng)用研究.我國已有學(xué)者開展太陽能資源和太陽能發(fā)電系統(tǒng)性能研究.周楊等［12］采用太陽總輻射和日照小時(shí)數(shù)對太陽能資源空間分布特征及資源潛力進(jìn)行評估；張春平、張華等［13-14］分別對太陽能熱發(fā)電系統(tǒng)和太陽能熱風(fēng)發(fā)電系統(tǒng)的空氣集熱器裝置進(jìn)行了試驗(yàn)研究.廖志凌等［15］建立了硅太陽電池非線性工程簡化數(shù)學(xué)模型.

本文作者首先提出結(jié)合太陽能光伏發(fā)電效率的資源潛力計(jì)算方法，然后搭建實(shí)驗(yàn)臺分析單晶硅、多晶硅、薄膜組件在相同環(huán)境條件下的轉(zhuǎn)換效率和環(huán)境參數(shù)的關(guān)系，最后研究我國各地的太陽能輻射強(qiáng)度頻數(shù)和發(fā)電潛力空間分布.

1 太陽能光伏資源評估方法

1.1 潛力評價(jià)

在我國，太陽能利用是依據(jù)4類地區(qū)的劃分標(biāo)準(zhǔn)，給出單位面積的太陽輻射強(qiáng)度值和日照小時(shí)數(shù)，未結(jié)合太陽能光伏發(fā)電潛力進(jìn)行評估.在工程應(yīng)用中為了簡化計(jì)算取平均值進(jìn)行年發(fā)電量估算［16］.

式中，Epv，out為年輸出功率，W；ηe為系統(tǒng)年平均轉(zhuǎn)換效率，%；G為年輻射量，W／m2；Apv，s為光伏系統(tǒng)有效面積，m2.

光伏系統(tǒng)的發(fā)電效率主要受輻射強(qiáng)度和電池片溫度的影響，其中輻射強(qiáng)度決定發(fā)電電流，電池片溫度主要影響發(fā)電電壓，而電池片溫度主要是由室外溫度、輻射強(qiáng)度綜合作用決定［17］.太陽能光伏系統(tǒng)在輻射強(qiáng)度不同時(shí)，實(shí)際上轉(zhuǎn)換效率是變化值.本文提出年輸出功率通過逐時(shí)輻射量和逐時(shí)轉(zhuǎn)換效率如公式（2）進(jìn)行積分運(yùn)算，比常規(guī)發(fā)電量計(jì)算軟件更精確.

式中，G（t）表示第t時(shí)刻的輻射強(qiáng)度，W／m2；η（t）表示第t時(shí)刻發(fā)電轉(zhuǎn)換效率.

目前，中國太陽能分布按全年輻射量和日照小時(shí)數(shù)來衡量太陽能資源分布.本文研究的太陽能光伏資源潛力是考慮光伏發(fā)電效率的太陽能資源潛力，其受G（t）和η（t）兩個(gè)因子的影響.

1.2 實(shí)驗(yàn)測試

1．2．1 系統(tǒng)概況

本實(shí)驗(yàn)平臺位于某學(xué)校大樓屋頂上，大樓周圍無遮擋，如圖1所示由單晶硅、多晶硅、薄膜3種電池組件構(gòu)成，組件參數(shù)見表1，光伏（photovoltaic，PV）系統(tǒng)產(chǎn)生的直流電通過逆變器轉(zhuǎn)化成交流電后與城市電網(wǎng)連接.

測試時(shí)每隔15 min采集一次數(shù)據(jù)，采集的數(shù)據(jù)主要包括輻射強(qiáng)度、室外溫度、室外風(fēng)速、電池板組件表面溫度、發(fā)電量等參數(shù).采用TBQ-2型輻照計(jì)測量太陽輻照，測試范圍為0～2 000 W／m2，信號輸出0～20 mV.T型熱電偶溫度傳感器測量空氣溫度和組件表面溫度，測試范圍為-40～350℃，精度為±0.5%.采用超聲波風(fēng)速儀測量室外風(fēng)速，測量風(fēng)速的分辨率為0.01 m／s，測量范圍為0～70 m／s，精度為±0.3 m／s，風(fēng)向的分辨率為1°，測量范圍為0～360°，精度為±2°.系統(tǒng)發(fā)電量采用帶有RS485通訊接口和MODBUS-RTU通訊協(xié)議的多功能電表.

圖1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)原理圖Fig.1 Diagram of the experimental system

表1 光伏組件主要特征參數(shù)Tab.1 Characteristic parameters of photovoltaic system

1．2．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

測試期間（2010年8月19日至9月16日）輻射強(qiáng)度與室外溫度T、環(huán)境風(fēng)速V數(shù)據(jù)如圖2所示.分析匯總PV系統(tǒng)逐時(shí)發(fā)電量與輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)，剔除實(shí)驗(yàn)誤差工況點(diǎn)，對采集的數(shù)據(jù)按式（3）計(jì)算光伏系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率，得到圖3（見下頁）.

圖2 上海地區(qū)輻射強(qiáng)度與室外溫度、環(huán)境風(fēng)速Fig.2 Radiation intensity，outdoor air temperature and wind velocity in Shanghai

由圖3可知，在相同環(huán)境參數(shù)下，單晶硅組件效率最高，依次是多晶硅和薄膜組件.輻射強(qiáng)度和轉(zhuǎn)換效率的關(guān)系總結(jié)如下：a.輻射強(qiáng)度與轉(zhuǎn)換效率之間存在一定的強(qiáng)相關(guān)性，不同組件轉(zhuǎn)換效率與輻射強(qiáng)度呈現(xiàn)同一規(guī)律；b.在低輻射強(qiáng)度下（小于100 W／m2），轉(zhuǎn)換效率增長較快，隨著輻射強(qiáng)度增加，轉(zhuǎn)換效率增速減慢；c.當(dāng)輻射強(qiáng)度達(dá)到200 W／m2后，轉(zhuǎn)換效率逐漸趨于穩(wěn)定.輻射強(qiáng)度大于500 W／m2時(shí)，組件表面溫度受輻射強(qiáng)度升高的影響導(dǎo)致轉(zhuǎn)換效率略呈降低趨勢.

測試數(shù)據(jù)中輻射強(qiáng)度在10 W／m2以下時(shí)轉(zhuǎn)換效率非常低，假定為弱輻射；對輻射強(qiáng)度介于10～200 W／m2和200 W／m2以上情況分別進(jìn)行轉(zhuǎn)換效率數(shù)據(jù)擬合，得到3種太陽能光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率計(jì)算式如下：

圖3 不同組件的轉(zhuǎn)換效率與輻射強(qiáng)度Fig.3 Conversion efficiency and radiation intensity of three kinds of PV systems

式中，ηmono表示單晶硅組件轉(zhuǎn)換效率；ηpoly表示多晶硅組件轉(zhuǎn)換效率；ηthin為薄膜組件轉(zhuǎn)換效率.當(dāng)轉(zhuǎn)換效率逐漸趨于穩(wěn)定，組件溫度和轉(zhuǎn)換效率分析如圖4所示.

組件表面溫度的升高會降低光伏系統(tǒng)轉(zhuǎn)換效率，可通過風(fēng)冷的方式降低組件表面溫度.對實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析發(fā)現(xiàn)，在相同的輻射強(qiáng)度和風(fēng)速條件下，室外氣溫變高轉(zhuǎn)換效率會降低；在相同的輻射強(qiáng)度和室外氣溫下，風(fēng)速越大越有利于光伏發(fā)電.

圖4 轉(zhuǎn)換效率與組件表面溫度Fig.4 Conversion efficiency vs the surface temperature of battery plate

1.3 上海地區(qū)太陽能光伏資源潛力評價(jià)

對上海地區(qū)全年8 760 h輻射強(qiáng)度進(jìn)行頻數(shù)分析，有4 418 h輻射強(qiáng)度為0，如圖5所示.在4 342 h中，28.9%的日照時(shí)數(shù)處于低效區(qū)（0～100 W／m2），17.7%處于近高效區(qū)（100～200 W／m2），53.4%處于高效區(qū)（200 W／m2以上），可見有71.1%為近高效區(qū)和高效區(qū).

圖5 上海全年輻射強(qiáng)度頻數(shù)和累積概率分布Fig.5 Frequency and cumulative probability distribution of annual radiation intensity in Shanghai

據(jù)式（2）和式（4）計(jì)算上海地區(qū)單晶硅、多晶硅和薄膜組件全年發(fā)電量分別為180.9，151.1，82.3 kWh／（m2·a）.

2 基于GIS平臺的太陽能發(fā)電潛力分析

作者采用《中國建筑熱環(huán)境分析專用氣象數(shù)據(jù)集》中270個(gè)氣象臺站的氣象數(shù)據(jù)，包括年輻射量、各站點(diǎn)全年水平面逐時(shí)輻射量參數(shù)，各站點(diǎn)總輻射小時(shí)數(shù)相差不大，穩(wěn)定在4 300～4 550 h之間.利用可再生能源在線監(jiān)測系統(tǒng)和光伏組件實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，研究太陽能輻射量和光伏系統(tǒng)發(fā)電量的特性等，用SQL編寫程序?qū)?70個(gè)站點(diǎn)全年水平面輻射量進(jìn)行小時(shí)數(shù)處理分析，將輻射小時(shí)數(shù)劃分為0～100 W／m2，100～200 W／m2，200 W／m2以上3個(gè)區(qū)間進(jìn)行輻射強(qiáng)度頻數(shù)分析，結(jié)果見圖6（a）～（c）.以常用單晶硅組件系統(tǒng)為例，采用式（2）和GIS平臺得到全國各地光伏發(fā)電潛力分布如圖6（d）所示.

圖6 我國太陽能輻射小時(shí)數(shù)和光伏發(fā)電潛力空間分布Fig.6 Spatial distribution of sunshine duration and PV power potential

利用GIS平臺克里金插值分析功能，對3個(gè)區(qū)間段太陽輻射強(qiáng)度的小時(shí)數(shù)和發(fā)電量潛力進(jìn)行空間分析.圖6（a）中西南部的四川、重慶、貴州、湖南等地，0～100 W／m2的低轉(zhuǎn)換效率輻射小時(shí)數(shù)達(dá)到1 300～1 600 h，遠(yuǎn)超過全年輻射小時(shí)數(shù)的1／3.圖6（b）和（c）中西北部大于200 W／m2的輻射小時(shí)數(shù)超過2 600 h. 圖6（d）中單晶硅組建全國發(fā)電量潛力分布在127～267.6 kWh／（m2·a）之間，西北和北方都具有較高的PV發(fā)電潛力，高達(dá)200 kWh／（m2·a）以上.

3 結(jié) 論

a.本研究搭建太陽能光伏系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)平臺，對測試結(jié)果數(shù)據(jù)進(jìn)行處理分析，得到單晶硅、多晶硅和薄膜電池組件系統(tǒng)的光伏效率方程.

b.作者分析了上海地區(qū)的太陽能輻射強(qiáng)度頻數(shù)分布，有71.1%的輻射強(qiáng)度小時(shí)數(shù)大于100 W／m2，屬于近高效和高效區(qū).

c.借助GIS平臺空間功能分析，對全國各地的太陽能輻射強(qiáng)度研究發(fā)現(xiàn)西北和北方大部分地區(qū)，輻射強(qiáng)度大于200 W／m2的小時(shí)數(shù)超過2 600 h，而西南地區(qū)約1 600 h.

d.以單晶硅組件為例，我國各地光伏發(fā)電潛力分布在127～267 kWh／（m2·a），其中西北和北方地區(qū)高達(dá)200 kWh／（m2·a）以上，適宜發(fā)展PV系統(tǒng)，而西南地方較低約130 kWh／（m2·a）.

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（編輯：丁紅藝）

Evaluation of the Photovoltaic Solar Energy Potential in China Based on GIS Platform

WANGLi-zhen1， TANHong-wei1，2， ZHUANGZhi2， LEIYong1， LIJin3
（1.College of Mechanical and Energy Engineering，Tongji University，Shanghai 200092，China；2.Research Center of Green Building&New Energy，Tongji University，Shanghai 200092，China；3.Zhuhai Singyes Green Building Technology Limited Company，Zhuhai 519060，China）

Solar photovoltaic（PV）systems are widely utilized in our country.However，the associated study about its resource potential analysis is still short of in variant districts.Based on the existed data about solar radiation and conversion efficiency，methods for photovoltaic potential assessment were established.An experiment platform for three common kinds of solar photovoltaic systems was developed for the purpose of analyzing the relationship between conversion efficiency and environmental parameters.A calculating formula for conversion efficiency and solar radiation intensity was fitted.With the help of the spatial analysis function of the geographic information system（GIS）platform，the frequency distribution of solar radiation intensity and the solar PV electricity potential in China were derived.The analytical results show that monocrystallinesilicon PV electricity in northwestern and northern areas have reached a level of more than 200 kWh／（m2·a），making those areas be suitable for the development of PV system.However，the potential in southwest areas reaches a level of only 130 kWh／（m2·a）.This can provide a baselinereference for solar energy development planning.

solar resource；photovoltaic system；GIS platform；conversion efficiency

TK 519文獻(xiàn)標(biāo)示碼：A

1007-6735（2014）05-0491-06

10.13255／j.cnki.jusst.2014.05.016

2014-06-03

中美潔凈能源國際合作項(xiàng)目（2010DFA72740-05）；“十二五”國家科技支撐計(jì)劃（2012BAJ15B03）

王利珍（1980-），女，博士研究生.研究方向：區(qū)域建筑能源規(guī)劃.E-mail：2009wanglizhen＠#edu.cn

譚洪衛(wèi)（1959-），男，教授.研究方向：建筑節(jié)能技術(shù)和可再生能源利用.E-mail：hw＿tan＠#edu.cn