太陽能開發(fā)利用氣象保障服務(wù)進展綜述

湖北省氣象服務(wù)中心 湖北省氣象能源技術(shù)開發(fā)中心 ■ 王林 陳正洪 成馳

0 引言

2014年11月，IPCC公布的第五次評估報告(AR5)中指出，1880～2012年，全球地表平均氣溫約上升了0.85 ℃[1]。而正是由于化石燃料的燃燒排放，使得大氣中CO2濃度比工業(yè)革命前的水平上升了40%[2]。因此，隨著世界各國環(huán)保意識的不斷增強，以及對能源需求的不斷增長，可再生能源的推廣和應(yīng)用已不可避免。

我國面臨著越來越大的溫室氣體減排壓力，合理開發(fā)利用太陽能，促進低碳技術(shù)和低碳經(jīng)濟發(fā)展，實現(xiàn)節(jié)能減排是保護環(huán)境的一項重要措施。加強我國太陽能資源監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)，開展資源監(jiān)測、評估技術(shù)、工程應(yīng)用技術(shù)，推進光伏電站氣象預(yù)警服務(wù)，以及各種技術(shù)規(guī)范的研究開發(fā)和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范制定勢在必行。

太陽能是一種環(huán)保、安全、無污染的可再生能源，其開發(fā)利用受到許多國家的高度重視，是未來能源發(fā)展的重點。太陽能又屬于氣候資源，其時空變化與氣象因素密切相關(guān)，開發(fā)利用的全過程離不開健全的氣象保障服務(wù)，如太陽能資源的監(jiān)測與評估、光伏發(fā)電功率預(yù)報、光伏電站選址規(guī)劃、光伏電站氣象災(zāi)害評估等[3]。因此，近年來部分先進國家結(jié)合氣象高科技產(chǎn)品，采用較為先進的服務(wù)手段，促使太陽能開發(fā)利用的氣象保障服務(wù)迅速發(fā)展。

1 國外太陽能資源氣象服務(wù)現(xiàn)狀

太陽能資源開發(fā)利用，依靠的就是氣象要素之一的太陽輻射，因此對氣象服務(wù)的需求是多方面的，基本貫穿整個光伏生命周期過程，包括太陽能資源監(jiān)測及評估、氣象風(fēng)險評估、太陽能發(fā)電功率預(yù)報、氣象災(zāi)害預(yù)警、光伏電站性能評估(后評估)等[4,5]。

1.1 太陽能資源監(jiān)測網(wǎng)及數(shù)據(jù)庫建設(shè)

世界輻射數(shù)據(jù)中心(WRDC)具有全球約1280個輻射觀測站點，其中有近900個站點的觀測時間超過10年[3]。美國的太陽能監(jiān)測站網(wǎng)有1454個輻射站，可為衛(wèi)星數(shù)據(jù)的校正、資源評價等提供高質(zhì)量的觀測數(shù)據(jù)[5,6]。美國可再生能源實驗室(NREL)研發(fā)了太陽輻射氣候模式，結(jié)合云蓋、水汽和氣溶膠在其推出的System Advisor Model軟件中，給出了更為準(zhǔn)確的光資源數(shù)據(jù)。該軟件為中國提供了分辨率為5 km的太陽能輻射數(shù)據(jù)[7,8]。其他如瑞士MeteoTest公司開發(fā)的Meteonorm軟件、法國美迪公司的Meteo Dyn Solar工具，也可提供逐小時不同緯度斜面總輻射和法向直接輻射的估計值。

歐洲GeoModel Solar開發(fā)的SolarGIS是太陽能資源評估數(shù)據(jù)庫軟件，SolarGIS使用的輻射數(shù)據(jù)是基于Meteosat和GOES衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)，另外結(jié)合Meteosat和GOES的云指數(shù)和降雪指數(shù)、GFS數(shù)據(jù)庫的水汽數(shù)據(jù)、MACC數(shù)據(jù)庫的大氣光學(xué)厚度數(shù)據(jù)、GFS和CSFR的積雪厚度數(shù)據(jù)及SRTM-3的數(shù)字地形數(shù)據(jù)，最終計算出包括太陽輻射、溫度在內(nèi)，覆蓋四大洲，空間分辨率達(dá)到250 m的一系列氣象要素值[9]。

芬蘭的3TIER基于覆蓋地球表面的9顆高清晰衛(wèi)星建立了分辨率為3 km的太陽能資源地圖和數(shù)據(jù)集[10]，能夠提供全球范圍內(nèi)任意一點最長的歷史輻射數(shù)據(jù)，包括GHI(水平總輻射)、DNI(法向直接輻射)和DIF(水平散射輻射)，可全方位評估近10年平均太陽能輻射值，也可進行更精確的點對點的輻射值比較[11]。

日本有64個輻射觀測站，臺站密度約0.6萬km21個站，其中14個有直接輻射觀測[5]。日本的Solar-Mesh軟件提供分辨率為5 km的太陽能輻射數(shù)據(jù)，計算指定地點同一時刻各個朝向的斜面輻射量[12]。

1.2 太陽能光伏發(fā)電功率預(yù)報

太陽能光伏發(fā)電預(yù)報技術(shù)是通過數(shù)值天氣預(yù)報模式對未來太陽輻射量進行預(yù)報，結(jié)合光伏電站基本參數(shù)和歷史發(fā)電量數(shù)據(jù)，得到未來光伏發(fā)電量(功率)。光伏發(fā)電量預(yù)報技術(shù)避免了并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)輸出功率固有的間歇性和不可控等缺點對電網(wǎng)的沖擊，可配合電力系統(tǒng)調(diào)度、常規(guī)能源發(fā)電規(guī)劃等。

國外已有許多研究機構(gòu)建立了基于數(shù)值天氣預(yù)報進行光伏發(fā)電功率預(yù)測的系統(tǒng)[13]。3TIER的太陽能預(yù)測系統(tǒng)基于數(shù)值天氣預(yù)報模式技術(shù)，充分考慮云霧、復(fù)雜地形、海岸效應(yīng)等局地效應(yīng)針對項目區(qū)發(fā)電量進行預(yù)測，同時采用統(tǒng)計方法整合實測數(shù)據(jù)到預(yù)測模型中進行實時訂正[14]。

德國奧登堡大學(xué)的Lorenz E基于歐洲數(shù)值預(yù)報中心設(shè)計了大范圍并網(wǎng)集成的太陽能光伏發(fā)電功率預(yù)報方法，并針對高緯度積雪對光伏發(fā)電的影響提出了簡易的經(jīng)驗預(yù)報法[15]。

1.3 太陽能光伏電站性能評估

太陽能光伏電站性能評估可為電站可行性研究編制和優(yōu)化設(shè)計、系統(tǒng)集成商/業(yè)主/投資者收益評估、系統(tǒng)維護人員運行管理及電力部門制定光伏發(fā)電規(guī)劃、調(diào)度等提供指導(dǎo)。

歐洲的Geo Model Solar公司面向光伏發(fā)電廠推出了新一代性能評估工具SolarGIS pvSpot[16]，它借助于衛(wèi)星太陽能建模和電力模擬的最新進展，用于監(jiān)測歐洲和南非任何一家光伏電站出現(xiàn)的性能不佳情況。其開發(fā)的SolarGIS通過輸入裝機容量、組件類型、折減系數(shù)、安裝方式、方位角、傾角等，將某一地點的光伏項目產(chǎn)能進行模擬預(yù)估，使太陽能項目的規(guī)劃更為精準(zhǔn)并更具成本效益，降低決策的風(fēng)險性[11]。

RETScreen清潔能源項目分析軟件是由聯(lián)合國環(huán)境規(guī)劃署和加拿大自然資源部開發(fā)，可評估3個基本光伏應(yīng)用(并網(wǎng)、離網(wǎng)和排水)的光伏項目模型，包括能源產(chǎn)量、太陽能資源和系統(tǒng)負(fù)荷計算，以及成本分析、溫室氣體排放降低分析、財務(wù)概要和敏感性與風(fēng)險分析[17]。構(gòu)建的光伏能量模型還可評估中樞電網(wǎng)和獨立電網(wǎng)的光伏系統(tǒng)。

由瑞士人André Mermoud博士研發(fā)的PVSYST仿真光伏系統(tǒng)，可依據(jù)不同的太陽能系統(tǒng)(獨立運轉(zhuǎn)型、并聯(lián)市電型等)及太陽能電池(單晶硅、多晶硅、薄膜)，分別設(shè)定環(huán)境參數(shù)(日輻射量、溫度、經(jīng)緯度及建筑物相對高度等)，計算出發(fā)電總量，并架構(gòu)建筑物對應(yīng)關(guān)系與遮蔽效應(yīng)影響評估[18]。此外，日本的Solar-Mesh軟件也可模擬計算發(fā)電量、投資計劃、收益資金及安全對策[12]。

2 國內(nèi)太陽能資源氣象服務(wù)現(xiàn)狀

隨著國內(nèi)太陽能光伏裝機容量的迅速擴大以及大型并網(wǎng)光伏發(fā)電或分布式并網(wǎng)電站步入大規(guī)模發(fā)展階段，我國氣象部門正積極做好技術(shù)準(zhǔn)備，在太陽能資源監(jiān)測、光伏電站選址規(guī)劃、光伏發(fā)電功率預(yù)測、光伏電站管理及后評估等方面的氣象保障服務(wù)齊頭并進，這對我國可再生清潔能源的充分利用具有重大現(xiàn)實意義。

2.1 我國太陽能輻射監(jiān)測網(wǎng)

目前我國國家級的業(yè)務(wù)地面輻射觀測站點共有98個，平均每10萬km21個輻射觀測站[19]，其中一級站17個，二級站33個，三級站48個。一級站觀測項目為總輻射、直接輻射、散射輻射、反射輻射和凈輻射；二級站觀測項目為總輻射和凈輻射；三級站只觀測總輻射。

由于目前的輻射觀測網(wǎng)密度無法滿足需要，因此有計劃將輻射觀測站點增加至337個，其中一級站22個，二級站127個，三級站188個。觀測項目也增加了很多，除了觀測光熱和光電性的直接、散射和反射輻射外，還增加了緯度傾斜面輻射、單雙軸跟蹤面輻射、垂直面輻射及氣溶膠光學(xué)厚度等其他輻射項目。

2.2 我國太陽能資源評估

我國在太陽能資源評估中一般使用3種方法：氣候?qū)W統(tǒng)計方法、基于衛(wèi)星遙感的物理反演方法，以及復(fù)雜地形下的計算方法。遠(yuǎn)期將開展太陽能資源減排潛力評估和太陽能資源變化趨勢預(yù)估。

中國氣象局采用最常用的氣候?qū)W方法日照百分率模型計算了我國總輻射分布，并結(jié)合衛(wèi)星遙感的云量、云光學(xué)厚度、氣溶膠等，得到了直射和散射分離模型[20]。湖北、寧夏、甘肅、山東、江西、西昌、貴陽、杭州等多個省市采用氣候?qū)W算法基于各地太陽輻射及日照百分率資料進行太陽能資源豐富度評估[21]。其中，湖北建立了基于日照百分率的斜面總輻射推算模型及風(fēng)光互補型資源稟賦定量評價的指標(biāo)[22]，福建省基于GIS繪制了全省太陽能總輻射時空分布圖[23]。南京信息工程大學(xué)基于DEM數(shù)據(jù)的起伏地形，利用衛(wèi)星遙感等資料建立了太陽直接輻射、散射輻射和地形反射輻射分布式模型[24]。

2.3 太陽能輻射數(shù)據(jù)庫建設(shè)

我國有輻射觀測的氣象站較少，一般根據(jù)氣象站記錄的日照時數(shù)或日照百分率及天文總輻射量監(jiān)測數(shù)據(jù)進行推算，即氣候?qū)W方法推算法。目前常用的太陽能輻射數(shù)據(jù)根據(jù)來源和不同算法分為3個：太陽輻射實測數(shù)據(jù)庫(CMA)、氣候?qū)W方法推算數(shù)據(jù)庫(CWERA)和衛(wèi)星數(shù)據(jù)庫(CWERA)。

部分省高校也開展了太陽能輻射數(shù)據(jù)庫建設(shè)研究。上海電力學(xué)院創(chuàng)建了不同傾斜面上太陽輻射數(shù)據(jù)庫，包括適合于太陽能應(yīng)用的遍布全國的太陽能輻射資料，以及不同方位角和傾角的傾斜面上太陽輻照量的計算程序[25]。河南省科學(xué)院能源所整理了國家氣象中心193個氣象觀測站40年的日照輻射量，覆蓋了全國14個省，30個主要城市[26]。云南師大太陽能研究所和云南省氣候中心開發(fā)了云南省太陽能資源數(shù)據(jù)庫，可詳細(xì)提供云南省17個地州、133個氣象臺站30年的太陽能資料，包含輻射量、日照、濕度等16種數(shù)據(jù)[27]。成都電子科技大學(xué)將觀測的太陽能數(shù)據(jù)與地理信息數(shù)據(jù)有效融合，對每個太陽能觀測站點數(shù)據(jù)進行分類存儲，建立了基于GIS的太陽能信息數(shù)據(jù)庫[28]。

2.4 太陽能光伏發(fā)電預(yù)報系統(tǒng)

華北電力大學(xué)設(shè)計開發(fā)了并網(wǎng)型光伏電站發(fā)電功率預(yù)測系統(tǒng)并投入應(yīng)用。該系統(tǒng)進行超短期預(yù)測和短期分類預(yù)測，可實現(xiàn)缺失天氣類型信息歷史數(shù)據(jù)的類型辨識和輻照度預(yù)測值修正。預(yù)測結(jié)果經(jīng)導(dǎo)出模塊傳輸至綜合數(shù)據(jù)層進行存儲和發(fā)布[29]。

吉林在光伏發(fā)電量預(yù)測模型建立系統(tǒng)中，提出了一種依據(jù)天空圖像識別技術(shù)對太陽能光伏發(fā)電量進行預(yù)測的新方法[30]。武漢暴雨研究所基于WRF模式逐時輸出結(jié)果，對模式模擬的到達(dá)地表短波輻射進行誤差訂正，進一步提高輻射預(yù)報的準(zhǔn)確率[31]。

湖北開發(fā)的《光伏發(fā)電預(yù)測預(yù)報系統(tǒng)V2.5》采用“原理法”和“動力統(tǒng)計法”實現(xiàn)未來3天短期，以及未來4 h超短期逐15 min光伏發(fā)電量預(yù)報和太陽輻射量預(yù)報。目前該系統(tǒng)已應(yīng)用于全國9個省市，20余家光伏電站。

東潤環(huán)能根據(jù)數(shù)值天氣預(yù)報和電場運行信息針對1 MW以下分布式光伏電站開發(fā)了分布式光伏發(fā)電功率預(yù)測系統(tǒng)，實現(xiàn)增強分布式發(fā)電穩(wěn)定性的目的[32]。國網(wǎng)電力科學(xué)研究院清潔能源發(fā)電研究所研發(fā)的光伏電站功率預(yù)測采用精細(xì)化數(shù)值天氣預(yù)報技術(shù)，并結(jié)合實時氣象數(shù)據(jù)，為大規(guī)模光伏電站的并網(wǎng)接入、調(diào)度決策提供預(yù)測分析[33]。

我國近期的太陽能光伏發(fā)電預(yù)報是以近期實現(xiàn)輻射直散分離為目的，遠(yuǎn)期將以發(fā)展衛(wèi)星云資料應(yīng)用、滾動訂正技術(shù)為目標(biāo)，實現(xiàn)太陽能光伏電站發(fā)電量預(yù)報從科研到業(yè)務(wù)的轉(zhuǎn)化。

2.5 太陽能光伏電站微觀選址及性能評估

中國氣象局公服中心對金沙江光伏電站選址工程采用了MODIS衛(wèi)星反演技術(shù)，參考常規(guī)氣象數(shù)據(jù)進行氣象風(fēng)險分析評價，結(jié)合GIS空間分析確定了優(yōu)先開發(fā)區(qū)域[34]。華北電力大學(xué)對中國3個風(fēng)能、太陽能均較為豐富地區(qū)進行綜合評價，給出了風(fēng)光互補電站選址的優(yōu)劣排序，為我國風(fēng)光互補型電站選址問題提供了理論基礎(chǔ)[35]。

重慶大學(xué)電氣工程學(xué)院建立白天、黑夜分時段出力模型，采用離散聯(lián)合概率分布構(gòu)造光伏出力與電網(wǎng)負(fù)荷相關(guān)特性的聯(lián)合多狀態(tài)模型，以及分時段可靠性評估指標(biāo)，實現(xiàn)了白天和全年可靠性指標(biāo)的獨立計算[36]。湖北省確立了包含光伏陣列效率、逆變器效率、系統(tǒng)能效比和容量因子等一套武漢光伏電站綜合效率評估指標(biāo)，對示范電站最佳傾角、年均電站性能、年上網(wǎng)電量及滿發(fā)時數(shù)進行了計算，對光伏發(fā)電規(guī)劃有重要的工程指導(dǎo)意義[37,38]。

2.6 太陽能光伏電站管理及后評估

水電水利設(shè)計規(guī)劃總院研究開發(fā)了光伏電站智能化信息管理系統(tǒng)[39]。華北電力大學(xué)采用熵權(quán)法和模糊綜合評價模型對廊坊一座10.192 kW的太陽能光伏電站發(fā)電系統(tǒng)完成項目進行綜合評估[40]，提出適應(yīng)未來發(fā)展的方向、管理及政策等。這對供電企業(yè)提高管理水平、科學(xué)統(tǒng)一規(guī)劃有著重要意義。

3 思考和建議

3.1 與國外太陽能氣象服務(wù)的差距

太陽能資源監(jiān)測網(wǎng)密度較低，平均約為10萬km21個站，其空間分辨率難以滿足對太陽能開發(fā)利用的評估服務(wù)需求。太陽能輻射觀測項目也比較單一，僅為基本觀測項目，未開展對傾斜面和跟蹤面的總輻射、分光譜輻射等詳細(xì)的觀測項目。太陽能資源評估受到空間分辨率和時間分辨率的限制，難以給出精細(xì)化的太陽能數(shù)據(jù)；同時評估方法陳舊，仍以五六十年代氣候?qū)W方法為主，使得結(jié)論存在較大誤差，其相對意義大于實際意義，很難作為太陽能資源開發(fā)利用的準(zhǔn)確參考。

太陽能光伏發(fā)電預(yù)報技術(shù)雖已引起氣象部門的重視，但基于模式的預(yù)報方法還有待提高和跟進，目前不能完全滿足電力調(diào)度部門和太陽能電站的需求。光伏電站缺乏維護和管理意識，沒有完整的后評估體系，氣象服務(wù)與氣象保障與電站的正常運行仍有脫節(jié)。

3.2 建議

1)強化太陽能資源數(shù)據(jù)庫建設(shè)，開展氣候可行性論證工作。加快太陽能監(jiān)測網(wǎng)建設(shè)，建立較為完善的太陽能資源監(jiān)測網(wǎng)。推動太陽能資源的普查工作，發(fā)展衛(wèi)星遙感、地理信息系統(tǒng)結(jié)合輻射傳輸原理計算和方法，對重點地區(qū)進行區(qū)域高分辨率精細(xì)化詳查，建立監(jiān)測資料均一化分析和質(zhì)量控制平臺，形成完整的太陽能資源數(shù)據(jù)庫。開展對大型太陽能電站建設(shè)項目進行氣候可行性論證，避免和減少重要設(shè)施、建設(shè)項目遭受極端天氣氣候事件的影響。

2)完善太陽能光伏電站風(fēng)險評估和后評估。不同氣象災(zāi)害所產(chǎn)生的風(fēng)險性質(zhì)和大小也不同。氣象災(zāi)害風(fēng)險對于太陽能光伏電站具有一定的必然性，氣象災(zāi)害的孕災(zāi)環(huán)境和承災(zāi)體的性質(zhì)是客觀存在的，致災(zāi)因子的出現(xiàn)只是時間問題，氣象災(zāi)害突發(fā)性和隨機性之后隱含著一定的必然性[41]。因此，需建立健全的新能源氣象服務(wù)體系，及時為新能源企業(yè)、光伏電站提供暴雨、冰雹、大風(fēng)、沙塵暴等災(zāi)害性天氣的預(yù)報預(yù)警信息，及時進行氣象災(zāi)害風(fēng)險評估，為太陽能電站發(fā)電安全穩(wěn)定運行提供有力的氣象科技支撐和優(yōu)質(zhì)的氣象保障服務(wù)。

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