基于WRF模式的光伏電站選址研究

湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院 ■ 康慨盧勝

基于WRF模式的光伏電站選址研究

湖北省電力勘測設(shè)計(jì)院 ■ 康慨*盧勝

采用中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)WRF模式進(jìn)行光伏電站場址區(qū)域太陽總輻射數(shù)值模擬試驗(yàn)，輸出的逐時(shí)輻射和溫度資料為光伏電站選址提供了有利的支撐，對光伏發(fā)電工程的前期評價(jià)有較好的參考價(jià)值。

輻射；WRF模式；光伏系統(tǒng)

0 引言

21世紀(jì)以來，隨著能源和環(huán)境問題的日益突出，光伏發(fā)電作為一種開發(fā)較為便利的綠色能源，正日益受到人們的重視。光伏電站系統(tǒng)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)之一是太陽輻射，目前國內(nèi)太陽輻射觀測站較少，一般只有一級氣象觀測站具有太陽輻射的觀測功能，光伏場址周邊缺少輻射觀測資料，部分區(qū)域甚至缺乏日照觀測資料；在進(jìn)行光伏電站前期評估時(shí)，缺乏進(jìn)行太陽輻射量推算、光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)配置及發(fā)電量計(jì)算的依據(jù)，從而造成光伏電站場址的不合理，最終導(dǎo)致電站的非經(jīng)濟(jì)性，并對電網(wǎng)產(chǎn)生較大影響。因此，要想大幅提高光伏發(fā)電比例，保證光伏電站的合理系統(tǒng)配置、提高光電轉(zhuǎn)換效率、降低光伏發(fā)電成本，光伏電站的太陽能資源推算和選址研究顯得尤為重要。

縱觀國內(nèi)學(xué)者對太陽輻射模擬技術(shù)的研究：翁篤嗚等[1-3]研究了一系列有關(guān)我國氣候?qū)W總輻射的參數(shù)化計(jì)算方案；沈元芳等[4]研究了在GRAPES模式中地表短波輻射對短期天氣預(yù)報(bào)過程模擬的影響；汪方等[5]利用WCRP CMIP3提供的多個(gè)氣候模式，檢驗(yàn)了其對東亞地區(qū)地表短波輻射的模擬能力，研究結(jié)論為WCRP CMIP3可以較好地模擬出地表短波輻射年變化；王明歡等[6]利用WRFV3模式進(jìn)行了到達(dá)地表短波輻射模擬，結(jié)果表明，該模式對太陽總輻射在各種氣象條件下均有一定的預(yù)報(bào)能力，但直接利用模式輸出的地表短波輻射作為光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量計(jì)算有一定的誤差，需采用相關(guān)訂正方法；白永清等[7,8]基于WRF模式對武漢區(qū)域的太陽輻射進(jìn)行了模擬，并給出了影響輻射預(yù)報(bào)精度的因素和提高預(yù)報(bào)精度的方法；賀芳芳等[9]基于WRF模式模擬了上海地區(qū)月太陽總輻射，并采用寶山氣象站數(shù)據(jù)比較了氣候?qū)W計(jì)算和WRF 模式計(jì)算得出的月太陽總輻射量的分布，發(fā)現(xiàn)太陽總輻射值范圍較一致。

本文采用中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)WRF模式進(jìn)行太陽總輻射數(shù)值模擬試驗(yàn)，并根據(jù)數(shù)值模擬的結(jié)果繪制了預(yù)選光伏電站場區(qū)的光資源圖譜，輸出了預(yù)選址點(diǎn)的逐小時(shí)輻照資料和溫度；通過附近氣

象站的輻射觀測值對模擬結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證和修正，并根據(jù)修正的結(jié)果給出光伏電站的選址。

1 模式簡介和資料方法

1.1 模式簡介

WRF(Weather Research Forecast)模式是美國開發(fā)的中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式，主要針對中小尺度天氣預(yù)報(bào)系統(tǒng)，以實(shí)時(shí)預(yù)報(bào)為目的。該模式通過尺度分析方法，簡化支配大氣運(yùn)動的流體動力學(xué)和熱力學(xué)方程組，利用數(shù)值方法進(jìn)行近似求解來預(yù)報(bào)未來的大氣環(huán)流形勢和天氣[10-12]。

WRF模式分為研究(ARW)和業(yè)務(wù)(NMM)兩種形式，本文使用的是WRF-ARW。圖1為WRF模式流程示意圖。主要分為前處理、模式計(jì)算、后處理3部分。

圖1 WRF模式流程圖

前處理主要運(yùn)用前處理軟件WPS，包括初始場的產(chǎn)生、模型的建立、資料的收集、參數(shù)的設(shè)置等，提供給大氣模式主模塊以輸入條件。

模式計(jì)算是WRF運(yùn)行的主要部分，在輸入前處理產(chǎn)生的輸入文件之后，根據(jù)用戶設(shè)置的物理過程參數(shù)化、計(jì)算時(shí)間、積分步長等參數(shù)進(jìn)行積分，得到模擬風(fēng)速場。

后處理主要是將模式輸出的文件提取出需要的數(shù)據(jù)，轉(zhuǎn)換成合適的格式，繪制成圖像或表格。

1.2 模擬方案及資料

本文利用 WRF模式對廣東省徐聞地區(qū) 2012年3月～2013年2月逐月的太陽輻射量進(jìn)行模擬，選擇 20.536°N、110.139°E為模擬區(qū)域中心。由于該地區(qū)下墊面多為裸露黃土地表，植被較少，地形平坦、單一，障礙物少，區(qū)域氣候相對簡單，水平網(wǎng)格選擇3層嵌套，分辨率從外至內(nèi)依次為10 km、3.33 km、1.11 km；垂直方向分27層，模式頂層氣壓50 hPa。在模擬計(jì)算中，微物理過程采用WSM 3-class微物理方案，長波輻射采用Rapid Radiative Transfer Model方案，短波輻射采用Dudhia方案，近地層過程采用Monin-Obukhov方案，陸面過程采用Noah方案，行星邊界層采用Mellor-Yamada-Janjic方案，積云參數(shù)化采用Kain-Fritsch方案。

本文采用1°×1°分辨率的NCEP逐6 h再分析資料作為初始場和側(cè)邊界條件。NCEP背景場資料是美國NCEP和NCAR對全球從1948年到現(xiàn)在的氣象資料進(jìn)行再分析形成格點(diǎn)資料，此資料要素多、范圍廣、延伸時(shí)段長，且對外公開，為研究天氣尺度和中尺度系統(tǒng)變化過程提供了良好的條件，已成為廣大科研者的重要數(shù)據(jù)來源。其包括等壓面資料7要素、地面資料11要求，以及地面通量資料42要素。地形資料默認(rèn)采用美國地質(zhì)勘探局(United States Geological Survey，USGS)采集制作的資料，精度包括10 m、5 m、2 m等，需根據(jù)模式網(wǎng)格分辨率的大小選擇合適精度的USGS地形資料。

2 太陽能站址選擇案例分析

2.1 太陽能資源

光伏組件的實(shí)際輸出功率主要受太陽輻射度的影響，而太陽輻射在時(shí)間上具有較大的間歇性和隨機(jī)性，與當(dāng)?shù)貐^(qū)域當(dāng)時(shí)的大氣透明度、水汽含量、氣溶膠、云量、云狀、云與太陽的相對位置等密切相關(guān)；同時(shí)受地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)的影響，其變化又具有一定周期性，包括日變化、季節(jié)變化。同時(shí)，與之相關(guān)的其他環(huán)境因素，如風(fēng)速、溫度等對光伏組件轉(zhuǎn)化效率也會產(chǎn)生影響[13]。

為了保證光伏電站的經(jīng)濟(jì)性，首先需對光伏電站站址所在地的區(qū)域太陽能資源基本狀況進(jìn)行分析，并對相關(guān)的地理?xiàng)l件和氣候特征進(jìn)行適應(yīng)性分析。根據(jù)光伏電站設(shè)計(jì)規(guī)范及氣象相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)要求，在對光伏電站選址和分析時(shí)需具備以下資料：

1)當(dāng)對光伏電站進(jìn)行太陽總輻射量及其變化趨勢等太陽能資源分析時(shí)，應(yīng)選擇站址所在地附近有太陽輻射長期觀測記錄的氣象站作為參考?xì)庀笳尽?/p>

2)當(dāng)利用現(xiàn)場觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行太陽能資源分析時(shí)，場址觀測數(shù)據(jù)應(yīng)連續(xù)，且應(yīng)不少于一年。

3)大型光伏電站建設(shè)前期宜先在站址所在地設(shè)立太陽輻射現(xiàn)場觀測站，現(xiàn)場觀測記錄的周期應(yīng)不少于一個(gè)完整年。

目前光伏電站建設(shè)周期短，光伏電價(jià)波動較大，投資商在進(jìn)行光伏電站投資時(shí)，大部分區(qū)域未進(jìn)行測光，而光伏電站主要位于荒漠區(qū)域、山地區(qū)域或其他偏遠(yuǎn)區(qū)域，場址區(qū)域附近缺乏相應(yīng)的輻照觀測站。為保證光伏電站的科學(xué)選址，需進(jìn)行光伏區(qū)域的太陽能資源推算。由于站址區(qū)域及附近缺乏相應(yīng)的數(shù)據(jù)，本文采用新一代中尺度數(shù)值天氣預(yù)報(bào)模式WRF模式對太陽總輻射數(shù)值進(jìn)行模擬試驗(yàn)，在選定區(qū)域后根據(jù)1°×1°分辨率的NCEP逐6 h再分析資料、地形資料USGS，模擬的預(yù)選光伏電站場區(qū)光資源圖譜如圖2所示。

圖2 場址區(qū)域位置及模擬的太陽能資源圖譜

2.2 太陽能站址選擇

根據(jù)GB 50797-2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》光伏電站選址原則和模擬的區(qū)域太陽能資源圖譜，綜合考慮該區(qū)域的電網(wǎng)接入條件、環(huán)評、國土及林業(yè)要求，經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查后，確定選址區(qū)域位于圖2所示中心位置，該區(qū)域?yàn)闈O塘，可規(guī)劃容量為30 MWp的漁光互補(bǔ)項(xiàng)目。該區(qū)域點(diǎn)的逐時(shí)光資源如圖3所示。

圖3 光伏電站站址點(diǎn)的逐時(shí)輻照與溫度曲線

光伏場區(qū)近區(qū)域范圍內(nèi)無輻射觀測站和日照觀測站，距離光伏場址區(qū)域最近的輻射觀測站為?？谳椛溆^測站(約35 km)。海口區(qū)域光照時(shí)間長，大氣透明度好，光穿透力強(qiáng)。據(jù)海口氣象局資料，海南年平均太陽總輻射量為4500～5500 MJ/m2，年日照時(shí)數(shù)為1750～2650 h，光照率為

50%～60%。采用WRF模式，并采用?？跉庀笳据椛鋽?shù)據(jù)同化后推算出2012年3月～2013年2月光伏場址區(qū)域的太陽總輻射量為5396.25 MJ/ m2，比?？跉庀笳径嗄甑妮椛淞科呒s6.15%，具體如表1所示。通過建立?？跉庀笳九c場址推算結(jié)果的相應(yīng)各月輻射值線性回歸方程，兩者相關(guān)系數(shù)為0.9435，通過了置信度為0.01的顯著性F檢驗(yàn)。因此，可初步將推算的場址區(qū)域的輻射度作為本場區(qū)的輻射參考資料，進(jìn)行光伏系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

表1 擬選光伏電站站址的輻照數(shù)據(jù)與附近輻射站的數(shù)據(jù)表

根據(jù)光伏組件伏打效應(yīng)影響因素，并結(jié)合實(shí)際運(yùn)行情況分析，在光伏電站實(shí)際設(shè)計(jì)及運(yùn)行中需考慮光伏陣列效率η1、直流系統(tǒng)效率η2、逆變器轉(zhuǎn)換效率η3、交流傳輸與并網(wǎng)效率η4及其他有關(guān)效率η5，光伏電站的效率(PR=η1η2η3η4η5)約在80%～90%。綜合分析以上PR影響因素，除相關(guān)設(shè)備及線路引起的損耗外，影響光伏系統(tǒng)PR的主要?dú)庀笥绊懸蜃訛檩椪斩群蜏囟萚14,15]。

根據(jù)本文基于WRF模式經(jīng)同化后輸出的場址區(qū)域逐時(shí)輻射數(shù)據(jù)及環(huán)境溫度，推算額定功率為260 W光伏組件理想狀態(tài)下的瞬時(shí)出力曲線如圖4所示。

圖4 環(huán)境溫度與光伏組件輸出功曲線圖

通過對圖4的分析可知，受太陽輻射的變化影響，光伏電站組件的出力隨之發(fā)生變化，以季節(jié)為變化周期，光伏發(fā)電系統(tǒng)的功率夏秋兩季偏高，冬春兩季偏小；晴天偏大，陰雨天偏小。根據(jù)站點(diǎn)的逐時(shí)輻射和溫度曲線，可推算出采用固定傾角時(shí)，光伏組件的最佳接收輻射角度為15°，光伏組件的組串?dāng)?shù)為24塊(一般設(shè)計(jì)為20塊或22塊)，光伏電站的最佳容配比為1.2∶1(一般設(shè)計(jì)為1∶1)。據(jù)此可進(jìn)行光伏電站系統(tǒng)的優(yōu)化設(shè)計(jì)和項(xiàng)目投資的效益測算。

綜合以上考慮，本光伏場區(qū)總裝機(jī)容量擬設(shè)計(jì)為30 MWp，經(jīng)方案初步分析，該場區(qū)首年的年等效滿負(fù)荷小時(shí)數(shù)為1221 h，年發(fā)電量為3662.55萬kWh，25年年平均發(fā)電小時(shí)為1098 h，25年年平均發(fā)電量為3295萬kWh。根據(jù)當(dāng)前漁光互補(bǔ)光伏電站造價(jià)水平和光伏電站的上網(wǎng)電價(jià)，初步估計(jì)本光伏電站靜態(tài)投資為24593萬元，單位投資為8198元/kW；建設(shè)期貸款利息為480萬元，流動資金為90萬元，項(xiàng)目總投資為25163萬元，單位動態(tài)投資為8388元/kW，資本金財(cái)務(wù)內(nèi)部收益率為13.9%，具有一定的經(jīng)濟(jì)效益，為光伏電站的投資決策提供了參考意義。

3 結(jié)論及建議

目前光伏電站開發(fā)數(shù)量較多、位置較為偏遠(yuǎn)，大部分光伏電站周邊輻射觀測站較少，部分區(qū)域甚至缺乏日照觀測資料，在進(jìn)行光伏電站前期選址和評估時(shí)，缺乏相應(yīng)的輻射和溫度數(shù)據(jù)支撐。通過采用中尺度數(shù)值預(yù)報(bào)模式進(jìn)行了太陽輻射數(shù)值模擬試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合附近氣象站的輻射觀測值對模擬結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證和修正，為缺乏輻射數(shù)據(jù)區(qū)域的光伏電站選址和前期評估提供了參考依據(jù)。結(jié)果表明，該方法對于光伏發(fā)電工程的前期評價(jià)有較好的參考價(jià)值。由于本文著重為光伏電站地址區(qū)域初步選址提供太陽能資源支撐，為具體項(xiàng)目的效益進(jìn)行初步評估，更為詳盡的項(xiàng)目經(jīng)濟(jì)效益評價(jià)需待后期搜集具體的地質(zhì)、水文、電網(wǎng)等相關(guān)資料，進(jìn)行方案設(shè)計(jì)后才可做出。

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2016-05-19

康慨(1987—)，男，碩士、中級工程師，主要從事新能源發(fā)電技術(shù)方面的研究。kkangkai@163.com