霧霾影響光伏發(fā)電量的機(jī)制分析與實(shí)驗(yàn)

任 靜， 陳 濤， 許 志， 武新芳， 趙春江， 劉永生

(上海電力大學(xué) 太陽能研究所，上海 200090)

0 引 言

太陽能作為一種取之不盡用之不竭的清潔能源，越來越受到人們的青睞和重視。有效利用太陽能不僅可以在很大程度上緩解能源匱乏問題，還可以很好地落實(shí)可持續(xù)發(fā)展這一全球性主題。一直以來，太陽能作為一種清潔能源在中國普及，被認(rèn)為是拯救霧霾下的中國最有力的清潔能源。但是，近年來霧霾天氣日益增加，城市中的空氣污染日益嚴(yán)重[1]。據(jù)報(bào)道,近50年來，中國東部大部分地區(qū)年霧霾天數(shù)為25～100 d，局部地區(qū)超過100 d，霧霾天氣總體呈增加趨勢[2-3]。與此同時(shí)，霧霾對太陽造成了嚴(yán)重的的遮蔽。光伏組件的發(fā)電量受輻照度、空氣流動(dòng)、大氣和組件溫度、逆變器效率、組件匹配損失、線損等與系統(tǒng)相關(guān)的一些損失的影響[4-6]。對于多數(shù)光伏組件，輻照度仍然是主要的影響因素。大范圍長時(shí)間的霧霾天會減少太陽光對光伏組件的透過率，大大削弱光伏組件的發(fā)電性能。根據(jù)相關(guān)研究，未來全球?qū)诔鞘械貐^(qū)安裝利用大量的光伏發(fā)電設(shè)備，城市屋頂太陽能光伏裝置的潛力估計(jì)為5.4 TW，城市住宅和商業(yè)消費(fèi)者電力需求約占其總值的70%[7]。目前，中國已經(jīng)在屋頂上安裝了22 GW的光伏發(fā)電裝機(jī)容量，2018年屋頂裝置將進(jìn)一步增加[8]。如果沒有考慮到霧霾而導(dǎo)致系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)不足，可能影響到整個(gè)光伏系統(tǒng)的可靠性。所以，在霧霾還未得到有效治理的前提下，電力系統(tǒng)的運(yùn)行仍將受到霧霾的大范圍影響。

本文在霧霾嚴(yán)重的背景下，提出光伏發(fā)電量損失指數(shù)的概念。通過上海某戶用光伏屋頂采集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行研究。由于光伏發(fā)電系統(tǒng)受多種氣象因素影響，為獨(dú)立分析霧霾中PM2.5濃度對光伏發(fā)電量的影響，采用控制變量法和霧霾相似日原理[9-10]研究霧霾對光伏發(fā)電系統(tǒng)的影響。

1 霧霾對光伏的影響機(jī)制

霧霾的主要成分是懸浮在空中的細(xì)顆粒物。PM2.5(空氣動(dòng)力學(xué)當(dāng)量直徑≤2.5 μm的顆粒物)被認(rèn)為是造成霧霾天氣的“元兇”。隨著空氣質(zhì)量的惡化，陰霾天氣增多，危害加重。PM2.5主要由于自然因素和人為因素造成。①自然因素主要包括：土壤揚(yáng)塵、植物花粉、自然災(zāi)害等將大量細(xì)顆粒物傳播到大氣中;②人為因素主要包括：化石燃料的燃燒、交通工具排放的尾氣、烹飪等產(chǎn)生大量的細(xì)顆粒物。這些細(xì)顆粒物在大氣中懸浮，形成較為穩(wěn)定的氣體形態(tài)，隨著其濃度的增加，形成嚴(yán)重的霧霾。

大量顆粒物存在對光伏造成嚴(yán)重影響主要集中兩方面：①大量顆粒物的存在削弱了地面附近的輻照度。大氣中的顆粒物具有消光作用[11]，消光作用主要包括散射作用和吸收作用。顆粒物越細(xì)小，PM2.5濃度越大，輻照度的散射和吸收作用越強(qiáng)，地面所接收到的輻照度越小。②細(xì)顆粒物大范圍存在，霧霾天氣嚴(yán)重，造成光伏組件表面積灰嚴(yán)重。細(xì)顆粒物的長期聚集可能使組件大量發(fā)熱，造成熱斑現(xiàn)象，發(fā)電量衰減，威脅組件壽命。

2 光伏性能的相關(guān)參數(shù)

2.1 太陽的輻照度

霧霾天氣時(shí)，大氣中的細(xì)顆粒物(PM2.5)濃度高，太陽的直接輻射降低而散射輻射增加，導(dǎo)致光伏組件表面接收到太陽光的輻照強(qiáng)度降低。霧霾條件下PM2.5濃度變化而造成的輻照度損失為[12]

(1)

式中：I為實(shí)測的輻照度；I0為PM2.5濃度為0時(shí)的輻照度；c(PM2.5)為實(shí)際測量細(xì)顆粒物濃度。

2.2 光伏發(fā)電量

細(xì)顆粒物具有消光作用使輻照度較小，發(fā)電量也會相應(yīng)衰減。相關(guān)研究表明，由于輻照度減少，霧霾對光伏板發(fā)電量造成損失約為(11.5±1.5)%，而當(dāng)前最具前景的鈣鈦礦材料受霧霾影響更為嚴(yán)重，其發(fā)電量損失可達(dá)17%左右[12]。

2.2.1 傳統(tǒng)光伏發(fā)電量算法

光伏發(fā)電量是研究光伏性能的主要參數(shù)之一，與系統(tǒng)所在地的太陽能資源以及系統(tǒng)裝機(jī)容量有關(guān)。傳統(tǒng)的光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量估算為[13-17]：

(2)

式中：Q為實(shí)測發(fā)電量，kW·h；Hl為實(shí)測太陽能輻射量，kW·h/m2；H為標(biāo)準(zhǔn)太陽輻射強(qiáng)度，kW·h/m2；P為光伏發(fā)電系統(tǒng)的裝機(jī)容量，kW；C為傾斜光伏組件輻射量系數(shù),C一般為1.05～1.15；η為發(fā)電系統(tǒng)綜合影響系數(shù),并網(wǎng)發(fā)電系統(tǒng)η一般取72%～78%。

式(2)適用于粗略估算發(fā)電量，C和η的取值一般在固定區(qū)間。針對霧霾天氣等復(fù)雜氣象因素，式(2)計(jì)算的發(fā)電量有一定的局限性。

2.2.2 光伏發(fā)電量修正算法

在傳統(tǒng)估算發(fā)電量基礎(chǔ)上，本文考慮溫度的影響因素，根據(jù)文獻(xiàn)[18]對式(2)進(jìn)行修正，

(3)

式中：Q0為c(PM2.5)=0的發(fā)電量，kW·h；H0為c(PM2.5)=0的太陽的輻射量，kW·h/m2；T為溫度，℃。

由于2009年霧霾細(xì)顆粒濃度c(PM2.5)對大氣的影響程度較輕微，太陽的輻照度被干擾的程度較少。通過上海某戶用光伏屋頂2009年全年實(shí)測光伏發(fā)電量對式(3)、(2)進(jìn)行驗(yàn)證。由圖1可知,在1～4月，10～12月兩者趨勢線基本重合，4～10月間，修正估算發(fā)電量、傳統(tǒng)估算發(fā)電量與實(shí)測發(fā)電量相比有一定誤差，修正估算發(fā)電量趨勢線大多位于實(shí)測光伏發(fā)電量趨勢線與傳統(tǒng)估算發(fā)電量趨勢線之間，且均低于傳統(tǒng)估算發(fā)電量趨勢線?？梢?，修正估算發(fā)電量計(jì)算值更精確。

圖1 2009年發(fā)電量對比圖

由圖2可見，2009年12個(gè)月修正估算發(fā)電量誤差比傳統(tǒng)估算發(fā)電量誤差小，最小誤差為-2.74%，最大誤差為3.67%，平均誤差為0.06%。由圖3可見，2009年12個(gè)月中修正估算發(fā)電量誤差均集中在±5%之間。因此，與傳統(tǒng)估算發(fā)電量相比，式(3)修正效果較好。

圖2 修正估算發(fā)電量誤差與傳統(tǒng)估算發(fā)電量誤差

圖3 修正估算發(fā)電量誤差范圍

2009年，實(shí)測發(fā)電量為2 952.20 kW·h，通過式(3)計(jì)算修正估算發(fā)電量為2 946.47 kW·h，與實(shí)測發(fā)電量相差5.73 kW·h。通過式(2)計(jì)算傳統(tǒng)估算發(fā)電量為3 010.48 kW·h，與實(shí)測發(fā)電量相差58.28 kW·h,如表1所示，修正估算發(fā)電量更為準(zhǔn)確。

相關(guān)研究表明，在霧霾影響下，光伏的實(shí)際發(fā)電量會大打折扣，北京和上海由光伏發(fā)電造成的收入損失均可能高達(dá)2 000萬美元[12]。在未來，如果沒有考慮到霧霾而導(dǎo)致系統(tǒng)整體設(shè)計(jì)不足，可能導(dǎo)致投資者一定的經(jīng)濟(jì)損失。采用控制變量法分析霧霾c(PM2.5)對發(fā)電量影響時(shí)，發(fā)電量的計(jì)算值較為關(guān)鍵。式(3)考慮溫度參數(shù)的影響，得到準(zhǔn)確的發(fā)電量，排除溫度影響的光伏發(fā)電量損失。式(3)在式(2)基礎(chǔ)上做了一定的修正，修正估算發(fā)電量與實(shí)測發(fā)電量的誤差在±5%之間。估算未來光伏發(fā)電量時(shí)，式(3)具有一定的可行性。

表1 2009年每月發(fā)電量統(tǒng)計(jì) kW·h

2.2.3 光伏發(fā)電量損失指數(shù)

光伏發(fā)電量損失指數(shù)ε可以定量地反映發(fā)電量損失與PM2.5的關(guān)系，

ε=(Q0-Q1)/Q0

(4)

式中：ε為光伏發(fā)電量損失指數(shù)；Q0為c(PM2.5)=0的發(fā)電量，kW·h；Q1為有PM2.5(實(shí)測下)的發(fā)電量，kW·h。

3 霧霾條件下光伏發(fā)電量損失數(shù)據(jù)分析

3.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

本實(shí)驗(yàn)搭建基地位于上海市一戶別墅光伏屋頂。屋頂光伏裝機(jī)容量為3.7 kW，與光伏微網(wǎng)連接的有太陽能輻照儀、氣溫儀、風(fēng)向風(fēng)速儀和數(shù)據(jù)采集處理系統(tǒng)。屋頂周圍無建筑物遮擋，可以完全接受充足的陽光照射，如圖4所示。霧霾中c(PM2.5)通過中國空氣質(zhì)量在線監(jiān)測分析平臺記錄。

圖4 實(shí)驗(yàn)基地圖

3.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)選取

本實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)記錄從2017-04～2018-04,選取霧霾月最嚴(yán)重月進(jìn)行分析，根據(jù)PM2.5檢測網(wǎng)的空氣質(zhì)量新標(biāo)準(zhǔn)，選取霧霾最嚴(yán)重月為2018-01。由表2可知，在PM2.5主導(dǎo)下的霧霾較嚴(yán)重的前3個(gè)月均為上海地區(qū)的冬季月份。主要有以下幾個(gè)原因：①上海地區(qū)冬季月份，空氣流動(dòng)性差，污染物容易累積，不利于擴(kuò)散。②上海地區(qū)冬季月份降雪少，不利于對霧和霾的沖刷。③霧霾中的霾，也稱灰霾，是由空氣中的灰塵、硫酸、硝酸、有機(jī)碳?xì)浠衔锏攘Ｗ咏M成。上海地區(qū)冬季月份空氣濕度較小，較干燥，有利于霾的產(chǎn)生。

表2 2017-04～2018-04 c(PM2.5)平均值

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)從2018-01中排除陰雨天,陰雨天日照不充足，輻照度較小。選取日照充足的晴天進(jìn)行實(shí)驗(yàn)分析。晴天有助于更明顯的觀測c(PM2.5)與輻照度、輻照量、發(fā)電量的關(guān)系。

3.3 霧霾對太陽的輻照度及輻照量的影響

圖5為利用霧霾相似日原理篩選溫度、風(fēng)速等級相近的1月12日～1月15日的連續(xù)4天，并利用控制變量法選取太陽輻照度最大的正午12:00進(jìn)行分析。由圖5可知，隨著c(PM2.5)的增大，太陽輻照度減小，當(dāng)空氣質(zhì)量變好時(shí)，輻照度開始上升，總體呈相反趨勢。1月13日c(PM2.5)為最大值61 μg/m3，輻照度為連續(xù)4天中最小值467.06 W/m2，1月14日輻照度為最大值625.37 W/m2，其c(PM2.5)最小為20 μg/m3。由此可見，c(PM2.5)對輻照度有明顯影響。

圖5 連續(xù)4天太陽輻照度對比圖

圖6、7所示為選取相同溫度及風(fēng)速等級相同的2 d在不同時(shí)段的太陽能輻照量對比圖。2018-01-26和01-30平均氣溫為-0.3 ℃，風(fēng)級為微風(fēng)，風(fēng)速為3.4～5.4 m/s。在9：00～16：00時(shí)間段，太陽輻照量最集中，在1 d中成拋物線變化。不同時(shí)間段，太陽輻照量隨PM2.5濃度值的變化而變化。c(PM2.5)越大,太陽輻照量越小;c(PM2.5)越小,太陽輻射量越大。c(PM2.5)與輻照量成反比關(guān)系。

圖6 1月26日c(PM2.5)與輻照量趨勢變化圖

圖7 1月30日c(PM2.5)與輻照量趨勢變化圖

3.4 霧霾對太陽損失輻照度的影響

如圖8所示，通過式(1)估算2018-01晴天中無霧霾下c(PM2.5)=0的輻照度及相應(yīng)的損失輻照度。在0：00～23：00之間，損失輻照度大多集中于9：00～16：00時(shí)間段內(nèi)，這也驗(yàn)證圖6選取時(shí)間段的正確性。9：00～16：00時(shí)間段內(nèi)，在c(PM2.5)的影響下，共損失輻照度為1 504.03 W/m2，平均損失輻照度167.11 W/m2。圖9可以更加直觀地觀察到c(PM2.5)與損失輻照度的關(guān)系。損失輻照度隨著c(PM2.5)的增大而增大，c(PM2.5)從13 μg/m3增加到186 μg/m3，相應(yīng)損失輻照度從46.48 W/m2增加到1 038.24 W/m2。擬合公式為

y=0.014 4x2+2.924 6x+2.597 4

R2=0.929 9

式中:y為損失輻照度;x為c(PM2.5);R2為擬合優(yōu)度的統(tǒng)計(jì)量，R2最大值為1。可以看出，損失輻照度與c(PM2.5)呈多項(xiàng)式關(guān)系，多數(shù)點(diǎn)符合擬合公式。

圖8 2018年1月晴天0:00～23:00損失輻照度分布圖

圖9 c(PM2.5)與損失輻照度關(guān)系

3.5 霧霾對光伏損失發(fā)電量的影響

通過式(3)估算c(PM2.5)為0的發(fā)電量。因本次實(shí)驗(yàn)每隔5 min記錄一次輻照度數(shù)據(jù)。因此，輻照量=輻照度×(5/60)。1月份晴天相似日之間在PM2.5影響下的發(fā)電量(實(shí)測發(fā)電量)總共為68.46 kW·h，c(PM2.5)為0的平均估算發(fā)電量為75.5 kW·h。在晴天相似日中，發(fā)電平均損失7.05 kW·h。損失比率為9.3%。

圖10所示為損失發(fā)電量與c(PM2.5)的餅狀圖。c(PM2.5)越大，損失的發(fā)電量所占比例就越大;c(PM2.5)越小，損失的發(fā)電量所占比例就越接近最小。當(dāng)c(PM2.5)為186 μg/m3時(shí)，損失發(fā)電量最大，所占比例為46%。因此，c(PM2.5)對損失發(fā)電量有很大影響。

圖10 c(PM2.5)影響下的損失發(fā)電量

圖11為光伏發(fā)電量損失指數(shù)與c(PM2.5)的擬合關(guān)系圖。光伏發(fā)電量損失指數(shù)可以直觀地反映c(PM2.5)對光伏發(fā)電量造成的損失程度。光伏發(fā)電量損失指數(shù)隨著c(PM2.5)的增加逐漸增加，c(PM2.5)越大，光伏發(fā)電量損失指數(shù)就越大。通過式(4)，當(dāng)c(PM2.5)為13 μg/m3，光伏發(fā)電量損失指數(shù)為0.02。當(dāng)c(PM2.5)為186 μg/m3，光伏發(fā)電量損失指數(shù)為0.24。光伏發(fā)電量損失指數(shù)與c(PM2.5)大致成冪次關(guān)系。

圖11 光伏發(fā)電量損失指數(shù)與PM2.5濃度值的擬合關(guān)系

4 結(jié) 論

本文針對霧霾對光伏組件性能的影響進(jìn)行了研究,對已有發(fā)電量公式進(jìn)行修正，提出了估算發(fā)電量的新公式，使其估算值與實(shí)測值之間的誤差在±5%之間。該公式考慮溫度因素，精確估算發(fā)電量。同時(shí)，提出光伏發(fā)電量損失指數(shù)概念，采用控制變量法和相似日原理，對c(PM2.5)與輻照度、輻照量、發(fā)電量及其相關(guān)損失進(jìn)行量化分析。該指數(shù)直觀描述c(PM2.5)對發(fā)電量的危害程度。本文所得結(jié)論如下：

(1) 霧霾對光伏組件主要有兩方面影響，① 霧霾天中的細(xì)顆粒濃度值越大，對太陽輻照度消光作用越強(qiáng);② 霧霾天中的細(xì)顆粒會造成光伏組件表面積灰嚴(yán)重，使得光伏組件發(fā)電量嚴(yán)重衰減。

(2) 霧霾中細(xì)顆粒物的PM2.5濃度與輻照度、輻照量呈反比關(guān)系。c(PM2.5)與輻照度損失、發(fā)電量損失成正比關(guān)系,c(PM2.5)越大，輻照度損失、發(fā)電量損失越嚴(yán)重。

(3) 光伏發(fā)電量損失指數(shù)ε直觀地反映c(PM2.5)對光伏組件發(fā)電量造成的損失程度，如果沒有考慮到霧霾而導(dǎo)致系統(tǒng)設(shè)計(jì)不足，可能影響整個(gè)光伏系統(tǒng)的可靠性及錯(cuò)誤的投資回報(bào)率。因此，光伏發(fā)電量損失指數(shù)ε對光伏裝機(jī)容量及投資者具有一定的參考作用。