貴州省光伏電站集中開發(fā)區(qū)太陽能資源評估

丁立國，黃晨然

(貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

0 引言

貴州省的能源結(jié)構(gòu)以煤為主，燃煤造成的環(huán)境污染日益突出，調(diào)整能源結(jié)構(gòu)，增加替代能源，實現(xiàn)能源的可持續(xù)發(fā)展和解決廣大山區(qū)農(nóng)村的能源問題已迫在眉睫，要求必須加快太陽能等可再生能源的開發(fā)利用[1]。貴州省是我國太陽能資源相對匱乏的地區(qū)，但是貴州省西部威寧、盤縣等地區(qū)太陽能資源相對豐富，具備一定的開發(fā)價值，陳娟等[2]利用貴州省所有氣象站到達(dá)地面太陽輻射和日照實測資料，對貴州太陽能利用帶進行區(qū)域氣候劃分和綜合潛力評價，其中貴州西部地區(qū)被劃分為太陽利用資源豐富帶，約占貴州總面積的18%，屬于貴州省太陽能高效利用最佳區(qū)域。該區(qū)域的地形多以高海拔山地為主，利用當(dāng)?shù)鼗纳胶吞柲苜Y源，可改善當(dāng)?shù)仉娋W(wǎng)結(jié)構(gòu)，為貴州電網(wǎng)提供清潔可再生能源，保護當(dāng)?shù)厣鷳B(tài)環(huán)境；同時有利于人民群眾增收就業(yè)，有利于人民群眾生活方式變革，具有明顯的產(chǎn)業(yè)帶動和社會效益。

本文利用貴州省光伏電站集中開發(fā)區(qū)僅有的威寧、水城、興仁和紫云4個輻射站2011年1月—2016年2月的月總輻射和日照時數(shù)資料，采用氣候?qū)W輻射模型推算方法得到了適合該地區(qū)的太陽能總輻射氣候?qū)W計算公式，并由此對該地區(qū)的太陽能資源進行評估。

1 資料和方法

1.1 資料

本文選取貴州省光伏電站集中開發(fā)區(qū)的威寧、水城、興仁和紫云4個輻射站2011年1月—2016年2月的月總輻射和日照百分率資料以及該地區(qū)18個站點2009—2018年的月日照時數(shù)資料。

1.2 方法

1.2.1 研究區(qū)域的選取 本文根據(jù)貴州近幾年光伏企業(yè)在貴州開發(fā)光伏電站的選址位置，選擇貴州西部和西南部18個縣作為貴州省光伏電站集中開發(fā)區(qū)的評估區(qū)域，該區(qū)域包括了貴州省90%以上的光伏電站開發(fā)選址，選址分布情況如圖1所示。

1.2.2 計算方法 根據(jù)氣候?qū)W輻射模型推算方法，太陽總輻射Q的氣候?qū)W計算公式為：

Q=Q0(ag+bg×S)

(1)

式中：Q0為水平面天文輻射，S為日照百分率，ag、bg為經(jīng)驗系數(shù)。本文在推算太陽輻射值時，以月的實測太陽輻射數(shù)據(jù)與日照百分率來擬合得到ag、bg系數(shù)，從而計算得到輻射值。

2 太陽能資源分析

2.1 氣候?qū)W模型推算

將威寧、水城、興仁和紫云4個站點2011年1月—2016年2月的月總輻射和日照百分率資料序列合并，剔除缺測和無效數(shù)據(jù)，樣本長度為219，代入式(1)計算經(jīng)驗系數(shù)ag、bg,得到太陽總輻射Q的氣候?qū)W計算公式為：

Q=Q0(0.163 9+0.625 9×S)

(2)

總輻射和日照百分率的相關(guān)系數(shù)R=0.80，通過了α=0.01的顯著性檢驗，可以認(rèn)為二者有很好的正相關(guān)關(guān)系。

利用式(2)計算得到的4個站點的年總輻射結(jié)果與年觀測值(無缺測觀測的年平均值)做誤差分析，結(jié)果如表1。

表1 4個輻射站年地面太陽總輻射的計算值與實測值對比Tab.1 Comparison of the calculated value and measured value of yearly total solar radiation in 4 radiation stations

從表1可以看出，該模型計算的4個輻射站的太陽總輻射相對誤差均低于6%，這一誤差水平明顯低于我國西南部區(qū)域的同類研究。因此，從誤差分析來看，上面得到的氣候?qū)W模型完全可以用于推算貴州省光伏電站集中開發(fā)區(qū)無輻射觀測點的太陽總輻射。

2.2 太陽能總輻射資源分析

本文選取光伏電站集中開發(fā)區(qū)18個縣市區(qū)進行該區(qū)域的太陽能總輻射資源分析。將各個站點2009—2018年的年平均日照百分率和年總天文輻射代入式(2)中，計算各個站點近10 a的太陽能年總輻射值。

經(jīng)過推算，貴州省光伏電站集中開發(fā)區(qū)總輻射平均值為4 340.3 MJ/m2。年總輻射除六枝外，其他站點均在4 000 MJ/m2以上，其中最大值出現(xiàn)在盤州站。按照《太陽能資源等級 總輻射》(GB/T 31155-2014)資源豐富等級標(biāo)準(zhǔn)，貴州省光伏電站集中開發(fā)區(qū)全年太陽能資源總量處于資源豐富等級(圖2)。

圖2 貴州省光伏電站集中開發(fā)區(qū)太陽能總輻射資源分布圖(單位：MJ/m2)Fig.2 Distribution of total solar radiation resources in photovoltaic power station centralized development zone of Guizhou Province(Unit: MJ/m2)

2.3 太陽能資源穩(wěn)定度分析

總輻射各月平均日輻照量的多年平均值的最小值與最大值的比值表示太陽能資源穩(wěn)定程度，比值越大，說明太陽能資源全年變化越穩(wěn)定，就越利于太陽能資源的利用。通過計算，貴州省光伏電站集中開發(fā)區(qū)太陽能資源穩(wěn)定度在0.24～0.57之間。按照《太陽能資源等級 總輻射》(GB/T 31155-2014)資源穩(wěn)定度等級標(biāo)準(zhǔn)，貴州西部邊緣的威寧和盤州處于資源很穩(wěn)定等級，水城、普安、興仁、興義、安龍?zhí)幱谫Y源穩(wěn)定等級，其余地區(qū)在一般或欠穩(wěn)定等級。穩(wěn)定度等級自西向東逐漸降低(圖3a)。

2.4 日照有效性分析

國內(nèi)外一般利用各月日照時數(shù)>6 h的天數(shù)為指標(biāo)，反映太陽能資源的利用價值；據(jù)研究，在貴州日照時數(shù)>3 h的天數(shù)能夠在一定程度上反映分布式太陽能資源的利用價值，因此我們選取大于6 h和大于3 h的天數(shù)進行日照有效性分析。

貴州光伏電站集中開發(fā)區(qū)18個站點日照>6 h的天數(shù)在100～150 d之間，其中威寧、盤州、普安、興義和安龍在130 d以上(圖3b)。大于3 h的天數(shù)在145～208 d之間，威寧、盤州、普安、興義、安龍、冊亨和望謨在190 d以上(圖3c)，具備一定的太陽能資源開發(fā)利用價值。大于6 h和大于3 h的天數(shù)自西向東逐漸減少。

圖3 貴州省光伏電站集中開發(fā)區(qū)太陽能資源穩(wěn)定度(a)、日照時數(shù)>6 h(b)和>3 h(c)天數(shù)分布圖Fig.3 Distribution of solar energy resource stability(a),days of sunshine greater than 6 hours(b),greater than 3 hours(c) in photovoltaic power station centralized development zone of Guizhou Province

3 結(jié)論

①經(jīng)過氣候?qū)W推算及誤差檢驗，計算公式可以用于推算貴州省西部地區(qū)無輻射觀測臺站的太陽總輻射。

②貴州省光伏電站集中開發(fā)區(qū)太陽能資源豐富，穩(wěn)定度大部在一般等級以上，西部邊緣地區(qū)可達(dá)很穩(wěn)定等級，日照時數(shù)>6 h和3 h的天數(shù)較多，適合太陽能資源開發(fā)利用。