太陽輻射數(shù)據(jù)分析及其在光伏系統(tǒng)設計中的應用

胡昌吉，屈柏耿，林為，段春艷

(佛山職業(yè)技術(shù)學院，廣東 佛山 528137)

光伏發(fā)電系統(tǒng)是利用太陽電池半導體材料的光伏效應將太陽光輻射能直接轉(zhuǎn)換為電能的新型發(fā)電系統(tǒng)，有獨立運行和并網(wǎng)運行2種方式。太陽輻射能是地球上最主要的能量來源，具有總量巨大、時間長久、利用清潔安全、存在普遍等優(yōu)點，同時具有不穩(wěn)定性、分散性、效率低和成本高等特點[1]；因此，在太陽能資源的開發(fā)利用中，首先應清楚了解其資源總量、分布特點和變化規(guī)律[2]。太陽能資源評估是對一定歷史時期內(nèi)某個位置或區(qū)域內(nèi)可用于能量轉(zhuǎn)換的太陽輻射進行的描述。目前，盡管光伏發(fā)電成本逐年降低，但仍高于傳統(tǒng)的水電和煤電。太陽能資源是決定光伏系統(tǒng)發(fā)電量及影響光伏電站收益的主要因素之一。太陽能資源受日地運動、地理條件及氣候條件等多種因素綜合影響，不同季節(jié)、不同氣象條件下地球上不同地區(qū)的太陽能資源分布各不相同[3]。

太陽輻射數(shù)據(jù)分析和評估對光伏發(fā)電項目各個階段都具有重要的意義[4]。在可行性研究階段，了解太陽輻射總量、穩(wěn)定性等信息有助于確定潛在的項目位置，估算光伏發(fā)電潛能，擬定光伏發(fā)電技術(shù)方案，從而評估光伏電站項目風險。太陽能資源分析可為光伏發(fā)電系統(tǒng)的站址選擇和技術(shù)方案確定提供重要的參考依據(jù)，分析結(jié)果的差異對光伏發(fā)電項目啟動及投資收益產(chǎn)生重大影響[5]；在設計階段，了解太陽輻射成分，有助于選擇最佳的發(fā)電技術(shù)方案，進行合理的系統(tǒng)配置，包括最佳傾角、光伏組件技術(shù)、安裝方式、光伏陣列與逆變器的容配比等；在施工、安裝調(diào)試階段，由于光伏陣列的性能與太陽輻照量、溫度等密切相關(guān)，且逆變器的輸出也與太陽輻照量相關(guān)，因此太陽輻射數(shù)據(jù)可用于光伏電站性能測試和試運行情況評估；在運行階段，則可根據(jù)光伏電站發(fā)電量、裝機容量和太陽輻射數(shù)據(jù)，計算光伏系統(tǒng)綜合效率系數(shù)，用于評估光伏發(fā)電系統(tǒng)性能[6]。

總之，掌握太陽能資源分布、充分利用太陽能資源、優(yōu)化光伏發(fā)電系統(tǒng)設計是降低光伏發(fā)電成本的關(guān)鍵。采用適當?shù)姆绞将@取有效的太陽能資源數(shù)據(jù)，利用先進的方法處理太陽能資源數(shù)據(jù)，依據(jù)國家頒布的太陽能資源評估標準(或規(guī)范)對擬開發(fā)光伏發(fā)電項目的太陽能資源進行分析，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的規(guī)劃設計有著重要的指導意義[7-11]。

本文的太陽輻射數(shù)據(jù)采集自位于佛山市三水區(qū)樂平鎮(zhèn)的太陽輻射現(xiàn)場觀測站。樂平鎮(zhèn)是廣東省科技廳命名的廣東省唯一的光伏專業(yè)鎮(zhèn)，其所在的三水區(qū)也啟動了廣東省首個國家新能源示范城市建設。大批光伏企業(yè)在樂平鎮(zhèn)聚集，并建設了大批光伏電站，初步形成光伏產(chǎn)業(yè)中下游產(chǎn)業(yè)鏈。因此，對佛山三水區(qū)的太陽能資源進行分析和評價具有實際應用價值。

1 太陽輻射數(shù)據(jù)分析

1.1 數(shù)據(jù)來源與質(zhì)量檢查

太陽輻射現(xiàn)場觀測站采用型號為CMP11的總輻射表和型號為CR800的數(shù)據(jù)采集器，太陽輻射數(shù)據(jù)采集時間為2013年1月至2017年12月，數(shù)據(jù)經(jīng)過嚴格的完整性、合理性以及極值等檢查[12]。

采用PVsyst軟件對太陽輻射數(shù)據(jù)進行質(zhì)量檢查。圖1為2017年4月1日的水平面太陽輻照度隨時間的變化圖。在晴朗的天氣條件下，實測的水平面太陽輻照度和晴空模型匹配很好，散射輻照度較低，沒有出現(xiàn)太陽輻照度異常值。實測太陽輻射曲線與晴空模型存在較小的時移，需要進一步修正。

圖1 PVsyst軟件中實測太陽輻射數(shù)據(jù)與晴空模型數(shù)據(jù)對比Fig.1 Comparisons between measured solar radiation data and clear sky model data in PVsyst software

圖2為2017年每天上午和下午逐小時的晴空指數(shù)分布圖。晴空指數(shù)(clearness index，量符號為KT)是指入射到水平面太陽總輻照量與大氣層外界太陽總輻照量之比[13]，上午和下午的晴空指數(shù)隨太陽高度角的變化對導入氣象數(shù)據(jù)的時移非常敏感。當時移為5 min時，晴空指數(shù)分布的對稱性會有較大變化，如圖2所示。當上午和下午的晴空指數(shù)統(tǒng)計分布較為一致時，表明導入的氣象數(shù)據(jù)質(zhì)量較好。如果導入數(shù)據(jù)存在晴空指數(shù)不對稱分布的情況，則當上午和下午的晴空指數(shù)最高點都很一致時所對應的時移是最佳的。經(jīng)檢驗，太陽輻射現(xiàn)場觀測站采集的太陽輻射數(shù)據(jù)質(zhì)量均較好。實測太陽輻照量數(shù)據(jù)時移修正值為5 min。

1.2 短期實測數(shù)據(jù)代表年訂正

將短期實測數(shù)據(jù)訂正為典型年數(shù)據(jù)的方法有比值法和相關(guān)法。由于缺乏參考氣象站長序列數(shù)據(jù)中的同期數(shù)據(jù)，采用Sandia法在2013—2017年的太陽輻射數(shù)據(jù)中挑選12個具有代表性的典型月組成一個理想的太陽能資源典型年。Sandia法采用Finkelstein-Schafer統(tǒng)計算法，通過對比所選月份的逐年累積分布曲線與長期累積分布曲線的接近程度來選取典型氣象年[14]。

2013—2017年的1月水平面太陽總輻照量的逐年累積分布曲線與長期累積分布曲線對比如圖3所示?？梢钥闯?，2014年和2016年1月的曲線與長期累積分布曲線偏離較大，而2017年1月的曲線與長期累積分布曲線最接近。因此，2017年1月被選為近5年的1月典型月，并以此類推，選擇其他11個典型月，最終形成太陽能資源典型年。

圖2 晴空指數(shù)分布Fig.2 Clearness index distribution

圖3 1月水平面太陽總輻照量的逐年累積分布曲線與長期累積分布曲線對比(2013—2017年)Fig.3 Comparison of cumulative distribution function of monthly global horizontal irradiation and long-term cumulative distribution function (2013—2017)

1.3 太陽輻射狀況分析

1.3.1 太陽輻射總量分析

2013—2017年水平面太陽總輻照量為1 280～1 350 kWh/(m2·a)，折算成峰值日照時間為3.5～3.7 h，如圖4所示。

圖4 2013—2017年水平面太陽總輻照量變化曲線Fig.4 Variation of total horizontal solar radiation(2013—2017)

基于太陽能資源典型年數(shù)據(jù)，可得到年水平面太陽總輻照量約為1 303 kWh/(m2·a)。按照QX/T 89—2018《太陽能資源評估方法》，佛山三水地區(qū)屬于太陽能資源豐富區(qū)[12]。其中，6—9月的總輻照量較大，而11—12月、1—4月的總輻照量較小，具體數(shù)據(jù)見表1。

表1 太陽能資源典型年太陽輻照量數(shù)據(jù)Tab.1 Solar radiation data for typical years of solar energy resource

1.3.2 太陽能資源直射比等級

當水平面上日落時的時角ωs<81.4°時，

(1)

當水平面上日落時的時角ωs為81.4°時，

(2)

月平均散射輻照量可由下式計算：

(3)

計算得到的直射比為0.41，即太陽能資源直射比等級為C級，散射輻射成分較多[12]。尤其是3—5月，太陽輻射成分中以散射輻射為主。3—5月的月平均直射比較低，陰雨天氣是主要的原因。其他月份的直射比均不大于0.5，這與南方地區(qū)濕潤溫暖的氣候有關(guān)。具體數(shù)據(jù)見表2。

1.3.3 太陽能資源穩(wěn)定性分析

典型年各月水平面太陽總輻照量最小值為3月的1.99 kWh/(m2·d)，最大值為8月的4.98 kWh/(m2·d)。太陽能資源年變化特征及穩(wěn)定度等級為最小值與最大值之比，計算值為0.40，即太陽能資源處于穩(wěn)定等級[12]，有利于光伏項目的利用開發(fā)。2013—2017年太陽能資源穩(wěn)定性分析數(shù)據(jù)見表3，可以看出，最低輻照量月份多為3月，而最高輻照量月份為6—8月。

1.3.4 太陽能資源日變化特征分析

太陽能資源日變化特征的分析，可以針對各月代表日(即日天文輻照量最接近當月平均值的日期，可通過天文輻射的理論計算得到)，從天文平均的角度評價太陽輻射的日變化特征，從而得到1 d中太陽能資源的穩(wěn)定程度[17]。但是考慮了天氣影響后，各月的代表日并不一定就是能反映典型天氣條件的典型日；因此，只考慮影響更為重要的天氣條件對太陽輻射日變化特征的影響。依據(jù)晴空指數(shù)將天氣類型進行劃分為陰天(KT≤0.3)、多云天(0.3

表2 太陽能資源典型年太陽散射輻照量和直射比數(shù)據(jù)Tab.2 Diffuse radiation and direct radiation ratio data in typical years of solar energy resources

以2014年10月為例：晴天典型日為10月15日，對應的KT值為0.59，太陽輻照量為5.12 kWh/(m2·d)；陰天典型日為10月26日，對應的KT值為0.23，太陽輻照量為1.92 kWh/(m2·d)；多云天典型日為10月4日，對應的KT值約0.47，太陽輻照量為4.24 kWh/(m2·d)。

不同天氣條件對太陽輻照度變化影響較大，如圖5所示。晴天的太陽輻照度變化最小，其次是陰天，波動最大的是多云天。采用短期實測太陽輻射數(shù)據(jù)中的分鐘值，對太陽輻照度的時間序列進行差分處理，除以時間尺度(1 min)，得到太陽輻照度變化速率，如圖6所示。多云天的輻照度變化速率可達150 W/(m2·min)，陰天為100 W/(m2·min)。由于輻照度正負變化速率產(chǎn)生的波動對光伏電站產(chǎn)生的影響，與光伏電站出力、電能質(zhì)量等[19-21]類似，可通過輻照度變化速率絕對值的累積分布曲線，進一步分析不同典型天氣條件下輻照度變化速率的分布情況，如圖7所示。晴天條件下，最大變化速率小于20 W/(m2·min)；陰天條件下，變化速率小于20 W/(m2·min)的概率為95%，最大變化速率為100 W/(m2·min)；多云條件下，變化速率小于20 W/(m2·min)的概率為80%，最大變化速率為150 W/(m2·min)。

表3 2013—2017年太陽能資源穩(wěn)定性分析Tab.3 Stability analysis of solar energy resources(2013—2017)

注：b為月最低輻照量與月最高輻照量的比值。

圖5 2014年10月典型天氣條件下實測太陽總輻照度Fig.5 Totalsolar irradiance measured under typical weather conditions in October 2014

圖6 典型天氣條件下實測太陽總輻照度變化速率Fig.6 Variation rate of measured totalsolar irradiance under typical weather conditions

水平面太陽總輻照度分布頻率反映了太陽能資源豐富程度，并影響光伏組件和逆變器的轉(zhuǎn)換效率，進而對光伏電站的發(fā)電效率和發(fā)電量產(chǎn)生影響[22-23]。水平面太陽總輻照度分布頻率最大的區(qū)間為0～100 W/m2，占比約為35%；高輻照度區(qū)間(大于700 W/m2)占比約為10%；中低輻照度區(qū)間(100～700 W/m2)占比約為55%；大于1 000 W/m2輻照度區(qū)間的分布頻率接近0，如圖8所示。

圖7 太陽輻照度變化速率絕對值的累積分布曲線Fig.7 Cumulative distributioncurves of absolute values of solar irradiance variation rates

圖8 水平面太陽總輻照度各區(qū)間占比Fig.8 Proportion of each interval of total horizontal solar irradiance

對比當?shù)貢r間上午(09：00—10：00)、中午(11：00—13：00)和下午(14：00—15：00)3個時段的太陽能資源，結(jié)果見表4。中午時段的太陽能資源最為豐富，全年占比達到40%以上，是上午和下午時段的2倍，這表明中午時段是最有利于太陽能資源利用的時段。09：00—15：00時段的太陽能資源全年總占比約為84%，充分利用該時段的太陽輻照量，可以有效提升光伏電站的發(fā)電量[24]。

表4 不同時段太陽能資源的分布情況Tab.4 Distribution of solar energy resources in different periods

2 太陽輻射數(shù)據(jù)的應用

2.1 光伏電站最佳傾角分析

基于典型氣象年的太陽輻射數(shù)據(jù)，采用Klein和Theilacker提出K-T方法[25-26]，由水平面太陽總輻照量推算出不同傾角情況下的光伏組件表面的月均輻照量

(4)

(5)

(6)

ωs=arccos(-tanφtanδ).

(7)

(8)

式(6)—(8)中：φ為當?shù)鼐暥龋沪臑樘柍嗑?；n為一年中某一天的順序數(shù)，如1月1日為1，12月31日為365，依此類推；G為G函數(shù)。

G函數(shù)的定義為

(a′A-bB)(sinω1-sinω2)-a′C(cosω1-cosω2)+

(9)

(10)

(11)

計算得到的全年最大太陽總輻照量為3.62 kWh/(m2·d)，對應的最佳傾角為16°。影響光伏組件最佳傾角的因素主要為天文、地理和氣象[7]。由于散射輻射成分較多，因此最佳傾角比當?shù)鼐暥?北緯23.24°)低一些[27]。

在佛山三水地區(qū)，可調(diào)光伏支架不論是半年調(diào)節(jié)、每季調(diào)節(jié)還是每月調(diào)節(jié)，太陽輻照量的增益并不明顯。與固定式支架相比，每月調(diào)節(jié)支架的最高增益只有2.8%，具體數(shù)據(jù)見表5。

2.2 不同光伏支架類型分析

選擇用于評價逆變器效率的4類太陽資源典型地區(qū)與佛山三水地區(qū)進行比較[28]。以5 kW(峰瓦)的光伏電站為例，假定系統(tǒng)的綜合效率系數(shù)相同，采用PVsyst軟件仿真研究在不同太陽能資源地區(qū)、不同支架類型對光伏電站發(fā)電量的影響，結(jié)果見表6。佛山三水地區(qū)處于第4類太陽資源典型地區(qū)，不同類型光伏支架對光伏電站發(fā)電量的影響與廣州地區(qū)相似。可以看出，跟蹤光伏支架對光伏電站發(fā)電量的提升并不顯著，即便是雙軸跟蹤光伏支架所帶來的發(fā)電量增益僅為15%左右，遠低于第1類地區(qū)(如格爾木地區(qū))的發(fā)電量增益。

表5 光伏支架安裝調(diào)節(jié)方式對應的最佳傾角及太陽輻照量Tab.5 Optimum inclination angle andsolar irradiation for different installation and adjustment modes of photovoltaic support

注：所有“增益”均以因定式支架安裝方式為基準。

2.3 容配比分析

由于大部分時間太陽輻照度在1 kW/m2以下，且光伏組件到逆變器之間存在線損、光伏組件之間串聯(lián)失配、陰影遮擋等損失，逆變器基本處于非滿負荷運行狀態(tài)，造成了容量的浪費[29]。

以額定功率輸出為5 kW的逆變器為例，光伏組件容量和逆變器容量比(即容配比)從1.0增加至1.4，采用PVsyst軟件進行系統(tǒng)仿真，可得到不同容配比時的光伏電站的能量損失，見表7。逆變器的能量損失隨容配比增大而逐漸增大，包括逆變器正常工作過程中的能量損失和因逆變器限功率運行產(chǎn)生的能量損失2個部分。盡管限功率損失占逆變器功率損失的比例從容配比為1.0時的0%變化到容配比為1.4時的27.11%，但是限功率損失占發(fā)電量損失的比例依然很低，最大時只有1%左右。容配比受到逆變器輸入電壓的極限值的限制以及光伏系統(tǒng)的經(jīng)濟性，如度電成本、投資內(nèi)部收益率等因素的影響，因此容配比并非越大越好[30]。

表6 在不同太陽能資源地區(qū)、不同支架類型對5 kW(峰瓦)光伏電站發(fā)電量的影響Tab.6 Influences of different supports on power generation capacity of 5 kWp photovoltaic station in different solar energy areas

表7 5 kW(峰瓦)光伏電站在不同容配比時的能量損失Tab.7 Energyloss of 5 kWp photovoltaic power station at different capacity ratio

3 結(jié)論

太陽能資源評估工作對光伏電站項目開發(fā)、規(guī)劃設計有重要意義。本文通過對太陽輻射現(xiàn)場觀測站數(shù)據(jù)的分析，得出結(jié)論：佛山三水地區(qū)屬于太陽能資源的豐富區(qū)，且太陽能資源處于穩(wěn)定等級，有利于光伏項目的利用開發(fā)；太陽輻射成分中以散射輻射為主；固定式安裝光伏方陣的最佳傾角為16°，可調(diào)光伏支架對光伏電站發(fā)電量的提升約為3%，雙軸跟蹤光伏支架對發(fā)電量的提升約為15%；時段09：00—15：00的太陽能資源占全年的84%，是最有利于太陽能資源利用的時段；太陽輻照度100～700 W/m2的中低輻照度在水平面太陽總輻照度分布中占比最大；光伏容配比的提高有助于提升光伏電站的發(fā)電量。