天津生態(tài)城太陽輻射特征分析及算法評估

侯敏 黃安寧 黃鶴 卜清軍 王國松 王彩霞

(1 天津市濱海新區(qū)氣象局，天津 300457;2 南京大學(xué) 大氣科學(xué)學(xué)院， 南京 210023;3 天津市氣候中心，天津 300061;4 國家海洋信息中心，天津 300171)

引 言

太陽能光伏發(fā)電技術(shù)是當(dāng)今世界可再生能源發(fā)電領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)。天津生態(tài)城位于天津市濱海新區(qū)北部，是政府應(yīng)對全球氣候變化、節(jié)約資源能源、建設(shè)和諧社會的重大戰(zhàn)略性項(xiàng)目[1]。生態(tài)城優(yōu)先發(fā)展可再生能源，綜合利用風(fēng)能、太陽能、地?zé)崮艿染G色能源，減少對環(huán)境的影響。

太陽能作為常規(guī)能源的補(bǔ)充，充分利用太陽能資源是生態(tài)城建設(shè)的重要部分[2-4]。至今生態(tài)城已完成9.27 MW太陽能光伏電站的建設(shè)，并實(shí)現(xiàn)并網(wǎng)運(yùn)行。而太陽輻射是太陽能熱利用、建筑設(shè)計(jì)等的基本參數(shù)之一[5-6]。為了更多地獲取太陽能資源，通常將太陽能電池板傾斜放置，但目前氣象臺站僅開展了水平面上的太陽輻射觀測，觀測到的只是水平面上的太陽輻射，而對于光伏電站也極少配備與太陽能電池板傾角一致的傾斜面太陽輻射觀測，此外，中尺度數(shù)值天氣模式提供的未來72 h逐時(shí)地面太陽輻射亦為水平面上，因此，光伏電站在實(shí)際運(yùn)行過程中所采用的有效輻射——傾斜面上的太陽輻射，需要通過計(jì)算模型[7-13]計(jì)算得到。

傾斜面太陽輻射計(jì)算模型的建立一般基于幾何光學(xué)理論，主要是考慮直接輻射和散射輻射，在沒有直接輻射和散射輻射觀測的情況下，引入直射比對總輻射進(jìn)行“直散分離”是行之有效的方法，但由于近年來，受氣候變化和城市化影響，京津冀地區(qū)霧霾頻發(fā)，嚴(yán)重影響了直接輻射和散射輻射在總輻射中的比例，因此，需要討論模型在生態(tài)城的適用性，這對京津冀地區(qū)的太陽能利用具有一定指導(dǎo)意義。

為評估生態(tài)城太陽能資源，更準(zhǔn)確地為生態(tài)城光伏發(fā)電提供專業(yè)氣象服務(wù)和對策研究，濱海新區(qū)氣象局與天津市氣象局合作開展了生態(tài)城太陽能資源觀測實(shí)驗(yàn)、生態(tài)城光伏發(fā)電量預(yù)報(bào)預(yù)測關(guān)鍵技術(shù)研究、評估和服務(wù)工作。本文利用生態(tài)城太陽能觀測實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，深入分析太陽輻射特征以及天氣條件對太陽輻射的影響，并討論不同模型計(jì)算得到的傾斜面太陽輻射的效果及誤差來源。

1 觀測實(shí)驗(yàn)與數(shù)據(jù)處理

1.1 場地與儀器介紹

太陽能輻射站設(shè)在生態(tài)城污水處理廠屋頂，四周空曠、無高大建筑和白色反射體，觀測站配有兩臺太陽總輻射傳感器(圖1)，一臺水平放置，一臺傾斜放置(朝向正南，傾角為21.5°，與太陽能電池板相同)，型號均為TBQ-2-B(北京華創(chuàng)風(fēng)云科技有限責(zé)任公司)，光譜范圍300～3 000 nm，輻射范圍 0～2 000 W·m-2，年穩(wěn)定度小于±2%，余弦響應(yīng)≤7%(太陽高度角10°時(shí))，采樣時(shí)間間隔1 min。為保證觀測數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和一致性，安裝前對兩臺傳感器進(jìn)行了校準(zhǔn)和同步觀測，觀測期間定期對傳感器玻璃罩面進(jìn)行除塵和擦拭，避免因傳感器積灰造成觀測誤差。

圖1 TBQ-2-B太陽總輻射表儀器

1.2 數(shù)據(jù)處理與方法

1.2.1 質(zhì)量控制

本文采用的觀測數(shù)據(jù)為2014年8月14日至2015年8月12日期間水平面太陽輻照度和傾斜面太陽輻照度09—16時(shí)(北京時(shí),下同)逐小時(shí)值。圖2a給出了水平面輻照度和傾斜面輻照度散點(diǎn)，總體上看兩者之間具有很好的一致性，相關(guān)系數(shù)為0.940，大部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)分布在擬合趨勢線附近，但仍存在一小部分?jǐn)?shù)據(jù)點(diǎn)偏離較大，均方根誤差為90.272，因此需要對觀測數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制。

文中采用的數(shù)據(jù)質(zhì)量控制方法是：首先對水平面輻照度和傾斜面輻照度進(jìn)行線性擬合，然后將水平面輻照度作為自變量，利用擬合公式計(jì)算出對應(yīng)的傾斜面輻照度，并進(jìn)一步給出傾斜面輻照度實(shí)測值和計(jì)算值之間的差值和平均差值，最終剔除差值大于平均差值3倍的點(diǎn)。圖2b給出了經(jīng)過質(zhì)量控制后兩者的散點(diǎn)分布，可以看到兩者表現(xiàn)出非常好的一致性，且水平面輻照度和傾斜面輻照度的相關(guān)系數(shù)值升高為0.956，均方根誤差降至75.677。

圖2 水平面輻照度和傾斜面輻照度散點(diǎn)：(a)質(zhì)量控制前；(b)質(zhì)量控制后

對數(shù)據(jù)進(jìn)行質(zhì)量控制后，將逐小時(shí)的輻照度轉(zhuǎn)化為小時(shí)曝輻量，并將每日09—16時(shí)曝輻量累加作為該日總曝輻量，在此基礎(chǔ)上計(jì)算月平均曝輻量、季總曝輻量和年總曝輻量。為了更好地體現(xiàn)太陽輻射的物理規(guī)律和季節(jié)特征，采用春分、夏至、秋分和冬至作為季節(jié)分界，即春季：3月22日—6月22日；夏季：6月23日—9月22日；秋季：9月23日—12月22日；冬季：12月23日—3月21日。

1.2.2 傾斜面太陽輻射計(jì)算模型

傾斜面太陽總輻射包括傾斜面接收到的直接輻射、散射輻射和反射輻射，其中直接輻射和反射輻射計(jì)算方法較簡單，但對于散射輻射，因天空存在各向同性和各向異性的差異，所以計(jì)算模型有所不同。本文采用的一種是Klein[8]提出的各向同性模型，另一種是Hay[9]提出的各向異性計(jì)算模型。

(1)各向同性計(jì)算模型。傾斜面太陽總輻射計(jì)算公式為：

，

(1)

其中：Hθ為傾斜面太陽總輻射；Hb為水平面直接輻射；Rb為傾斜面直接輻射與水平面直接輻射的比值；H為水平面太陽總輻射；θ為斜面傾角；ρ為地面反射率。

Rb計(jì)算公式為：

(2)

其中:W為太陽赤緯；h為地理緯度；ksr為傾斜面上的日出時(shí)角；kss為傾斜面上的日落時(shí)角；V為斜面方位角；ks為水平面上的日落時(shí)角。

ksr和kss計(jì)算公式為：

(3)

(4)

(2)各向異性計(jì)算模型。傾斜面太陽總輻射計(jì)算公式為：

(5)

式中：Ho為大氣層頂天文輻射。

(3)“直散分離”計(jì)算方法

采用Erbs[14]提出的“直射比”的方法實(shí)現(xiàn)總輻射的“直散分離”。直射比定義為直接輻射在總輻射中所占的比例，其計(jì)算方法如下：

，

(6)

式中：A為直射比。直射比可用大氣透明度系數(shù)來表示。大氣透明度系數(shù)為地面實(shí)際觀測到的總輻射與大氣層頂天文輻射的比值，其與直射比的關(guān)系如下：

(7)

式中：kT為大氣透明度系數(shù)；a0、a1、c0、c1、c2、c3、c4為回歸方程的擬合系數(shù)，無量綱，a0=0.09,a1=0.835,c0=0.048 9,c1=0.160 4,c2=4.388,c3=16.638,c4=12.366；b0、b1為分段擬合的劃分區(qū)間系數(shù)，無量綱,b0=0.22,b1=0.80。

1.2.3 傾斜面太陽輻射計(jì)算模型評估

評估不同計(jì)算模型時(shí)，采用相對誤差、相關(guān)系數(shù)、平均偏差、均方根誤差和t-統(tǒng)計(jì)量5種統(tǒng)計(jì)學(xué)測試方法[7]。其中，平均偏差為計(jì)算值與觀測值差值的平均值，值越接近于0，模型的準(zhǔn)確度越高，均方根誤差是用來檢驗(yàn)數(shù)據(jù)的離散性，值越小，模型精密度越高[15-18]。但由于平均偏差和均方根誤差的固有缺陷，會出現(xiàn)平均偏差大(小)而均方根誤差小(大)同時(shí)存在的結(jié)果，因此引入t-統(tǒng)計(jì)量[19]，將平均偏差和均方根誤差都考慮在內(nèi)，對模型的評估更有說服力，值越小表明算法性能越好。

2 結(jié)果分析

2.1 生態(tài)城太陽輻射基本特征

圖3給出了生態(tài)城水平面和傾斜面曝輻量月均值的年時(shí)間序列。整體上二者變化均呈單峰型分布，最大值出現(xiàn)在5月，最小值出現(xiàn)在1月；6月，兩者同時(shí)相對較低，而7月又有所增加，根據(jù)2015年歷史資料分析發(fā)現(xiàn)，5月和7月月日照時(shí)數(shù)分別為300.1 h和232.8 h，均比歷年平均值高，日照偏多，而6月月日照時(shí)數(shù)為227.2 h，比歷年平均值低，日照偏少；另外，降水方面，5月出現(xiàn)9次降水天氣過程，6月出現(xiàn)14次，降水天氣對太陽輻射影響較大，從而導(dǎo)致6月曝輻量偏低。4—9月，水平面曝輻量普遍高于傾斜面，3月和10月兩者大小相當(dāng)，其他月份傾斜面曝輻量則明顯高于水平面。因此對于電站來說，采用水平面總輻射觀測進(jìn)行月發(fā)電量評估并不十分準(zhǔn)確。此外，從年總曝輻量(表1)也可以看到，水平面總曝輻量比傾斜面高出124.2 MJ·m-2。季節(jié)上，總曝輻量總體表現(xiàn)為：春季>夏季>冬季>秋季，春、夏季水平面總曝輻量大于傾斜面，而秋、冬季則相反。從以上分析可知，觀測到的水平面曝輻量和傾斜面曝輻量在月平均、季節(jié)和年總量上存在較大差異，對于光伏電站來說，僅僅利用水平面輻射觀測進(jìn)行發(fā)電量的月、季節(jié)和年的評估和預(yù)估必然會導(dǎo)致較大偏差，因此，為準(zhǔn)確評估電站地點(diǎn)的太陽能資源和光伏發(fā)電量，應(yīng)開展至少1 a的平行于太陽能電池板的傾斜面輻射觀測。

圖3 生態(tài)城水平面曝輻量和傾斜面曝輻量年變化

表1 年總曝輻量和不同季節(jié)總曝輻量

圖4給出了晴天、少云、多云、陰天和雨天5種不同天氣條件下傾斜面輻照度日變化曲線，其中，日間沒有特殊天氣現(xiàn)象、日平均總云量小于30%、能見度大于15 km記為晴天，日平均總云量30%～50%記為少云，日平均總云量60%～90%記為多云，日平均總云量大于90%記為陰天，當(dāng)白天有持續(xù)降水時(shí)則記為雨天。可以看到，晴天和少云條件下，全天輻照度均維持在較高水平，16時(shí)最小，12時(shí)最大，日變化為光滑拋物線型，說明晴天和少云天氣太陽輻射充足、利用率大，日變化緩慢且穩(wěn)定，并網(wǎng)發(fā)電時(shí)對電網(wǎng)的沖擊?。欢嘣坪完幪鞐l件下，輻照度明顯低于晴天和少云，日變化均呈現(xiàn)鋸齒狀分布，波動幅度較大，若并網(wǎng)發(fā)電將對電網(wǎng)帶來一定沖擊；雨天輻照度最低，基本維持在200 W·m-2以下，且日變化不明顯，說明雨天太陽能利用率低，此時(shí)電站需要調(diào)整供電計(jì)劃，同時(shí)開展對電網(wǎng)的維護(hù)維修。同時(shí)可發(fā)現(xiàn)，晴天或少云條件下，輻照度在12時(shí)達(dá)到最大，多云、陰天、雨天條件下，輻照度均在13時(shí)達(dá)到最大。影響太陽輻射的因素主要有太陽高度角、云層覆蓋率、氣溫、相對濕度和地表溫度等。晴天或少云情況下，受太陽高度角影響最大，太陽高度角一般在正午時(shí)刻達(dá)到最大，因此太陽輻射一般在12時(shí)左右達(dá)到峰值，而云量較多情況下，首先太陽高度角的影響降低，云層對太陽輻射的衰減作用使得輻照度偏低，另外地表溫度是太陽輻射對地表影響的直接表現(xiàn)，地面吸收太陽輻射能之后，再通過輻射、傳導(dǎo)和對流將所獲得的熱量傳給大氣，進(jìn)而使大氣溫度升高，最終影響太陽輻射，而這一系列熱量輸送過程可能就是在多云、陰天、雨天等天氣條件下斜面輻照度峰值出現(xiàn)時(shí)刻滯后的原因[20]。

圖4 生態(tài)城典型天氣條件下傾斜面輻照度日變化

總之，太陽輻射的日變化存在一定的隨機(jī)性、波動性，這些對電力系統(tǒng)的穩(wěn)定性有影響，因此電力系統(tǒng)需要根據(jù)不同天氣狀況及時(shí)調(diào)整發(fā)電計(jì)劃，制定常規(guī)能源發(fā)電和光伏發(fā)電規(guī)劃，減少備用旋轉(zhuǎn)容量，從而使電力系統(tǒng)保持穩(wěn)定，減少資源的浪費(fèi)。

2.2 傾斜面太陽輻射計(jì)算模型評估

由上文分析可知，水平面曝輻量和傾斜面曝輻量之間無論是在月平均上還是在季節(jié)和年總量上均存在較大的差異，因此利用傾斜面曝輻量對光伏電站發(fā)電量進(jìn)行評估和預(yù)估更為合理，但一般情況下，光伏電站建站前太陽能資源評估和發(fā)電量預(yù)估工作中，沒有開展長期的傾斜面輻射觀測，更多的則是采用當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供的水平面太陽輻射數(shù)據(jù)，結(jié)合各向同性或各向異性傾斜面計(jì)算模型開展評估工作，這必然涉及到兩種模型的計(jì)算精度問題，因此，本文利用生態(tài)城1 a的水平面和傾斜面總輻射的觀測資料，評估兩種模型的計(jì)算精度，并深入分析造成誤差的原因。

表2給出了兩種模型計(jì)算得到的傾斜面輻射值與實(shí)測值之間的相關(guān)系數(shù)、平均偏差、均方根誤差和t-統(tǒng)計(jì)量的結(jié)果?？梢钥吹剑瑑煞N模型的相關(guān)系數(shù)和均方根誤差基本沒有差異，但各向異性模型的平均偏差絕對值和t-統(tǒng)計(jì)量更小，因此總體上兩種模型計(jì)算效果相當(dāng)，各向異性模型稍好，在實(shí)際應(yīng)用中選擇任意一種模型進(jìn)行傾斜面太陽輻射計(jì)算均可行。但是兩種模型計(jì)算結(jié)果相對于實(shí)測值仍存在較大誤差(圖5)，對于各向異性計(jì)算模型，雖然相對誤差小于30%的比例達(dá)到90%，但是相對誤差小于10%的比例僅為28%，此外，仍有10%的結(jié)果相對誤差超過30%，甚至更高，且經(jīng)統(tǒng)計(jì)可得計(jì)算值的絕對差值范圍在-271～137 W·m-2之間。

表2 兩種模型傾斜面輻射計(jì)算值統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

圖5 兩種計(jì)算模型相對誤差統(tǒng)計(jì)

因此，雖模型計(jì)算效果總體表現(xiàn)較好，但仍存在一定程度的誤差，需要進(jìn)一步分析誤差成因，從而對計(jì)算模型進(jìn)行一定的優(yōu)化。本文在對水平面總輻射進(jìn)行“直散分離”時(shí)，引入了直射比的概念，并在缺乏直接輻射和散射輻射的情況下，采用Erbs[14]的方法：通過建立的直射比和大氣透明度系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式以及擬合所得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)來實(shí)現(xiàn)直射比的計(jì)算。這種方法本身就是一個(gè)基于統(tǒng)計(jì)理論的概念模型，且數(shù)據(jù)樣本均采用國外的數(shù)據(jù)，而且僅僅是一段時(shí)間的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，其普適性和準(zhǔn)確性有待論證。因此，本文利用前面的計(jì)算結(jié)果，分別評估了不同季節(jié)不同大氣透明度條件各向異性模型的計(jì)算誤差(表3)?？梢钥吹?，kT<0.22時(shí)，4個(gè)季節(jié)的相關(guān)系數(shù)均達(dá)到了0.99以上，平均偏差、均方根誤差和t-統(tǒng)計(jì)量相對于kT>0.22時(shí)均是最小的，說明模型計(jì)算精度高，直射比經(jīng)驗(yàn)公式具有普適性；0.22≤kT≤0.8時(shí)，各季節(jié)相關(guān)系數(shù)略有下降，均方根誤差達(dá)到80 W·m-2，值得注意的是平均偏差在春夏和秋冬季出現(xiàn)了完全相反的情況，春夏季呈現(xiàn)正偏差，模型有高估的情況，秋冬季呈現(xiàn)負(fù)偏差，模型有低估的情況，因此，當(dāng)0.22≤kT≤0.8時(shí)模型普適性欠佳，需要劃分不同季節(jié)并針對每個(gè)季節(jié)特點(diǎn)對直射比計(jì)算模型的系數(shù)作進(jìn)一步的修正，以期得到更高精度的計(jì)算結(jié)果；kT>0.8時(shí)，出現(xiàn)與0.22≤kT≤0.8一致的情況，并且在秋冬季平均偏差和均方根誤差遠(yuǎn)遠(yuǎn)高出其他情況。

表3 不同大氣透明度條件下各向異性計(jì)算誤差

綜上，計(jì)算模型中引入的直射比分段計(jì)算函數(shù)和相應(yīng)系數(shù)并非在所有季節(jié)和大氣透明度系數(shù)條件下均表現(xiàn)出很好的普適性和準(zhǔn)確性，在電站實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)在開展水平面和傾斜面輻射觀測的基礎(chǔ)上，對模型的普適性進(jìn)行評估，并根據(jù)實(shí)際情況對計(jì)算系數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修正，以獲得更加精確的傾斜面輻射計(jì)算結(jié)果。

3 結(jié)論

本文利用2014年8月14日到2015年8月12日天津生態(tài)城太陽能觀測站和同期氣象觀測資料，對水平面和傾斜面太陽輻射特征進(jìn)行了分析，并對傾斜面太陽輻射的計(jì)算模型進(jìn)行了評估和探究。主要結(jié)論如下：

(1)生態(tài)城水平面和傾斜面太陽輻射在月、季、年不同時(shí)間尺度上均存在明顯差異，用水平面輻射觀測進(jìn)行太陽能資源評估不夠精確，應(yīng)該開展近1 a的平行于太陽能板的傾斜面輻射觀測。

(2)不同天氣條件下太陽輻射特征差異明顯，電站應(yīng)根據(jù)不同天氣調(diào)整發(fā)電策略，尤其應(yīng)注意多云或陰天造成的發(fā)電功率的間歇性和不穩(wěn)定。

(3)兩種傾斜面太陽輻射計(jì)算模型精度相當(dāng)，計(jì)算效果總體較好，但仍存在誤差?！爸鄙浔取苯?jīng)驗(yàn)公式和相關(guān)系數(shù)的普適性較差，在電站實(shí)際應(yīng)用中應(yīng)在開展水平面和傾斜面輻射觀測的基礎(chǔ)上對其普適性進(jìn)行評估，并根據(jù)實(shí)際情況對計(jì)算系數(shù)進(jìn)行調(diào)整和修正。