湖南光伏發(fā)電氣候適宜性研究

江滌非 郭海峰 羅紅梅 鄧玲

（1 湖南省氣象服務中心，長沙 410118；2 氣象防災減災湖南省重點實驗室，長沙 410118））

00 引言

隨著人口、工業(yè)、經(jīng)濟的高速度發(fā)展，由溫室氣體導致的全球氣候變暖趨勢愈發(fā)明顯，對人類的生存環(huán)境和健康安全造成了較大的威脅[1]?；剂系娜紵菍е聹厥覛怏w過度排放的主要原因之一，建立可再生能源（太陽能、風能、生物質(zhì)能、海洋潮汐能等）為主體的可持續(xù)能源體系成為解決環(huán)境與能源問題的最有效途徑[2-3]。在各種可再生能源當中，太陽能以其就地即取、廣泛分布、對生態(tài)環(huán)境影響小等優(yōu)勢，被普遍認為是未來競爭力最大的新能源之一[4]。到達地球表面的太陽輻射能量高達4×1015MW/a，是當前全球耗能的2000余倍[5]。近年來，國外學者們利用地理信息系統(tǒng)、多因子評估、遙感輻射產(chǎn)品，進行了光伏、光熱發(fā)電的氣候、土地適宜性研究[6-9]。我國太陽能資源豐富，許多學者針對太陽能輻射計算方法、太陽能資源時空特征分析、區(qū)劃分析、開發(fā)利用、太陽能電站選址影響因素等做了大量研究[10-14]，但對特定區(qū)域進行的光伏發(fā)電氣候適宜性區(qū)劃及評估研究仍較少。

湖南省太陽能資源較為豐富，但省內(nèi)太陽能發(fā)電占比較低，存在較大的發(fā)展空間，積極開發(fā)利用本地區(qū)太陽能等清潔可再生能源已勢在必行。光伏發(fā)電是太陽能發(fā)電的一種重要的形式，通過太陽能電池直接將光能轉(zhuǎn)換為電能[15]。光伏電站的建設除受到發(fā)電技術(shù)的影響外，選址的合理性也至關(guān)重要，不合理的選址往往導致發(fā)電效率低下，損失量大，電站運行壽命低等問題[16]。2018年，中國氣象局發(fā)布了新的行業(yè)標準《太陽能資源評估方法》（QX/T89-2018），取代了《太陽能資源評估方法》（QX/T89-2008），新標準更新了部分太陽能輻照量的計算方法、評價指標、等級劃分標準，既往的研究大多基于原評估方法中的計算方法來推算太陽輻照量[17-19]。本研究基于《太陽能資源評估方法》（QX/T89－2018），利用湖南省3個輻射站輻射觀測資料以及97個地面站日照時數(shù)、浮塵日數(shù)觀測資料，從太陽輻射條件和浮塵日數(shù)兩個方面開展湖南省太陽能資源評估以及光伏發(fā)電的氣候適宜性研究，并研究了氣候變化背景下，光伏發(fā)電氣候適宜區(qū)的變動情況，為湖南省光伏發(fā)電項目的選址提供氣候參考依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 氣象資料

采用的氣象資料來源于湖南省氣象信息中心，時間序列為1985—2015年。氣象數(shù)據(jù)均經(jīng)過了嚴格的質(zhì)控，數(shù)據(jù)質(zhì)量較好；選用氣象站點為湖南省境內(nèi)97個國家地面氣象站以及3個輻射觀測站（長沙、常寧、吉首）；氣象數(shù)據(jù)類型為月日照時數(shù)、日照百分率、浮塵日數(shù)以及3個輻射站觀測到的月水平面太陽輻照量。

1.2 研究方法

參照《太陽能資源評估方法》（QX/T89—2018）中定義了一種以日照百分率為重要參數(shù)計算水平面太陽輻照量的氣候?qū)W公式，利用該公式，可以計算得出無太陽輻射觀測地點的水平面太陽輻照量。計算公式如下：

式中：GHR為水平面太陽輻照量（MJ/m2）；S為日照百分率（%）；a，b為經(jīng)驗系數(shù)；EHR為地外水平面太陽輻照量（MJ/m2）。

根據(jù)長沙、常寧、吉首三個輻射站的輻射觀測資料，利用《太陽能資源評估方法》（QX/T89—2018）中的經(jīng)驗公式，可以計算求出三個站1—12月的a，b值，再取三個站各月a，b值的平均值作為本次研究推算各站點水平面總輻照量的經(jīng)驗系數(shù)。本研究采用Java語言進行原始數(shù)據(jù)的處理，實現(xiàn)97個國家地面氣象站點日地外法向太陽輻照度、水平面太陽輻照量的推算以及三個輻射站1—12月a，b經(jīng)驗系數(shù)的計算。

2 結(jié)果分析

2.1 影響光伏發(fā)電的氣候因素

光伏發(fā)電受太陽輻射條件和浮塵天氣影響較為顯著。首先，優(yōu)良的太陽輻射條件是光伏電站選址的根本；依據(jù)《太陽能電站項目選址評估技術(shù)指南》（第1版），光伏電站建站區(qū)的太陽輻射條件由太陽輻射總量、輻射穩(wěn)定度以及光伏發(fā)電年保證率決定。其中，太陽輻射總量能直接反映一個地區(qū)蘊藏的太陽能資源儲量以及可開發(fā)程度，輻射總量的多少受日照時數(shù)、海拔、緯度、大氣成分等因素的影響[20]；太陽輻射穩(wěn)定度則可表征一個地區(qū)水平面太陽輻射年內(nèi)的變化的穩(wěn)定程度，穩(wěn)定度越高，太陽能資源的可利用性與利用效率也就越高[21]，國內(nèi)外諸多學者在對特定地區(qū)進行太陽能資源評估或太陽能電站選址研究時，均不約而同地將太陽輻射穩(wěn)定度作為一個重要的評價指標[22-24]；光伏發(fā)電年保證率是指擬建電站的地址在長年代時間序列當中，年水平面太陽總輻照量達到適合發(fā)電指標（豐富及以上）的年數(shù)與時間序列總年數(shù)的比值，能從一定程度上反映一個地區(qū)開展光伏發(fā)電的氣候適宜度。除太陽輻射條件外，浮塵對光伏發(fā)電量和發(fā)電效率也會產(chǎn)生較大的影響，空氣中濃度較高的浮塵將造成太陽光大量的散射，使得太陽輻射的利用率降低，從而影響發(fā)電[14]，一個地區(qū)年浮塵日數(shù)（Fd）越多，光伏發(fā)電的效率和質(zhì)量就越低。

2.2 湖南省光伏發(fā)電氣候條件

2.2.1 太陽輻射總量

太陽輻射總量主要由水平面太陽輻照量來表征，通過QX/T89—2018中的氣候?qū)W公式，推算得到湖南省97個地面氣象站點1985—2015年30年的年均水平面太陽總輻照量。利用克里金空間插值法，對湖南省水平面太陽輻照量進行了空間插值分析，結(jié)果如圖1所示（分辨率90 m×90 m）。湖南省水平面太陽總輻照量在3508.22～4253.15 MJ/m2，輻照量最高的地區(qū)為湘北洞庭湖區(qū)，湘東南茶陵、炎陵、汝城以及湘南江華、寧遠、道縣等市縣，湘西北及湘西地區(qū)年水平面太陽總輻照量相對省內(nèi)其他地區(qū)較低。

圖1 湖南省水平面太陽總輻照量空間分布Fig. 1 Spatial distribution of total horizontal solar radiation in Hunan Province

此外，為了解湖南省水平面太陽輻照量的年際變化特征，對全省年水平面太陽總輻照量1985—2015年的變化趨勢進行了分析。湖南省31年間年水平面太陽總輻照量波動較為明顯，基本為每5年波動一次，從不同年代進行分析可知，近31年間，變化幅度最大的為2010—2015年，其次為1985—1990年。20世紀80年代、90年代以及21世紀10年代總輻照量均為較明顯減少趨勢，00年代呈現(xiàn)增加趨勢；總體呈下降趨勢，氣候傾向率為－21.85 MJ/(m2·10a)（圖2）。

圖2 1985—2015年湖南省年水平面太陽總輻照量年際變化趨勢Fig. 2 Interannual variation trend of total solar radiation on annual horizontal plane in Hunan Province from 1985 to 2015

2.2.2 太陽輻射穩(wěn)定度

太陽輻射穩(wěn)定度是一年當中月水平面太陽總輻照量最小值與最大值之比，根據(jù)太陽輻射穩(wěn)定度的定義，計算得到研究區(qū)97個地面氣象站1985—2015年太陽輻射穩(wěn)定度的30年平均值，并用克里金插值法對研究區(qū)的穩(wěn)定度進行空間插值分析。根據(jù)分析結(jié)果可知，湖南省各地太陽輻照量的穩(wěn)定程度均不高，最低值為0.252，最高值為0.346，穩(wěn)定度較高的區(qū)域主要為湘北洞庭湖湖區(qū)，湘東南炎陵、桂東、汝城以及衡陽北部等地；穩(wěn)定度較低的區(qū)域主要為湘西、衡陽南部、郴州以及永州北部地區(qū)。

2.2.3 光伏發(fā)電年保證率

圖3為湖南省1985—2015年間光伏發(fā)電年保證率的空間分布情況。由圖可知，湖南省內(nèi)不同地區(qū)光伏發(fā)電年保證率相差較大，為0.033～1，最低的為保靖，最高的為華容，呈現(xiàn)自東向西逐步遞減的趨勢。湖南省內(nèi)，光伏發(fā)電年保證率較高的區(qū)域主要為湘北以及湘東北湖區(qū)、湘南、湘東南、湘中以及湘東等區(qū)域，年保證率較低的地區(qū)主要為湘西北以及懷化市、新晃縣等市（縣）。

圖3 1985—2015年湖南省光伏發(fā)電年保證率空間分布Fig. 3 Spatial distribution of annual guarantee rate of photovoltaic power generation in Hunan Province from 1985 to 2015

2.2.4 浮塵天氣影響

浮塵天氣對光伏發(fā)電的影響主要用年浮塵日數(shù)表征，省內(nèi)各地區(qū)年浮塵日數(shù)為0～41.77 d/a，年浮塵日數(shù)較多的地區(qū)為湘中偏北區(qū)域，主要為益陽、常德兩市的大部分區(qū)域；湘南臨武、嘉禾、宜章以及湘西北張家界、湘西自治州、懷化部分縣市；年浮塵日數(shù)較少的區(qū)域主要為湘中偏東以及湘東南區(qū)域，涵蓋衡陽、湘潭、株洲、長沙、岳陽大部分區(qū)域以及桂東、汝城、資興、炎陵、郴州等縣市。1985—2015年，湖南省年浮塵日數(shù)呈現(xiàn)較為明顯的下降趨勢，幅度較大，氣候傾向率為1 d/10 a。

2.3 光伏發(fā)電氣候適宜性區(qū)劃

湖南省光伏發(fā)電的氣候適宜性主要從太陽輻射條件和浮塵天氣影響來進行考慮。選取輻射總量等級Rs（年水平面太陽總輻照量）、太陽輻照量穩(wěn)定度等級Rw、光伏發(fā)電年保證率Rt以及年浮塵日數(shù)Fd四個指標來進行綜合評估?；谏鲜鏊膫€指標，設計一個綜合指數(shù)S，計算方法如下：

式中：W1～W4為輻射總量、穩(wěn)定度、年保證率以及年浮塵日數(shù)的權(quán)重，Rs、Rw、Rt、Fd為4個指標的重分類值。Rs、Rw、Rt指標的重分類賦值，依據(jù)《太陽能電站項目選址評估技術(shù)指南》（第1版）中劃定的標準進行，F(xiàn)d則根據(jù)專家意見分類賦值；四個指標的具體賦值情況如表1～表4所示。將輻射總量等級、穩(wěn)定度等級、光伏發(fā)電年保證率以及浮塵日數(shù)四個指標權(quán)重等級分別定為0.40、0.25、0.25、0.1。重分類值和權(quán)重確定后，在GIS平臺中，通過圖形處理和計算，得到湖南省光伏電站選址氣候適宜性區(qū)劃。不適宜區(qū)為綜合指數(shù)S＜1.8的區(qū)域，次適宜區(qū)為1.8≤S＜2.4的區(qū)域，較適宜區(qū)為2.4≤S＜3.0的區(qū)域，適宜區(qū)為3.0≤S≤3.6的區(qū)域。

表1 輻射總量等級重分類賦值規(guī)則Table 1 Classification and assignment rule of total radiation level

表2 穩(wěn)定度等級重分類賦值規(guī)則Table 2 Classification and assignment rule of stability level

表3 光伏發(fā)電年保證率重分類賦值規(guī)則Table 3 Classification and assignment rules for annual guarantee rate of photovoltaic power generation

表4 年浮塵日數(shù)重分類賦值規(guī)則Table 4 Classification and assignment rules of annual floating dust days

根據(jù)區(qū)劃統(tǒng)計，從氣候角度分析，在湖南省境內(nèi)不適宜開展發(fā)電的區(qū)域占全省總面積的8.07%，總面積為1.71萬 km2，集中分布在湘西北地區(qū)，不適宜區(qū)日照時長較短，日照百分率低，年浮塵日數(shù)較多，導致水平面太陽輻照量少，太陽能資源匱乏，太陽輻射穩(wěn)定度和年保證率也普遍較低；在進行光伏發(fā)電選址時，應盡量避免上述地區(qū)。次適宜區(qū)占全省總面積的14.95%，約為3.17萬 km2；次適宜區(qū)基本位于不適宜區(qū)東部，且緊鄰不適宜區(qū)，呈條帶狀。較適宜區(qū)在湖南省境內(nèi)的面積約為6.32萬 km2，占全省面積的29.83%。其分布具有三個特征，一是位于次適宜區(qū)的東部，且緊鄰次適宜區(qū)；二是湘中偏北的桃江、安化、益陽、寧鄉(xiāng)、漢壽等縣市以及湘南的臨武、宜章、嘉禾、新田、寧遠等縣市的部分區(qū)域；三是湘東北臨湘以及湘東瀏陽、醴陵兩縣的部分區(qū)域；較適宜區(qū)內(nèi)可在考慮其他宏觀和微觀因素的情況下，因地制宜開展光伏發(fā)電[25]。 湖南省境內(nèi)，適宜區(qū)的面積最大，占全省總面積的47.15%，約合為9.98萬 km2，適宜區(qū)大部分位于較適宜區(qū)東部，緊鄰較適宜區(qū)；其中，洞庭湖區(qū)和湘東南具有最適宜開展光伏發(fā)電的氣候條件。

3 討論與結(jié)論

1）本研究利用1985—2015年湖南省97個地面氣象站日照百分率、日照時數(shù)、浮塵日數(shù)以及3個輻射站水平面太陽輻照量對湖南省光伏發(fā)電的氣候適宜性進行了區(qū)劃及評價，評價綜合考慮了輻射總量、輻射穩(wěn)定度、光伏發(fā)電年保證率以及年浮塵日數(shù)；最終得到的區(qū)劃和評價結(jié)果與湖南省光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展的實際情況較為吻合，氣候較為適宜光伏發(fā)電的洞庭湖區(qū)、衡陽北部、永州南部等地光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展態(tài)勢良好[26]。此外，根據(jù)研究結(jié)果，目前開發(fā)較少的湘東南（炎陵、桂東、汝城、茶陵、資興）氣候條件優(yōu)異，具有較大的發(fā)展?jié)摿Γ沙蔀槲磥砗鲜」夥a(chǎn)業(yè)發(fā)展的新發(fā)地。

2）湖南省年太陽總輻照量呈現(xiàn)波動下降趨勢，造成這種變化的原因較多，可能與人類活動，工業(yè)發(fā)展相關(guān)[17-19]。但由于省內(nèi)各縣市年浮塵日數(shù)自20世紀80和90年代—21世紀10年代出現(xiàn)較大幅度的下降，其下降幅度較太陽總輻照量更高，光伏發(fā)電的大氣環(huán)境條件有了較大程度的改善，致使從1985—2015年，適宜區(qū)的面積有了一定程度的增加，光伏發(fā)電的氣候條件得到了顯著改善，這種變化有利于湖南省太陽能資源的開發(fā)利用。

3）氣候條件是光伏發(fā)電最為重要的因素之一，較好的太陽輻射和環(huán)境空氣條件，可以提升光伏發(fā)電量、發(fā)電效率和電池壽命，保證對電網(wǎng)持續(xù)穩(wěn)定的供電；除此之外，還存在其他宏觀因素（地形條件、距離負荷中心的位置、當?shù)卣邔颍┖臀⒂^因素（電站所在位置周邊物體陰影、局地風向風速）[25，27]；本研究僅考慮了宏觀氣候條件，有待在今后的研究中不斷進行補充和完善。