太陽能光伏發(fā)電的氣象條件研究

付秋芳，趙德實(shí)

1.河北省新河縣氣象局，河北新河 055650；2.國網(wǎng)河北省電力有限公司新河縣供電分公，河北新河 055650

1 研究光伏發(fā)電的背景意義及發(fā)展現(xiàn)狀

光伏發(fā)電行業(yè)具有清潔、節(jié)約能源發(fā)展優(yōu)勢，利用光伏電池將光能直接轉(zhuǎn)化為電能的光伏發(fā)電，具有不需要燃料、環(huán)境友好、無轉(zhuǎn)動部件、維護(hù)簡單、由模塊組成、可調(diào)節(jié)功率等突出優(yōu)點(diǎn)。21世紀(jì)以來，國內(nèi)外在可再生資源的應(yīng)用方面進(jìn)行了非常多的項(xiàng)目建設(shè)。而中國光伏發(fā)電市場也迎來了跨越式發(fā)展態(tài)勢，針對市縣村鎮(zhèn)的光伏發(fā)電項(xiàng)目越來越多。2022年3月31日，國家能源局發(fā)布《2022年鄉(xiāng)村振興定點(diǎn)幫扶和對口支援工作要點(diǎn)的通知》，光伏被列為鄉(xiāng)村振興定點(diǎn)幫扶工作要點(diǎn)。《“十四五”現(xiàn)代能源體系規(guī)劃》（以下簡稱《規(guī)劃》）提出，落實(shí)黨中央有關(guān)要求，堅(jiān)持把創(chuàng)新作為引領(lǐng)發(fā)展的第一動力，部署了一系列科技創(chuàng)新任務(wù)持續(xù)加大風(fēng)電、太陽能發(fā)電、先進(jìn)核能等研發(fā)力度；《規(guī)劃》提出加快發(fā)展風(fēng)電和太陽能發(fā)電。研究預(yù)測到2060年碳中和情景下，風(fēng)電和太陽能發(fā)電等新能源發(fā)電量占比將超過50%，成為電力供應(yīng)的主體。

新河縣隸屬于河北省，地處河北省邢臺市東北部，黑龍港流域，總面積366 km2。新河縣屬于暖溫帶季風(fēng)半干旱大陸性氣候，新河縣一年中光照充足，平均太陽年總輻射量為121.197千卡/cm2，日照時數(shù)為2 420.1 h，非常適宜發(fā)展光伏發(fā)電項(xiàng)目。鄉(xiāng)村振興戰(zhàn)略背景下，新河非常重視光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)。目前，光伏發(fā)電項(xiàng)目在新河縣鄉(xiāng)村振興方面發(fā)揮著越來越重要的作用，依托光伏鄉(xiāng)村振興政策和穩(wěn)定收益，大力開發(fā)清潔能源，可以進(jìn)一步助力美麗鄉(xiāng)村建設(shè)，讓更多的人獲得更多的實(shí)惠。

對于特定的光伏電站而言，裝機(jī)容量固定，太陽能組件的性能確定，其綜合效率決定于環(huán)境條件主要包含輻照度、環(huán)境溫度、風(fēng)速和相對濕度等氣象因子，這些氣象因子變化的不確定性形成了光伏電站輸出功率的特性，因此掌握氣象影響因子與光伏發(fā)電輸出功率的相關(guān)關(guān)系很重要[1]。近年來，國內(nèi)外很多學(xué)者將氣象因素對太陽能光伏發(fā)電方面的影響作為重要的研究課題。王建軍[2]重點(diǎn)探究了溫度對太陽能電池和蓄電池的電性能方面的影響，他指出單體太陽能電池的開路電壓隨溫度的上升而下降，電壓溫度系數(shù)為210~212 mV/℃，即溫度每上升1.0℃，單體太陽能電池開路電壓下降210～212 mV；太陽能電池短路電流隨溫度的上升而上升; 隨溫度的上升太陽能電池的峰值功率不斷下降，這會對直發(fā)電效率產(chǎn)生直接影響。因此，他積極探索整個光伏系統(tǒng)設(shè)計(jì)時針對溫度影響所采取的對策。劉玉蘭等[3]深入探究了太陽能光伏發(fā)電功率的主要影響環(huán)境氣象因子，她認(rèn)為光伏電站逐日、逐時輸出功率和日照時間、光照強(qiáng)度主要顯著的正相關(guān)性。楊靜濤等[4]探究了并網(wǎng)光伏電站發(fā)電量影響因素，涉及各類元件的損耗，并且對輻照度、溫度等外部條件的影響進(jìn)行定性分析，最后給出了一些解決方法。褚華宇等[5]結(jié)合霧霾給光伏發(fā)電功率帶來影響的問題探索一類計(jì)及霧霾影響的光伏功率預(yù)測方法，主要分析了光伏電池的原理和光伏功率的主要影響因素，通過人工智能神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)預(yù)測方法構(gòu)建了關(guān)于霧霾影響的光伏發(fā)電功率預(yù)測模型，最終驗(yàn)證了此類方法的可行性。黃偉等[6]主要探究了沒有其他因素影響的時候，光照強(qiáng)度對光伏發(fā)電的影響，明確了全年太陽能光伏發(fā)電最大出力的范圍，同時分析了典型多云、陰雨天對光電出力的影響系數(shù)，并且與實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比分析，驗(yàn)證了此類方法的有效性和準(zhǔn)確性。崔永琴等[7]剖析了積塵對光伏系統(tǒng)發(fā)電效率產(chǎn)生影響的主要機(jī)制，同時深入探究了空氣污染、降水、降塵、風(fēng)、灰塵性質(zhì)等對積塵的產(chǎn)生和發(fā)電量的影響。國外的文獻(xiàn)針對氣象對光伏發(fā)電的影響也開展了研究。例如，有學(xué)者探究光伏發(fā)電效率的多類影響因素；主要探究了相對濕度、風(fēng)速、積塵對太陽能電池工作效率的影響。還有學(xué)者選擇的溫度特征明確了持續(xù)云量和長期環(huán)境持續(xù)溫2種光伏發(fā)電的主要?dú)庀笥绊懸蛩?，同時提出了一種綜合考慮短期環(huán)境持續(xù)溫度和長期云量影響范圍的短期光伏電站數(shù)據(jù)輸出溫度預(yù)測計(jì)算方法

選用2022年4月新河縣逐日日照時數(shù)、逐日平均風(fēng)速、逐日相對濕度，以及光伏公司提供的逐日日累計(jì)輻照度、逐日理論、實(shí)際發(fā)電量數(shù)據(jù)，利用Excel、SPSS軟件處理數(shù)據(jù)，簡要分析了氣象條件對光伏發(fā)電的影響，為以后光伏發(fā)電項(xiàng)目的建設(shè)和農(nóng)村電網(wǎng)安全穩(wěn)定的運(yùn)行提供了指導(dǎo)依據(jù)。

2 太陽能光伏發(fā)電與氣象因子的關(guān)系

2.1 與日照時數(shù)的關(guān)系

根據(jù)新河縣1992—2021年近30年的日照數(shù)據(jù)，新河縣每年的平均日照時數(shù)在190 h以上，在一年期間的3—6月日照時數(shù)達(dá)到200 h以上，5月日照時數(shù)達(dá)到峰值，日照時數(shù)為264.1 h，其次為4月，日照時數(shù)為235.7 h，自7月日照時數(shù)逐漸下降。圖1為光伏電站利用小時數(shù)和逐日日照時數(shù)累計(jì)值的對比圖，數(shù)據(jù)起伏是規(guī)律的狀態(tài)。根據(jù)日照時數(shù)與可利用時數(shù)相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)達(dá)到0.85，日利用小時時數(shù)與日照時數(shù)呈顯著正相關(guān)。日照時數(shù)增加，日利用時數(shù)也在增加[8]。

圖1 4月日照時數(shù)與電站利用小時數(shù)對比

2.2 與太陽輻射的關(guān)系

太陽輻照強(qiáng)度對光伏發(fā)電有直接影響，因此可被用作光伏發(fā)電預(yù)測中的重要技術(shù)指標(biāo)。從實(shí)際和理論發(fā)電量與日累計(jì)輻照度中可以看出，理論和實(shí)際發(fā)電量呈規(guī)律的起伏狀態(tài)，與日累計(jì)輻照度的變化一致，太陽輻射強(qiáng)度越大，輸出功率越高，發(fā)電量越多。圖2為實(shí)際發(fā)電量與日累計(jì)輻照度的散點(diǎn)圖，太陽輻射強(qiáng)度越大，輸出功率就越高。光伏電站實(shí)際發(fā)電量與日累計(jì)輻照度的相關(guān)系數(shù)達(dá)0.85，對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析后得出p=0.178G+1.063，這表明日累計(jì)輻照度每增加1 MJ/m2，光伏發(fā)電量增加0.178萬kW·h。光伏電站發(fā)電量與日累計(jì)輻照度之間的修正決定系數(shù)為0.716，表明模型的擬合優(yōu)度對數(shù)據(jù)的解釋能力很強(qiáng)，驗(yàn)證了光伏電站的發(fā)電量與日累計(jì)輻照度之間有很強(qiáng)的線性關(guān)系，太陽輻射日累計(jì)輻照度對光伏發(fā)電量的影響作用很大[9]。

圖2 實(shí)際發(fā)電量與日累計(jì)輻照度散點(diǎn)圖

2.3 與相對濕度的關(guān)系

相對濕度，表示空氣中的絕對濕度與同溫度下的飽和絕對濕度的比值，即在一定時間內(nèi)，某處空氣中所含水汽量與該氣溫下飽和水汽量的百分比。相對濕度增大，水汽含量增加，可阻擋地面有效輻射，相應(yīng)的光伏發(fā)電功率會下降。相對濕度的變化光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量產(chǎn)生負(fù)相關(guān)影響。圖3為4月逐日的相對濕度與日發(fā)電量對比，發(fā)電量的峰值大多數(shù)對應(yīng)著環(huán)境濕度的峰谷，相對濕度越高，發(fā)電功率越低。根據(jù)相對濕度與光伏電站實(shí)際發(fā)電量的相關(guān)性分析，相關(guān)系數(shù)為-0.175，呈負(fù)相關(guān)。經(jīng)過對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出光伏發(fā)電量與相對濕度擬合的回歸方程：P=-0.17w+5.157。這意味著相對濕度每增加10%，光伏發(fā)電量減少0.17 kW·h。

圖3 4月環(huán)境相對濕度和電站發(fā)電量對比圖

2.4 與環(huán)境溫度的關(guān)系

大氣溫度的變化會對光伏發(fā)電系統(tǒng)的發(fā)電量產(chǎn)生一定的影響作用[10]。通過對電站溫度與縣平均溫度和發(fā)電量進(jìn)行對比分析了解到新河縣平均溫度與光伏電站的溫度起伏狀態(tài)趨于一致，溫度相差0.5℃左右。氣溫曲線的峰值基本上對應(yīng)著發(fā)電量的峰值，日平均溫度越高，發(fā)電量越大。對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，光伏電站發(fā)電量與縣平均溫度的相關(guān)系數(shù)為0.531，與發(fā)電站的平均溫度的相關(guān)系數(shù)為0.51，都呈較好的顯著相關(guān)。對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出相應(yīng)的擬合方程：p=0.158T+1.796（縣平均溫度與光伏發(fā)電量的擬合方程），p=0.14T+2.051（發(fā)電站的平均溫度與光伏發(fā)電量的擬合方程），因發(fā)電站的平均溫度和縣平均溫度的顯著性相關(guān)系數(shù)達(dá)0.976，兩者的結(jié)果總體相差不大。表明環(huán)境溫度每升高1℃，光伏發(fā)電量增加0.158（0.14）萬kW ·h。

2.5 與平均風(fēng)速的關(guān)系

圖4為光伏電站發(fā)電量與平均風(fēng)速對照曲線，從圖中可以看出，平均風(fēng)速對光伏發(fā)電量的影響作用無明顯的規(guī)律性，影響作用有正有負(fù)，為正時較多。對數(shù)據(jù)進(jìn)行相關(guān)分析，得出相關(guān)系數(shù)為0.259。對數(shù)據(jù)進(jìn)行回歸分析，得出擬合方程為p=0.304w+3.885，表明風(fēng)速每增加1 m/s，光伏電站發(fā)電量增加0.304萬kW·h，但是新河縣年平均風(fēng)速2 m/s左右，影響相對不大。

圖4 光伏電站發(fā)電量與平均風(fēng)速的關(guān)系

3 結(jié)束語

太陽輻照度是預(yù)測光伏發(fā)電量最主要的因素，在太陽能組件能夠接受的范圍內(nèi)，接受的太陽輻射越大，光伏發(fā)電量就會越多。相對濕度越小，光伏發(fā)電量越大；環(huán)境溫度在組件可接受的范圍內(nèi)，溫度越大，發(fā)電量越多。其中，太陽輻照度、環(huán)境溫度與光伏發(fā)電量呈正相關(guān)，相對濕度與光伏發(fā)電量呈負(fù)相關(guān)，平均風(fēng)速有正有負(fù)，影響不大。