武漢地區(qū)光伏電站理論年發(fā)電量的計(jì)算研究

卓自想 段士偉 任靜

摘 要：光伏電站年發(fā)電量計(jì)算在光伏電站建設(shè)中占據(jù)不可或缺的地位，為了確保理論結(jié)果準(zhǔn)確，需要對(duì)不同計(jì)算方法得到的結(jié)果進(jìn)行綜合比較，進(jìn)而得到理論上誤差較小的計(jì)算結(jié)果。針對(duì)武漢市某開發(fā)區(qū)某300 kW分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，系統(tǒng)性地對(duì)光伏電站理論年發(fā)電量的計(jì)算進(jìn)行了初步研究，分析了計(jì)算理論年發(fā)電量所需的傾斜面太陽輻射量等參數(shù)，并比較了標(biāo)準(zhǔn)法、面積法、小時(shí)法3種理論年發(fā)電量計(jì)算方法得到的計(jì)算結(jié)果，保證了理論年發(fā)電量的準(zhǔn)確性，同時(shí)也為科學(xué)準(zhǔn)確計(jì)算光伏電站理論年發(fā)電量提供了參考依據(jù)。研究結(jié)果表明：這3種計(jì)算方法在中緯度、高緯度地區(qū)光伏電站理論年發(fā)電量的計(jì)算中都適用。

關(guān)鍵詞：光伏電站；理論年發(fā)電量；傾斜面；太陽輻射量；武漢地區(qū)

中圖分類號(hào)：TM615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0? 引言

未來，中國需要實(shí)現(xiàn)2030年碳達(dá)峰、2060年碳中和的“雙碳”目標(biāo)，而如何解決環(huán)境污染不是中國獨(dú)自面對(duì)的難題，是全球面臨的一大難題。自太陽能資源被人類發(fā)現(xiàn)并展開利用以來，各種太陽能資源應(yīng)用項(xiàng)目（例如光伏發(fā)電項(xiàng)目、太陽能熱利用項(xiàng)目等）在世界各地陸續(xù)展開，其中，光伏發(fā)電方式正逐步取代高污染的傳統(tǒng)火力發(fā)電方式[1]。光伏電站理論年發(fā)電量計(jì)算是評(píng)估此類電站發(fā)電能力的重要方式，為了確保理論計(jì)算結(jié)果的準(zhǔn)確，需要對(duì)不同計(jì)算方法得到的結(jié)果進(jìn)行綜合比較，進(jìn)而得到理論上誤差較小的計(jì)算方法。本文針對(duì)武漢市某開發(fā)區(qū)某300 kW分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，系統(tǒng)性地對(duì)光伏電站理論年發(fā)電量計(jì)算進(jìn)行了初步研究，分析了計(jì)算理論年發(fā)電量所需的傾斜面太陽輻射量等參數(shù)，并比較了標(biāo)準(zhǔn)法、面積法、小時(shí)法3種計(jì)算理論年發(fā)電量的方法得到的結(jié)果，力求保證理論年發(fā)電量的準(zhǔn)確性。

1? 武漢市的地理位置及太陽能資源分析

武漢市總面積為8569.15 km2，地理位置在29.97°N～31.37°N、113.68°E～115.08°E之間，具體如圖1所示。

武漢市的氣候條件為雨熱同期，夏季高溫多雨，是典型的亞熱帶季風(fēng)氣候。全年平均氣溫在15.8～17.5 ℃之間，年峰值利用小時(shí)數(shù)為1810～2100 h，年降水量平均為1300 mm，從上述值來說，該市全年雨量充足，日照時(shí)間長。

在太陽能資源方面，依據(jù)各地的年太陽總輻射情況與年峰值利用小時(shí)數(shù)，GB/T 31155—? ?2014《太陽能資源等級(jí) 總輻射》將中國主要?jiǎng)澐譃?類太陽能資源等級(jí)[2]，具體如表1所示。

2012—2017年武漢市的年太陽總輻射量情況如表2所示。

根據(jù)表1和表2可以分析得出：武漢市的太陽能資源等級(jí)為豐富，可有效利用太陽能資源進(jìn)行社會(huì)生產(chǎn)工作[3]。另外，武漢市太陽輻射利用率高的周期集中在每年的4—9月，這段時(shí)間的太陽總輻射量占全年太陽總輻射量的65%，日照時(shí)間長且光照強(qiáng)度大。2014—2017年武漢市的多年平均月太陽輻射量情況如圖2所示。

從圖2可以看出：武漢市每年4—9月的月太陽輻射量較高。在這段時(shí)間，光伏電站能夠吸收充足的太陽輻射來進(jìn)行光電轉(zhuǎn)換，并且可以通過配套儲(chǔ)能設(shè)施儲(chǔ)存多余的電能，以便光照不足時(shí)使用。

本文以武漢市某開發(fā)區(qū)某300 kW分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目為例進(jìn)行分析，該項(xiàng)目所在地的地理位置為30.50°N、114.33°E，全年日照充足，年太陽總輻射量與武漢市年太陽總輻射量相同，符合太陽能資源等級(jí)為豐富的劃分標(biāo)準(zhǔn)。該項(xiàng)目能夠有效利用屋頂空間資源，同時(shí)也能夠在節(jié)能減排、降低碳排放等方面做出貢獻(xiàn)[4]。

2? 光伏組件選型

目前太陽電池主要有以下3種類型[5]：晶體硅太陽電池（包括單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池）、非晶硅太陽電池、其他尚未產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的太陽電池等。當(dāng)前中國市場(chǎng)應(yīng)用最廣泛的是晶體硅太陽電池，因此，本文僅對(duì)晶體硅太陽電池作詳細(xì)闡述。

1）單晶硅太陽電池。單晶硅太陽電池是最早發(fā)展，也是當(dāng)前產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用的太陽電池中光電轉(zhuǎn)換率最高的一類太陽電池，目前其光電轉(zhuǎn)換率可以高達(dá)25%。單晶硅太陽電池在電學(xué)、力學(xué)及光學(xué)方面的性能都較為均勻。隨著光伏產(chǎn)業(yè)不斷發(fā)展及生產(chǎn)工藝逐步完善，據(jù)市場(chǎng)發(fā)展趨勢(shì)預(yù)測(cè)，高效單晶硅太陽電池將逐漸占據(jù)市場(chǎng)主導(dǎo)地位。

2）多晶硅太陽電池。在光電轉(zhuǎn)換率方面，多晶硅太陽電池不及單晶硅太陽電池表現(xiàn)出色，大多介于15%～20%之間；在生產(chǎn)工藝方面，多晶硅太陽電池比單晶硅太陽電池簡(jiǎn)單，且制造成本低；但在使用壽命方面，單晶硅太陽電池比多晶硅太陽電池更長。

綜上分析，從性價(jià)比及經(jīng)濟(jì)效益等方面綜合比較，本300 kW分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目將采用峰值功率為450 W的單晶硅光伏組件。

某公司生產(chǎn)的單晶硅光伏組件的相關(guān)數(shù)據(jù)如表3所示，后文中相關(guān)計(jì)算均以表3中的數(shù)據(jù)作為計(jì)算依據(jù)。

3? 光伏陣列布置

光伏陣列應(yīng)根據(jù)使用場(chǎng)地的實(shí)際情況來進(jìn)行布置，原則是使整個(gè)光伏組件的排列單元化、規(guī)?；?，以求達(dá)到最大的場(chǎng)地利用率及年發(fā)電量。而光伏陣列的布置則是由光伏組件安裝傾角、光伏組件數(shù)量，以及前后排光伏陣列之間的間距（下文簡(jiǎn)稱為“光伏陣列間距”）等因素決定的。

3.1? 光伏組件安裝傾角

不同地區(qū)的光伏組件最佳安裝傾角都存在一定差異，甚至在同一地區(qū)的春、夏、秋、冬4個(gè)季節(jié)中，光伏組件的最佳安裝傾角也有所不同。朱丹丹等[5]認(rèn)為，光伏組件最佳安裝傾角應(yīng)略小于當(dāng)?shù)鼐暥龋唤餥6]認(rèn)為，在武漢地區(qū)，光伏組件最佳安裝傾角在一年中有不同的取值。若要使光伏電站的發(fā)電量最大化，需要根據(jù)不同的季節(jié)特點(diǎn)及時(shí)調(diào)整光伏組件的安裝傾角。實(shí)際光伏發(fā)電項(xiàng)目中，更多的項(xiàng)目是在最初安裝光伏組件時(shí)就確定了一個(gè)固定的光伏組件最佳安裝傾角。

本項(xiàng)目位于武漢市，武漢市光伏電站的光伏組件最佳安裝傾角介于25°～30°[7]之間，所以本項(xiàng)目的光伏組件最佳安裝傾角選擇27°，光伏組件采用橫向放置。

3.2? 光伏組件數(shù)量

光伏電站總裝機(jī)容量為300 kW，采用峰值功率為450 W的單晶硅光伏組件。因此，該項(xiàng)目需要700塊同一型號(hào)的單晶硅光伏組件。

3.3? 光伏陣列間距

根據(jù)GB 50797—2012《光伏發(fā)電站設(shè)計(jì)規(guī)范》中規(guī)定，光伏方陣中各排、列的布置間距應(yīng)保證每天09：00～15：00（當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí)）時(shí)段內(nèi)光伏組件前、后、左、右互不遮擋。根據(jù)上述規(guī)定，為保證光伏陣列間距D的設(shè)置合理規(guī)范，需用式（1）進(jìn)行計(jì)算[8]。

式中：L為光伏陣列面長度，即光伏組件寬度，m，本文取1.048；β為光伏組件安裝傾角，（? ），本文取27；φ為光伏組件安裝地的緯度，（? ），本文取30.50。

將各項(xiàng)數(shù)據(jù)代入式（1），可計(jì)算得到本項(xiàng)目的光伏陣列間距為1.83 m，示意圖如圖3所示。

4? 光伏電站理論年發(fā)電量的計(jì)算方法

關(guān)于光伏電站理論年發(fā)電量，有較多計(jì)算方法，其中標(biāo)準(zhǔn)法、面積法、小時(shí)法是比較常用的3種計(jì)算方法。標(biāo)準(zhǔn)法與面積法的計(jì)算結(jié)果一般與實(shí)際工程應(yīng)用中的實(shí)際測(cè)量結(jié)果相差較小，但

是這兩種計(jì)算方法都需要計(jì)算出傾斜面接收的年太陽總輻射量；而小時(shí)法一般是根據(jù)項(xiàng)目所在地的年峰值利用小時(shí)數(shù)進(jìn)行理論年發(fā)電量的估算。下文對(duì)這3種方法進(jìn)行詳細(xì)闡述。

4.1? 標(biāo)準(zhǔn)法

標(biāo)準(zhǔn)法是根據(jù)GB 50797—2012中規(guī)定的計(jì)算光伏電站理論年發(fā)電量的公式[9]進(jìn)行計(jì)算，即：

式中：Ep為上網(wǎng)發(fā)電量（即光伏電站理論年發(fā)電量），kWh；HA為傾斜面接收的太陽輻射量，kWh/m2；PAZ為光伏組件安裝容量，kW；Es為標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（STC）下的太陽輻照度，為1 kW/m2；K為光伏發(fā)電系統(tǒng)的綜合效率系數(shù)，本項(xiàng)目取0.8。綜合效率系數(shù)包括：光伏組件類型修正系數(shù)，光伏方陣的傾角、方位角修正系數(shù)，光伏發(fā)電系統(tǒng)可利用率，光照利用率，逆變器效率，集電路損耗，升壓變壓器損耗，光伏組件表面污染修正系數(shù)，以及光伏組件光電轉(zhuǎn)換效率修正系數(shù)[9]。

4.2? 面積法

面積法是通過光伏組件的總面積及傾斜面接收的太陽輻射量來計(jì)算光伏電站理論年發(fā)電量，其計(jì)算式[10]為：

式中：S為光伏組件總安裝面積，m2；K1為光伏組件的光電轉(zhuǎn)換效率，本文取20.4%；K2為光伏發(fā)電系統(tǒng)效率，由于整個(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)的構(gòu)造比較復(fù)雜，其系統(tǒng)效率主要由逆變器效率、變壓器效率及其他因素決定，一般取值范圍在75%～85%之間。綜合考慮此次光伏電站建設(shè)的各種折減因素后，本項(xiàng)目的光伏發(fā)電系統(tǒng)效率取80%。

4.3? 小時(shí)法

小時(shí)法即根據(jù)項(xiàng)目所在地的年峰值利用小時(shí)數(shù)、光伏組件安裝容量及光伏發(fā)電系統(tǒng)的綜合效率系數(shù)來計(jì)算光伏電站理論年發(fā)電量[10]，其計(jì)算式為：

式中：H為項(xiàng)目所在地的年峰值利用小時(shí)數(shù)。

5? 傾斜面接收的太陽輻射量計(jì)算

由于氣象服務(wù)站在測(cè)量太陽輻射量時(shí)，測(cè)量的氣象儀表設(shè)施處于水平放置狀態(tài)，采集到的數(shù)據(jù)為水平面接收的太陽輻射數(shù)據(jù)，但是在光伏電站實(shí)際應(yīng)用過程中，光伏組件通常采用傾斜安裝方式，因此在光伏電站理論年發(fā)電量計(jì)算時(shí)，需要將水平面接收的太陽輻射數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換為傾斜面接收的太陽輻射數(shù)據(jù)。

計(jì)算時(shí)通常采用Klein計(jì)算模型，整個(gè)光伏方陣傾斜面接收的太陽輻射量IT主要包括3個(gè)部分：傾斜面太陽直射輻射量IbT、傾斜面太陽散射輻射量IdT、傾斜面反射輻射量IgT[11]，即：

5.1? 傾斜面太陽直射輻射量

傾斜面太陽直射輻射量主要與水平面太陽直射輻射量Ib有關(guān)，二者關(guān)系可表示為：

式中：Rb為太陽直射輻射傾斜因子。

水平面太陽直射輻射量的值可通過國家氣象信息中心網(wǎng)站直接查得。太陽直射輻射傾斜因子的計(jì)算式[6]為：

式中：δ為太陽赤緯角，（? ）；ωs為水平面的日落時(shí)角，rad；ωsT為傾斜面的日落時(shí)角，rad。

如果確定了一年中的天數(shù)，就可以按照Cooper公式計(jì)算出太陽赤緯角，其公式為：

式中：n為一年中從1月1日起算的每月代表值，在不同月份取不同的值，具體如表4所示。

水平面的日落時(shí)角的計(jì)算式為：

傾斜面的日落時(shí)角的計(jì)算式為：

5.2? 傾斜面太陽散射輻射量

傾斜面太陽散射輻射量主要受當(dāng)?shù)靥鞖鈼l件等因素的影響，以往計(jì)算時(shí)僅采用天空散射輻射部分各向同性的假設(shè)，與實(shí)際情況并不符合。本文采用Hay模型，該模型是在認(rèn)定天空散射輻射為各向同性、地面散射輻射為各向異性的情況下進(jìn)行模擬計(jì)算[12]，在大型工程計(jì)算中應(yīng)用較為廣泛。Hay模型可表示為：

式中： Id為水平面太陽散射輻射量，kWh/m2；I0為大氣層外水平面太陽總輻射量，kWh/m2。

水平面接收的太陽總輻射量和水平面太陽散射輻射量的相關(guān)數(shù)據(jù)可在國家氣象信息中心網(wǎng)站直接查得。

大氣層外水平面太陽總輻射量的計(jì)算式為：

式中：S0為太陽常數(shù)，一般取1367 W/m2。

5.3? 傾斜面反射輻射量

通常，太陽輻射到達(dá)地面后會(huì)向空中進(jìn)行反射，而傾斜面反射輻射量取決于地面反射率。

傾斜面反射輻射量的表達(dá)式為：

式中：I為水平面接收的太陽總輻射量，kWh/m2；ρ為地面反射率，本文取0.2。

6? 光伏電站理論年發(fā)電量的計(jì)算實(shí)例

通過國家氣象信息中心網(wǎng)站，可查詢得到2013—2017年武漢市氣象監(jiān)測(cè)點(diǎn)的水平面各月太陽輻射量、水平面月太陽散射輻射量、水平面月太陽直射輻射量數(shù)據(jù)，得到武漢市多年平均月太陽輻射數(shù)據(jù)，作為本項(xiàng)目的計(jì)算依據(jù)，具體如表5所示。

將表5的數(shù)據(jù)及項(xiàng)目所在地緯度（φ=30.50°）、光伏組件安裝傾角（β=27°）帶入式（5）～式（13），可以得到傾斜面年太陽直射輻射量為518.02 kWh/m2、傾斜面年太陽散射輻射量為717.96 kWh/m2、傾斜面年反射輻射量為13.38 kWh/m2，傾斜面年太陽總輻射量為1249.36 kWh/m2。

在光伏電站理論年發(fā)電量計(jì)算中，采用標(biāo)準(zhǔn)法計(jì)算時(shí)，根據(jù)式（2）可計(jì)算得到理論年發(fā)電量為1249.36×300/1×0.8=299846.4 kWh。

采用面積法計(jì)算時(shí)，根據(jù)式（3）可計(jì)算得到理論年發(fā)電量為1249.36×2.108×1.048×700×0.204×0.80=315310.0 kWh。

采用小時(shí)法計(jì)算時(shí)，項(xiàng)目所在地的年峰值利用小時(shí)數(shù)為1249.36 h，根據(jù)式（4）可計(jì)算得到理論年發(fā)電量為300×1249.36×0.8=299846.4 kWh。

3種計(jì)算方法的結(jié)果誤差約為5%，誤差較小，取3種計(jì)算方法得到的結(jié)果的平均值，則本分布式光伏電站總裝機(jī)容量為300 kW，設(shè)計(jì)安裝700塊峰值功率為450 W的單晶硅光伏組件，系統(tǒng)理論年發(fā)電量約為305000.9 kWh。

在實(shí)際運(yùn)行中，光伏電站的年發(fā)電量呈線性衰減趨勢(shì)，因此需要計(jì)算光伏電站全生命周期25年的理論年發(fā)電量，使理論計(jì)算結(jié)果更具參考價(jià)值。按照光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電效率在第25年時(shí)不得低于首年的80%（首年為理論計(jì)算值的98.5%）進(jìn)行設(shè)計(jì)。

光伏電站全生命周期25年中第m年的理論年發(fā)電量的計(jì)算式為：

式中：m的取值從2開始；η為光伏發(fā)電系統(tǒng)年發(fā)電效率。

由于光伏電站首年衰減情況不同，光伏電站第1年的理論發(fā)電量Q1不能采用式（14）計(jì)算，Q1=305000.9×0.985=300425.9 kWh。

利用式（14）得到該光伏電站25年全生命周期的發(fā)電量預(yù)測(cè)結(jié)果，如表6所示。

通過表6可知：該項(xiàng)目25年理論累計(jì)發(fā)電量約為6884729.6 kWh，25年理論平均年發(fā)電量約為275389.2 kWh。另外，本項(xiàng)目為并網(wǎng)式光伏電站，當(dāng)光照不足時(shí)，由國家電網(wǎng)供電系統(tǒng)輸送不足部分的電量。

僅改變光伏電站相關(guān)參數(shù)、其他條件不變的情況下，以相同方法計(jì)算處于高緯度的哈爾濱地區(qū)光伏電站的理論年發(fā)電量，并且將計(jì)算結(jié)果與武漢地區(qū)的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較。2個(gè)地區(qū)光伏電站相關(guān)參數(shù)對(duì)比如表7所示，2個(gè)地區(qū)光伏電站理論年發(fā)電量計(jì)算結(jié)果對(duì)比如表8所示。

從哈爾濱市光伏電站的理論年發(fā)電量計(jì)算結(jié)果可以看出：無論是中緯度地區(qū)光伏電站，還是高緯度地區(qū)光伏電站，采用這3種計(jì)算方法進(jìn)行光伏電站理論年發(fā)電量的計(jì)算都適用。

7? 結(jié)論

本文針對(duì)武漢市某開發(fā)區(qū)某300 kW分布式光伏發(fā)電項(xiàng)目，以國家氣象信息中心的太陽輻射數(shù)據(jù)為基礎(chǔ)，對(duì)光伏電站理論年發(fā)電量計(jì)算進(jìn)行了初步研究，得到以下結(jié)論：

1）通過標(biāo)準(zhǔn)法、面積法、小時(shí)法3種計(jì)算方法綜合比較后，得到本項(xiàng)目的理論年發(fā)電量約為305000.9 kWh；

2）應(yīng)根據(jù)各個(gè)項(xiàng)目實(shí)際所在地的長期實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)分析得到光伏組件最佳安裝傾角。由于本文是關(guān)于光伏電站理論年發(fā)電量的計(jì)算研究，因此未對(duì)光伏組件最佳安裝傾角作過多研究；

3）通過計(jì)算傾斜面接收的年太陽輻射量從而得到的光伏電站年發(fā)電量僅是理論年發(fā)電量，與光伏電站實(shí)際運(yùn)行時(shí)的實(shí)際發(fā)電量存在一定差距；

4）通過與同等條件下高緯度的哈爾濱地區(qū)光伏電站理論年發(fā)電量的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行對(duì)比后發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)法、面積法、小時(shí)法這3種計(jì)算方法也同樣適用于高緯度地區(qū)光伏電站理論年發(fā)電量的計(jì)算。

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RESEARCH ON CALCULATION OF THEORETICAL ANNUAL POWER GENERATION CAPACITY OF PV POWER STATIONS IN

WUHAN REGION

Zhuo Zixiang，Duan Shiwei，Ren Jing

（School of Mechanical Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan 243032，China）

Abstract：The calculation of annual power generation capacity of PV power stations plays an indispensable role in the construction of PV power stations. In order to ensure the accuracy of the theoretical results，it is necessary to comprehensively compare the results obtained by different calculation methods，and then obtain the calculation results with less theoretical error. This paper aims at a 300 kW distributed PV power generation project in a development zone in Wuhan，the calculation of the theoretical annual power generation capacity of PV power stations is systematically and preliminarily studied，and the parameters such as the inclined plane solar radiation required to calculate the theoretical annual power generation capacity are analyzed，and the calculation results obtained by the standard method，the area method，and the hour method are compared to ensure the accuracy of the theoretical annual power generation capacity，at the same time，it also provides a reference basis for scientific and accurate calculation of the theoretical annual power generation capacity of PV power stations. The research results show that these three calculation methods are applicable to the calculation of theoretical annual power generation capacity of PV power stations in middle and high latitude areas.

Keywords：PV power station；theoretical annual power generation capacity；inclined plane；solar radiation；Wuhan region