光伏發(fā)電功率與主要氣象影響因子的相關(guān)性分析

摘 要：本文主要研究氣象因子對光伏電站發(fā)電功率的影響，通過分析劉公廟光伏電站2022年實際運行數(shù)據(jù)，得出了光伏電發(fā)電功率與單個氣象因子之間的相關(guān)性。整個研究過程中，首先選取輻照度、環(huán)境溫度、相對濕度3個氣象因子，選取單日數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，得到各氣象因子與發(fā)電功率的關(guān)系圖。其次，計算氣象因子和發(fā)電功率之間的相關(guān)系數(shù)。最后，根據(jù)關(guān)系圖及相關(guān)系數(shù)分析氣象因子對光伏電站發(fā)電功率的影響程度。

關(guān)鍵詞：發(fā)電功率；氣象因子；相關(guān)性

中圖分類號： TM 615 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

隨著光伏發(fā)電研究水平逐漸完善，全世界范圍內(nèi)的光伏裝機(jī)容量呈爆炸式增加。自2012年以來，我國光伏增長了184倍，年均增長60%左右。據(jù)統(tǒng)計，截至2023年底，全國太陽能發(fā)電裝機(jī)6.1億kW，占全球43%，全國光伏平均利用率98%。光伏發(fā)電量不斷增加，占比穩(wěn)步提高，在能源電力保供中的作用不斷凸顯。但是，當(dāng)太陽能規(guī)?；尤腚娋W(wǎng)后，該問題受到越來越多的重視。傳統(tǒng)的發(fā)電方式，例如燃煤、水電等，其出力是有計劃的，也是可控的。此外，由于受太陽輻射的周期性變化，太陽輻射也呈現(xiàn)晝夜間隙的特征，同時還受到天氣、氣象因素、地理位置以及太陽能帆板表面積灰量等多種因素的共同作用，使其呈現(xiàn)既隨機(jī)又波動的特點。由此導(dǎo)致的電網(wǎng)電壓波動、頻率波動及諧波污染嚴(yán)重，對電網(wǎng)供需均衡、安全穩(wěn)定運行和調(diào)控提出了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)[1]。

本文結(jié)合江西省劉公廟太陽能電池廠的實際情況，分析天氣因素對太陽能電池出力的作用規(guī)律以及兩者之間的關(guān)系，為進(jìn)一步提升太陽能電池的出力預(yù)報精度奠定基礎(chǔ)。

1 影響光伏發(fā)電功率的氣象因子

影響光伏發(fā)電功率的因子眾多，例如太陽輻照度、環(huán)境溫度、相對濕度、光伏組件的安裝角度、轉(zhuǎn)換效率等[2]。理論上，當(dāng)進(jìn)行光伏發(fā)電功率預(yù)測時，以上影響因子都需要考慮。

在實際的工作過程中，天氣因素和電能利用率是決定太陽能電池輸出功率的重要因素。本文只研究了天氣因素。

天氣因素對太陽能電池的輸出有很大的影響，而天氣因素對太陽能電池的輸出也有很大的影響。本文研究了太陽輻射強(qiáng)度、環(huán)境溫度和相對濕度等氣象因素對光伏系統(tǒng)輸出的影響。

1.1 太陽輻照度

太陽輻射強(qiáng)度是指在大氣層中，當(dāng)太陽輻射被大氣吸收、散射和反射后，到達(dá)地表的每一單位面積的輻射能。太陽輻射強(qiáng)度是影響光伏發(fā)電效率的主要因素之一。太陽輻射強(qiáng)度是影響光伏電池光電轉(zhuǎn)換效率的重要因素，輻射強(qiáng)度是決定光電轉(zhuǎn)換效率的重要氣象因素。

太陽輻射強(qiáng)度隨時間而改變，白天和夜晚的輻射強(qiáng)度小于正午，而白天和夜晚的輻射強(qiáng)度較高，且光照強(qiáng)度較高，太陽能電池的輸出功率也較高，且存在一定的周期性。在此基礎(chǔ)上，研究了多種不確定性因素對太陽輻射強(qiáng)度的影響。太陽帆板的方位角、傾角及安裝位置等都是影響太陽帆板性能的主要因素。傾角的選擇與所在的緯度相關(guān)，越是低緯區(qū)域，太陽入射角越大，日射功率越大，發(fā)電量越高。通常情況下，太陽電池板坐南頭的時候可以獲得最大的能量，東南方向和西南方向的能量消耗會減少10%左右，西面和東面的能量消耗會減少20%左右。在中國，由于地理位置不同，傾斜角度通常為15°～45°。安裝在不同位置（例如墻壁、屋頂?shù)龋┑奶柲苊姘鍟胁煌娜照諒?qiáng)度，從而產(chǎn)生不同的發(fā)電量。同時，太陽輻射強(qiáng)度也與季節(jié)和地理位置有關(guān)。在夏季，太陽輻射持續(xù)時間越長，產(chǎn)生的電能越多；在冬季，太陽輻射持續(xù)時間較短，發(fā)電功率較??；一天當(dāng)中，中午的太陽高度往往更高，達(dá)到的日照強(qiáng)度更大，產(chǎn)生的電力更多[3]。

隨著輻照度增加，輸出電壓變化很小，而輸出電流增加較大，輻照度對光伏電池輸出電流的影響較大。輻照度增加，輸出功率也增加。太陽輻照度和光伏輸出功率成正比。

1.2 環(huán)境溫度

環(huán)境溫度可以用來測量空氣中的分子的熱運動，它的熱量移動越大，其溫度就越高。大氣溫度是影響輻射強(qiáng)度的重要因素，它的大小可以很好地反映輻射強(qiáng)度的變化。特別是在晴朗的日子，例如沒有遮擋的天氣，經(jīng)常會因為太陽輻射的增加而導(dǎo)致氣溫上升。隨著周圍溫度上升，組裝體的溫度也上升。不同的溫度條件下，太陽能電池的電學(xué)特性會發(fā)生改變。在高溫環(huán)境下，太陽能電池的工作效率會降低，并且會導(dǎo)致電池的充電工作點發(fā)生劇烈的偏移，進(jìn)而造成電池的不穩(wěn)定。

在固定太陽輻照度下，隨著溫度升高，輸出電壓減小，輸出電流基本不變，溫度對光伏電池輸出電壓影響較大。隨著溫度升高，輸出功率也相應(yīng)減小。

1.3 相對濕度

在高濕度條件下，大氣中的水分含量高，使大氣中的空氣流動不暢，阻礙了對地表的有效反射，從而導(dǎo)致光電轉(zhuǎn)換效率下降。結(jié)果表明，隨著氣溫升高，飽和水氣壓及真實水蒸氣壓也會隨之改變，但其變化幅度要小得多。所以，隨著氣溫上升，相對濕度下降；隨著氣溫下降，相對濕度上升。室內(nèi)相對濕度和周圍氣溫之間存在很強(qiáng)的耦合性。

1.4 其他氣象因子

其他氣象要素包括云量、風(fēng)速、雨雪、沙塵等。在此基礎(chǔ)上，對光伏發(fā)電系統(tǒng)的輸出功率進(jìn)行詳細(xì)分析和研究。由于云的尺寸、形狀、速度和方向都在不斷地改變，且呈現(xiàn)一定的隨機(jī)性，這就使光伏系統(tǒng)的輸出功率出現(xiàn)了隨機(jī)波動。高風(fēng)速會加速太陽能電池模塊周邊氣流的流動，有助于太陽能電池模塊的自散熱，從而提升太陽能電池的光電轉(zhuǎn)化效率，進(jìn)而增加太陽能電池的輸出功率。在雨雪、沙塵等惡劣天氣條件下，大氣透明度的時空分布發(fā)生顯著變化，其中，折射和散射作用對地面短波輻射有顯著抑制作用，進(jìn)而對光伏發(fā)電產(chǎn)生不利影響。

2 研究方法

2.1 數(shù)據(jù)來源與預(yù)處理方法

本文收集江西省劉公廟30MW光伏電站2022年1月1日至2023年1月1日的15min運行數(shù)據(jù)，主要包括實測總輻照度、實測氣溫、實測相對濕度、實測氣壓等。

先對1a的數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理。在正常發(fā)電情況下，將發(fā)電功率小于0.1kW視為無效功率，剔除這部分?jǐn)?shù)據(jù)及缺測數(shù)據(jù)。再通過相關(guān)性分析法對電站1a的運行數(shù)據(jù)進(jìn)行光伏發(fā)電功率與氣象因子的相關(guān)性分析。

2.2 相關(guān)性分析法

相關(guān)性分析[4]是指對2個或多個具有相關(guān)性的變量元素進(jìn)行分析，從而度量2個變量因子之間的緊密關(guān)系。利用皮爾遜相關(guān)分析法求出了電力系統(tǒng)的發(fā)電功率和氣象因素的相關(guān)性。相關(guān)性系數(shù)r如公式（1）所示。

相關(guān)系數(shù)的取值范圍為-1≤r≤1，正的表示正相關(guān)，負(fù)的表示負(fù)相關(guān)。

3 光伏發(fā)電功率與氣象因子相關(guān)性分析

3.1 輻照度與發(fā)電功率相關(guān)性分析

隨機(jī)選取2022年某一天00：00—24：00光伏輸出功率和太陽輻照強(qiáng)度的數(shù)據(jù)（以下環(huán)境溫度、相對濕度均取同一天），得出光伏日發(fā)電實際功率與輻照度的關(guān)系圖如圖1所示。從2種變量趨勢情況來看，光伏輸出功率和太陽輻照度變化趨勢基本同步。

2022年（實測功率和輻射強(qiáng)度分布曲線以下的環(huán)境溫度和相對濕度都取同年）如圖2所示，發(fā)電功率與輻射強(qiáng)度成正比，并且隨輻射強(qiáng)度增大而增大。經(jīng)分析，兩者之間的相關(guān)性為0.976，表明輻照度與光伏發(fā)電功率成正相關(guān)，高度相關(guān)。

3.2 環(huán)境溫度與發(fā)電功率相關(guān)性分析

光伏日發(fā)電實際功率與環(huán)境溫度的關(guān)系圖如圖3所示。從2種變量趨勢情況來看，光伏輸出功率和環(huán)境溫度變化趨勢近似一致。

實測發(fā)電功率與環(huán)境溫度的散點圖如圖4所示，通過計算得到相關(guān)系數(shù)r=0.42，環(huán)境溫度與發(fā)電功率成正相關(guān)，低度相關(guān)。環(huán)境溫度越高，輻照度越大，導(dǎo)致光伏組件溫度升高，影響發(fā)電功率。

3.3 相對濕度與發(fā)電功率相關(guān)性分析

光伏日發(fā)電實際功率與相對濕度的關(guān)系圖如圖5所示。從2種變量趨勢情況來看，光伏輸出功率和相對濕度變化趨勢相反。

實測發(fā)電功率與相對濕度的散點圖如圖6所示，通過計算得到相關(guān)系數(shù)r=-0.568，環(huán)境溫度與發(fā)電功率成負(fù)相關(guān)，顯著相關(guān)。相對濕度越大，溫度越低，相對濕度與環(huán)境溫度有較強(qiáng)耦合性，影響發(fā)電功率。

4 結(jié)語

本文以江西省劉公廟光伏電站為研究對象，采用2022年15min的光伏發(fā)電功率、太陽輻射數(shù)據(jù)和氣象觀測數(shù)據(jù)，研究了光伏發(fā)電功率的晝夜變化特征和影響光伏發(fā)電功率的主要氣象因素，得到了以下主要結(jié)論。1）光伏電站的輸出功率在白天和晚上分別具有單峰和低峰的特點。2）光照強(qiáng)度與環(huán)境溫度之間的關(guān)系，其中與輻照度的正相關(guān)系數(shù)大于0.9。發(fā)電功率與相對濕度成負(fù)相關(guān)，相對濕度對光伏發(fā)電功率起削弱作用。通過相關(guān)性分析可以得出，輻照度對光伏發(fā)電功率影響最大，其次是相對濕度、環(huán)境溫度。

參考文獻(xiàn)

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