氣候條件對光伏發(fā)電量影響淺析

2015-01-01 03:00北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司張玉娜王偉梁勃

太陽能 2015年2期

北京科諾偉業(yè)科技股份有限公司 ■ 張玉娜王偉梁勃

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，各種所需能源與日俱增，傳統(tǒng)燃料能源的全球儲(chǔ)量正在逐步縮減，甚至面臨枯竭。與此同時(shí)，環(huán)境需求也處于歷史最為嚴(yán)峻的時(shí)刻，全球變暖、溫室效應(yīng)、霧霾彌漫等極端惡劣條件的頻發(fā)，使人們不得不反思攫取能源的傳統(tǒng)方式是否過于粗暴。鑒于此，人們把目光投向了可再生能源，太陽能因其對環(huán)境友好、獲取便利、轉(zhuǎn)化高效、儲(chǔ)量豐富、使用安全等諸多原因，成為人們最為關(guān)注的新能源。

在此背景下，全球光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)增長迅猛，產(chǎn)業(yè)規(guī)模不斷擴(kuò)大。通過最近十余年的極力發(fā)展，2013年光伏全球新裝機(jī)容量已達(dá)38.4 GW，累計(jì)達(dá)139 GW，在所有新能源發(fā)電新增裝機(jī)容量中占32.4%，位列第一[1]。我國光伏發(fā)電裝機(jī)總?cè)萘恳堰_(dá)22.42 GW[2]。然而電站面積畢竟有限，太陽能又具有能量密度低的缺點(diǎn)，如何在有限的空間內(nèi)更有效地設(shè)計(jì)光伏組件，使其發(fā)電量達(dá)到最大，提高單位空間有限成本內(nèi)的發(fā)電量，才是我們更應(yīng)關(guān)注的焦點(diǎn)。隨著光伏裝機(jī)規(guī)模的不斷擴(kuò)張，電站的可靠和高效運(yùn)營顯得格外重要，其實(shí)看似簡單的光伏組件才是光伏電站最核心部件，也最易受外界影響——傾角遮擋、風(fēng)吹雨淋、日久積灰等不利因素都可隨時(shí)干擾光伏發(fā)電，降低發(fā)電量，尤其是無法人為改變的氣象因素的影響。因此，研究這些影響因素勢在必行。

1 評估數(shù)學(xué)模型

我國疆域廣袤，地理差異迥然，氣候千差萬別，太陽能資源各不相同。為簡化數(shù)學(xué)模型，此處僅考慮太陽直射情況下的日照輻射。

當(dāng)光伏組件水平放置時(shí)，太陽照射到組件上的輻射能為：

式中，Z為地球表面的天頂角；E為太陽光入射的輻射通量密度(此處不考慮大氣散射和地面反射的情況，僅討論垂直入射的平行光束)。

當(dāng)光伏組件傾角放置時(shí)，照射在傾斜組件上的輻射能[3]為：

式中，β為組件與水平面的傾角；δ為太陽赤緯角；λ為地理緯度；ω為太陽時(shí)角。

式中，n為一年中的天數(shù)，一年往返回到原點(diǎn)；δ的范圍為 -23.45°～23.45°[4]。

為求出每小時(shí)平均日照輻射的最大值，對式(4)求導(dǎo)得：

令式 (5)等于零。因 a≠0、b≠0 、E≠0，則sina≠0、sinb≠0 ，即 sin(λ-β)=0，可得：

式(6)表明當(dāng)光伏組件和水平面傾角等于當(dāng)?shù)鼐暥葧r(shí)，發(fā)電量最大，相應(yīng)年平均日照輻射強(qiáng)度最大。此時(shí)每小時(shí)平均日照輻射為：

因?yàn)槟昶骄照諘r(shí)間為12 h，則年平均每天日照輻射為[5]：

通過以上計(jì)算可建立較簡單模型，計(jì)算每天、每月、每年度理想發(fā)電量。如考慮氣候差異、大氣散射、地面反射等情況，β應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況在當(dāng)?shù)鼐暥然A(chǔ)上于±5°～10°[6]范圍內(nèi)波動(dòng)。

2 氣象數(shù)據(jù)庫建立

太陽能在一年中不同季節(jié)、不同月份、不同時(shí)間的輻射強(qiáng)度和總量都在不斷變化。即使相似時(shí)間段，因氣象條件不同，光伏組件接收到的輻射強(qiáng)度和總量也有很大區(qū)別。這是和上述理論模型的差別所在。因此，實(shí)際建站應(yīng)用時(shí)，光伏發(fā)電系統(tǒng)會(huì)根據(jù)負(fù)載特性的不同，選擇季節(jié)性或全年發(fā)電量最大的光伏陣列布置方式[7]。盡管一些光伏電廠會(huì)采用自動(dòng)追日系統(tǒng)，可使發(fā)電量提高20%～30%，但由于支架成本及運(yùn)行維護(hù)成本的大量增加(1～2.5倍甚至更高)[8]，在一定程度上限制了這種方案的推廣。因此，本文嘗試分析固定傾角鋪設(shè)方案，以青島即墨站數(shù)據(jù)為研究對象建立分析數(shù)據(jù)庫，得到理論平均日輻射、實(shí)際平均日氣溫、具體天氣等氣象參數(shù)和實(shí)際發(fā)電量之間的關(guān)系(見表1)，因?yàn)槭峭还夥娬镜臄?shù)據(jù)，因此可排除緯度、海拔、傾角、系統(tǒng)、元器件等不同造成的差別。月發(fā)電量和月平均日發(fā)電量數(shù)據(jù)采自筆者公司光伏數(shù)據(jù)中心，晴、多云、雨雪天數(shù)及月平均日氣溫采自中國氣象網(wǎng)數(shù)據(jù)庫，月平均組件安裝面日輻射采自NASA數(shù)據(jù)庫。

3 氣象條件對發(fā)電量的影響

月發(fā)電量柱狀圖如圖1所示，可知理論和實(shí)際月發(fā)電量都呈規(guī)律的起伏狀態(tài)，理論月發(fā)電量同一年度內(nèi)近似于浪形曲線。發(fā)電量從每年2月起開始攀升，4、5月時(shí)到達(dá)波峰，而后開始緩降，7月開始平緩，從10月開始繼續(xù)下滑至次年1月，循環(huán)往復(fù)，呈季節(jié)性變化。若簡化數(shù)據(jù)樣本，以一年為基準(zhǔn)按季度分類，得到圖2。由此可更清楚地看出春季發(fā)電量明顯高出其他3季。

圖1 月發(fā)電量柱狀圖

即墨站位于山東半島西南，北緯32°，具有明顯的溫帶季風(fēng)氣候，春季氣候干燥、氣溫回暖且日照時(shí)間變長，夏秋兩季多雨少晴，冬季日照時(shí)間短，可見其余3季相較于春季，氣象條件均明顯不足。太陽輻射強(qiáng)度具有季節(jié)性規(guī)律變化，所以導(dǎo)致發(fā)電量在趨勢上也呈相同變化。作為并網(wǎng)電站，不必考慮發(fā)電量的平穩(wěn)性，如果要提高全年發(fā)電總量，應(yīng)充分利用最優(yōu)時(shí)間段，在高效時(shí)盡可能地發(fā)電。

表1 即墨站光伏系統(tǒng)氣象數(shù)據(jù)庫

圖2 季度發(fā)電量柱狀圖

對于同一電站，組件設(shè)計(jì)傾角、系統(tǒng)元器件選型、海拔緯度等因素完全一致，那么對年發(fā)電量影響最大的可能是氣候條件。對圖1相同時(shí)間段的氣溫情況分析得到圖3。兩圖對比發(fā)現(xiàn)，兩者有類似的起伏形態(tài)，區(qū)別僅在于月平均氣溫的振幅更大。空氣溫度取決于太陽輻射強(qiáng)度，光伏組件的發(fā)電量同樣取決于太陽輻射強(qiáng)度，那么空氣溫度和發(fā)電量間是否也存在某種聯(lián)系呢？

圖3 月平均氣溫圖

JIS發(fā)電量預(yù)測方法中對此做出了回答，JIS各月系統(tǒng)發(fā)電量為：

式中，GS為標(biāo)準(zhǔn)條件下日射強(qiáng)度，即式(1)和式(7)中的E，取值為常量1 kWh/m2；HAM為月累計(jì)傾斜面日射量；PAS為標(biāo)準(zhǔn)太陽電池板輸出能量；K為綜合設(shè)計(jì)系數(shù)。

式中，KPT為溫度修正系數(shù)；K′為基本設(shè)計(jì)系數(shù)。

式中，αPmax為最大輸出功率溫度系數(shù)(晶體硅組件：-0.40～-0.50%/℃)；TCR為平均太陽電池模塊的溫度。

式中，ΔT為太陽電池模塊的溫度上升調(diào)整值；TAV為月平均氣溫。

把式(12)依次帶入式(9)～(11)中，得到月平均氣溫同月發(fā)電量之間的關(guān)系：

由式(13)可知，月平均溫度TAV與溫升ΔT的代數(shù)和(太陽能組件TCR)同發(fā)電量EPM間存在線性關(guān)系。假設(shè)其余參考量恒定，僅存在變量TCR，可得組件溫度和發(fā)電量間關(guān)系曲線如圖4所示。由此可知，在不考慮其他參考量的情況下，太陽能組件溫度越高發(fā)電量越小。月平均溫度由低到高依次為：冬季、春季、秋季、夏季(見圖3)。僅考慮溫度一項(xiàng)，冬春兩季發(fā)電量較大，但由于即墨站位于北回歸線以北，冬季日照時(shí)間最短，故春季才是發(fā)電量最大的季節(jié)，和之前結(jié)論相符。

圖4 溫度-發(fā)電量曲線

NASA推導(dǎo)出的理論平均日輻射和實(shí)測平均日發(fā)電量之間的關(guān)系如圖5所示。

圖5 平均日輻射-平均日發(fā)電量對比圖

由圖5可知，理論月均日發(fā)電量的起伏和理論月均日輻射曲線完全一致，理論平均日輻射起伏和實(shí)際平均日發(fā)電量曲線大致相同，理論和實(shí)測基本吻合。輻射強(qiáng)度越大發(fā)電量就越大。但13-7和14-6兩處不相符值得關(guān)注，發(fā)電量陡然下降，可輻射曲線卻較為平緩。為探尋實(shí)測和理論的矛盾所在，需具體分析天氣情況。

對于組件接收太陽輻射而言，天空云量是其最直接的影響，鑒于此，我們可把各種天氣情況按氣象定義進(jìn)行簡單分類，如圖6所示。

圖6 3種天氣分布圖

在這3大類中，有兩個(gè)極端項(xiàng)是晴和雨雪。雖然這兩項(xiàng)所占天數(shù)很少卻極其關(guān)鍵，一個(gè)是輻射強(qiáng)烈至極，一個(gè)是輻射忽略不計(jì)。相對而言，多云天氣反倒是最為普通常規(guī)的現(xiàn)象，對分析發(fā)電量暫時(shí)不具備特殊意義。故我們將多云天氣排除在外，晴雨比例圖如圖7所示。

圖7 晴雨比例圖

在圖7中尋找圖5對應(yīng)曲線奇點(diǎn)處。13-7處無晴天，卻有20個(gè)陰天，占據(jù)了全月時(shí)間的64.5%，再次對應(yīng)圖1的發(fā)電量，也解釋了當(dāng)月發(fā)電量驟然下降的原因。14-6處也是同樣的原因，全月無晴天，11個(gè)雨天，占據(jù)了全月時(shí)間37%。查看數(shù)據(jù)庫中21個(gè)月的樣本，只有這兩個(gè)月是雨雪天氣超過1/3時(shí)間，同時(shí)無晴天。晴雨兩種極端天氣對發(fā)電量的影響也類似。但這也是綜合了30天的平均情況，其余月份數(shù)據(jù)中同樣也有晴雨兩種天氣的分布，卻未像這兩個(gè)奇點(diǎn)月顯現(xiàn)的如此明顯，那么我們抽取具體幾天，分析對組件發(fā)電量的影響。

圖8表示了相近兩段連續(xù)時(shí)間，每段時(shí)間都取3天為樣本，重點(diǎn)觀察兩個(gè)極端天氣的發(fā)電量。2014-09-23為晴天，日發(fā)電量達(dá)到15010.9 kWh，而2014-09-28為全天中小雨，日發(fā)電量僅為1406.6 kWh。相近的兩天，其余條件幾乎完全相同，差別為天氣情況，從柱狀圖中很明顯地看出，晴天的發(fā)電量幾乎是雨天的11倍。

圖8 單日發(fā)電量柱狀圖

為避免抽樣的特殊性，我們將2014年雨季(7～9月)中所有晴天和雨雪天抽出，做圖9以便比較。樣本數(shù)量增加后對比更加明顯，晴天時(shí)日發(fā)電量均在15 MWh以上，而雨天時(shí)發(fā)電量基本維持在5 MWh以下，晴天發(fā)電量為雨天的3倍。相較于圖8，雨天發(fā)電量較大。究其原因，圖8中，我們?yōu)榱烁帽容^選擇全天下雨，發(fā)電量自然很小，而圖9中的雨天并非全天下雨，故而發(fā)電量有所提升。無論哪種樣式，具體天氣的影響或天空中云量對光伏發(fā)電的影響都很大。

圖9 7～9月份晴雨發(fā)電量

4 結(jié)論

在光伏系統(tǒng)前期進(jìn)行發(fā)電預(yù)測評估時(shí)需考慮的因素很多，如光伏陣列傾角、轉(zhuǎn)換效率、太陽光輻射強(qiáng)度、當(dāng)?shù)貧夂颦h(huán)境，以及其他一些因素，都會(huì)對光伏陣列的發(fā)電量產(chǎn)生影響。對于既定光伏系統(tǒng)來說，所有數(shù)據(jù)都自于同一套系統(tǒng)，因此采用歷史發(fā)電數(shù)據(jù)來進(jìn)行評估待建光伏電站的發(fā)電量，比間接評估預(yù)測具有明顯的準(zhǔn)確性和必要性。尤其是類似即墨站，采用屋頂鋪設(shè)組件，并選擇了最佳傾角固定安裝，當(dāng)人為條件都已最優(yōu)化后，愈發(fā)顯得氣象條件的重要。本文使用了即墨站的既有數(shù)據(jù)，通過和NASA推導(dǎo)數(shù)據(jù)進(jìn)行綜合測評，分析了平均日輻射、陰晴天氣、平均溫度與光伏發(fā)電量之間的關(guān)系。由于樣本較為單一，在今后的工作研究中有待進(jìn)一步充實(shí)數(shù)據(jù)，完善方案。

[1] European Photovoltaic Industry Association. Market& competitiveness [EB/OL]. http://www.epia.org/policies/sustainable-market-development/market-competitiveness/.

[2] 吳新雄. 攜手通向未來的亞太可持續(xù)能源發(fā)展之路[R].亞太經(jīng)合組織第十一屆能源部長會(huì)議，北京， 2014.

[3] 王炳忠. 相對于斜面的太陽位置計(jì)算[J]. 太陽能， 1999， (3):8－9.

[4] 日本太陽能學(xué)會(huì). 太陽能的基礎(chǔ)和應(yīng)用[M]. 上海:上?？茖W(xué)技術(shù)出版社， 1982.

[5] 吳少波. 光伏陣列年最大發(fā)電量固定傾角的確定[J].太陽能， 2011， (5): 27－29.

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