文 | 申彥波，王香云，王婷，郭鵬

中國(guó)典型地區(qū)水平總輻射輻照度頻次特征*

文 | 申彥波，王香云，王婷，郭鵬

太陽(yáng)能資源是影響光伏發(fā)電的先決條件之一，對(duì)一個(gè)具體的光伏電站而言，除太陽(yáng)總輻射年輻照量之外，太陽(yáng)輻照度的頻次分布特征也是影響其年發(fā)電量的重要因素。在并網(wǎng)光伏發(fā)電系統(tǒng)中，有兩個(gè)關(guān)鍵設(shè)備的效率與太陽(yáng)輻照度直接相關(guān)，一是太陽(yáng)電池，二是逆變器。

對(duì)太陽(yáng)電池而言，其額定功率測(cè)試的標(biāo)準(zhǔn)條件是：（1）光源輻照度1000 W/m2；（2）測(cè)試溫度25℃；（3）AM1.5地面太陽(yáng)光譜輻照度分布。在實(shí)際光伏電站運(yùn)行過(guò)程中，太陽(yáng)-輻照度總是變化的，而太陽(yáng)電池的開(kāi)路電壓和短路電流均與入射光譜輻照度的大小有關(guān)。當(dāng)輻照度較弱時(shí)，開(kāi)路電壓與入射光輻照度呈近似線形變化；當(dāng)太陽(yáng)輻照度較強(qiáng)時(shí)，開(kāi)路電壓與入射光輻照度呈對(duì)數(shù)關(guān)系變化；在入射光輻照度比標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件（1000W/m2）不是大很多的情況下，太陽(yáng)電池的短路電流與入射光輻照度呈正比關(guān)系，即在一定范圍內(nèi)，當(dāng)入射光輻照度成倍增加時(shí)，太陽(yáng)電池的短路電流也要成倍增加。與此相對(duì)應(yīng)，太陽(yáng)電池的最大功率點(diǎn)也要隨著太陽(yáng)輻照度的增加而變化。

對(duì)于光伏系統(tǒng)的逆變器而言，影響其發(fā)電量的有：最大功率跟蹤點(diǎn)（MPPT）效率和轉(zhuǎn)換效率。MPPT效率即逆變器實(shí)時(shí)跟蹤并工作在太陽(yáng)能電池板最大功率點(diǎn)處的精度。因在實(shí)際工作中，逆變器的輸入電壓以及負(fù)載點(diǎn)會(huì)隨輻照度和溫度的變化而變化，最大功率點(diǎn)以及運(yùn)行負(fù)載點(diǎn)會(huì)變化，體現(xiàn)在逆變器上即影響其MPPT效率以及轉(zhuǎn)換效率。另外，不同地區(qū)的太陽(yáng)能資源存在差異，故其在一定輻照度下的持續(xù)時(shí)間也會(huì)不同，反映到逆變器上表現(xiàn)為不同負(fù)載點(diǎn)的駐留時(shí)間不同。

當(dāng)前，隨著太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用在我國(guó)的快速發(fā)展，行業(yè)內(nèi)對(duì)于光伏發(fā)電的效率提高、發(fā)電能力提升以及關(guān)鍵設(shè)備檢測(cè)的標(biāo)準(zhǔn)化和中國(guó)化越來(lái)越重視。中國(guó)由于地形復(fù)雜、氣候特征多樣，使得太陽(yáng)能資源及相關(guān)氣象要素的分布也極為復(fù)雜，進(jìn)而對(duì)不同地區(qū)光伏發(fā)電的影響也存在較大差異。其中，太陽(yáng)輻照度的頻次特征便是影響光伏發(fā)電的關(guān)鍵氣象要素之一。本文通過(guò)對(duì)我國(guó)典型地區(qū)典型年水平總輻射輻照度的分析，獲得不同氣候區(qū)和資源等級(jí)區(qū)域的太陽(yáng)輻照度時(shí)次和能量頻次分布特征，為進(jìn)一步研究我國(guó)不同地區(qū)太陽(yáng)電池和逆變器的實(shí)際發(fā)電量提供基礎(chǔ)依據(jù)。

數(shù)據(jù)與方法

一、數(shù)據(jù)資料及站點(diǎn)選擇

本文所用數(shù)據(jù)資料主要包括全國(guó)輻射觀測(cè)站近10年的逐時(shí)平均水平總輻射輻照度（單位：W/m2），以及在此基礎(chǔ)上統(tǒng)計(jì)得到的水平總輻射逐日、逐月、逐年輻照量（單位：kWh/m2），所有數(shù)據(jù)均來(lái)源于國(guó)家氣象信息中心，數(shù)據(jù)觀測(cè)質(zhì)量符合《地面氣象觀測(cè)規(guī)范》的要求。

為反映我國(guó)太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用典型地區(qū)的特點(diǎn)，按照以下三個(gè)原則選擇具有代表性的輻射觀測(cè)站：（1）兼顧所有太陽(yáng)能資源等級(jí)區(qū)域，重點(diǎn)考慮資源豐富區(qū)；（2）空間分布上盡可能均勻，兼顧行政區(qū)；（3）綜合考慮地形、氣候特征及輻射站的觀測(cè)環(huán)境、建站和遷站情況等。據(jù)此，在全國(guó)范圍一共選取18個(gè)輻射站進(jìn)行分析，其空間分布如圖1所示。其中太陽(yáng)能資源I類(lèi)最豐富區(qū)（水平總輻射年輻照量≥1750kWh/m2）的代表站點(diǎn)包括：拉薩、格爾木、額濟(jì)納旗、敦煌；II類(lèi)很豐富區(qū)（1400kWh/m2≤水平總輻射年輻照量<1750kWh/m2）的代表站點(diǎn)包括：二連浩特、昆明、和田、

蘭州、?？?、烏魯木齊；III類(lèi)豐富區(qū)（1050kWh/m2≤水平總輻射年輻照量<1400kWh/m2）的代表站點(diǎn)包括：北京、長(zhǎng)春、鄭州、南京、福州、廣州、武漢；IV類(lèi)一般區(qū)（水平總輻射年輻照量<1050kWh/m2）的代表站點(diǎn)以重慶為例。

二、數(shù)據(jù)處理方法

首先從每個(gè)站近10年的數(shù)據(jù)中選擇典型年。為反映每個(gè)站點(diǎn)某一年的真實(shí)情況，本文未采用數(shù)據(jù)概率統(tǒng)計(jì)的方法確定典型年，而是以水平面總輻射年輻照量最接近10年平均值的年份為該站點(diǎn)的典型年，挑選的年份列于表1和表2中每個(gè)站點(diǎn)下方的括號(hào)內(nèi)。

其次對(duì)每個(gè)輻射站典型年的逐時(shí)平均水平總輻射輻照度進(jìn)行分檔統(tǒng)計(jì)。根據(jù)逆變器的運(yùn)行特點(diǎn)，選取代表性的運(yùn)行負(fù)載點(diǎn)，在每一選定的負(fù)載點(diǎn)上盡量選取中間值作為統(tǒng)計(jì)區(qū)間切換點(diǎn)，同時(shí)保證每個(gè)統(tǒng)計(jì)區(qū)間的平均輻照度接近功率分檔點(diǎn)，將輻照度分為7個(gè)區(qū)間：0 W/m2－75 W/m2、75 W/m2－150 W/m2、150 W/m2－250 W/m2、250 W/m2－400 W/m2、400 W/m2－620 W/m2、620 W/m2－875 W/m2、>875 W/m2。每個(gè)輻射站的統(tǒng)計(jì)要素包括：

（1）每個(gè)區(qū)間輻照度出現(xiàn)的時(shí)次T（單位：h）；

（2）T占全年白天時(shí)次T0的百分比f(wàn)T（單位：%）；

（3）每個(gè)區(qū)間輻照度全年累計(jì)的輻照量Q（單位：kWh/m2）；

（4）Q占全年總輻照量Q0的百分比f(wàn)Q（單位：%）。

其中，全年白天時(shí)次T0是將輻照度≥0的時(shí)次累加得到（在氣象站的輻射數(shù)據(jù)記錄中，0是有效數(shù)據(jù)，無(wú)觀測(cè)和無(wú)效數(shù)據(jù)分別用32766和32744表示）。

結(jié)果分析

根據(jù)上述數(shù)據(jù)資料和統(tǒng)計(jì)方法，得到18個(gè)典型輻射站代表年水平面總輻射逐時(shí)輻照度的頻次分布特征，T、fT、T0以及Q、fQ、Q0的統(tǒng)計(jì)結(jié)果分別如表1和表2所示，并通過(guò)圖2對(duì)fT和fQ的分布特征進(jìn)行對(duì)比。

一、不同區(qū)間輻照度出現(xiàn)時(shí)次特征分析

總體來(lái)看，大部分輻射站均呈現(xiàn)出低輻照度區(qū)間（0 W/m2－75W/m2）出現(xiàn)時(shí)次最多、中間某一輻照度區(qū)間（多數(shù)是400 W/m2－620W/m2）出現(xiàn)時(shí)次次多、高輻照度區(qū)間（>875W/m2）出現(xiàn)時(shí)次最少的特點(diǎn)。這是由于低輻照度區(qū)間主要出現(xiàn)在日出日落前后，持續(xù)時(shí)間較長(zhǎng)；高輻照度區(qū)間通常出現(xiàn)在中午，持續(xù)時(shí)間較短。而不同輻照度區(qū)間出現(xiàn)時(shí)次的分布特征則與資源豐富程度密切相關(guān)。

在資源最豐富區(qū)，400 W/m2－620W/m2（格爾木、額濟(jì)納旗、敦煌）或620 W/m2－875W/m2（拉薩）輻照度區(qū)間出現(xiàn)時(shí)次均接近甚至超過(guò)0 W/m2－75W/m2低輻照度區(qū)間，fT達(dá)到20%左右；而875W/m2以上高輻照度區(qū)間的fT也在5%以上，拉薩甚至達(dá)到了12.25%。此外，二連浩特的年輻照量接近于資源最豐富區(qū)，fT的分布特征也與此相近。

在資源很豐富區(qū)，除二連浩特外，其余5站fT的分布特征比較接近。0 W/m2－75W/m2低輻照度區(qū)間出現(xiàn)次數(shù)最多，fT在30%左右；400 W/m2－620W/m2輻照度區(qū)間出現(xiàn)時(shí)次次之，fT介于15%和20%之間；而875W/m2以上高輻照度區(qū)間的fT則下降到3%左右。

在資源豐富區(qū)，各輻射站fT的分布特征與資源很豐富區(qū)類(lèi)似。400 W/m2－620W/m2輻照度區(qū)間的fT仍在15%和20%之間；875W/m2以上高輻照度區(qū)間的fT則進(jìn)一步下降到1%左右；而0 W/m2－75W/m2低輻照度區(qū)間的fT則普遍超過(guò)30%，武漢甚至達(dá)到37.64%。

在資源一般區(qū)，以重慶為例，各輻照度區(qū)間fT的分布特征與其它資源區(qū)明顯不同。fT隨著輻照度的增加而降低，0 W/m2－75W/m2低輻照度區(qū)間的fT接近50%，而875W/m2以上高輻照度區(qū)間全年僅出現(xiàn)16次，占比僅0.33%。

二、不同區(qū)間輻照度全年累計(jì)輻照量特征分析

不同區(qū)間輻照度全年累計(jì)輻照量fQ的分布特征與上述時(shí)次特征明顯不同，而這種特征也決定了一個(gè)地區(qū)的資源豐富程度及其對(duì)光伏組件和逆變器效率的影響?？傮w來(lái)看，各輻射站均是400 W/m2－620W/m2或620 W/m2－875W/m2輻照度區(qū)間的fQ最高，且該比例越大，資源豐富程度越高；而0 W/m2－75W/m2低輻照度區(qū)間盡管出現(xiàn)時(shí)次最多，但其fQ在各輻射站卻均是最低或次低。

表1 18個(gè)典型輻射站代表年T、fT、T0統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表中≥0所對(duì)應(yīng)的時(shí)次即為T(mén)0）

表2 18個(gè)典型輻射站代表年Q、fQ、Q0統(tǒng)計(jì)結(jié)果（表中≥0所對(duì)應(yīng)的輻照量即為Q0）

在資源最豐富區(qū)，各輻射站75%以上的輻照量都集中在400W/m2以上的3個(gè)輻照度區(qū)間（即400 W/m2－620W/ m2、620 W/m2－875W/m2、>875W/m2），拉薩更是高達(dá)85.54%；其中又以620 W/m2－875W/m2輻照度區(qū)間占比最高，fQ達(dá)到35%左右；875W/m2以上高輻照度區(qū)間的fQ基本都在15%以上。

在資源很豐富區(qū)，各輻射站400W/m2以上3個(gè)輻照度區(qū)間的fQ占比在70%以上，其中仍是620 W/m2－875W/ m2輻照度區(qū)間占比最高，但fQ的值則下降到35%以下；

875W/m2以上高輻照度區(qū)間的fQ則下降到15%以下。

在資源豐富區(qū)，各輻射站400W/m2以上3個(gè)輻照度區(qū)間的fQ占比下降到65%左右，其中400 W/m2－620W/m2輻照度區(qū)間的fQ明顯增加，接近或超過(guò)620 W/m2－875W/ m2；875W/m2以上高輻照度區(qū)間的fQ則下降到5%左右。

在資源一般區(qū)，重慶400W/m2以上3個(gè)輻照度區(qū)間的fQ占比下降到56.66%，其中620 W/m2－875W/m2輻照度區(qū)間占比最高，但fQ的值只有不到30%；875W/m2以上高輻照度區(qū)間的fQ僅有1.69%；而0 W/m2－75W/m2低輻照度區(qū)間的fQ則超過(guò)5%，是所有輻射站中最高的。

結(jié)論與討論

通過(guò)以上對(duì)全國(guó)18個(gè)典型輻射站代表年不同輻照度區(qū)間出現(xiàn)時(shí)次和累計(jì)輻照量分布特征的統(tǒng)計(jì)和分析，主要結(jié)論如下：

（1）不同輻照度區(qū)間出現(xiàn)時(shí)次和累計(jì)輻照量的比例決定了一個(gè)地區(qū)的太陽(yáng)能資源豐富程度。較高輻照度區(qū)間（400W/m2以上）出現(xiàn)時(shí)次越多，累計(jì)輻照量占比越大，太陽(yáng)能資源豐富程度越高，越有利于提高光伏發(fā)電效率；相反，低輻照度區(qū)間（75W/m2以下）出現(xiàn)時(shí)次越多，累計(jì)輻照量占比越高，則太陽(yáng)能資源豐富程度越低，對(duì)于光伏發(fā)電越不利。

（2）中國(guó)的太陽(yáng)輻射能量以400W/m2以上的輻照度區(qū)間為主，大多數(shù)地區(qū)占全部輻照量的65%以上，青藏高原甚至超過(guò)80%。

（3）不同地區(qū)的太陽(yáng)能資源年總量即使比較接近，也可能在各輻照度區(qū)間的能量比例方面存在差異，進(jìn)而對(duì)光伏發(fā)電效率和發(fā)電量產(chǎn)生影響。

本文基于氣象站實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析了水平總輻射輻照度的頻次特征，為分析光伏組件和逆變器效率提供基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。但對(duì)于實(shí)際運(yùn)行的光伏電站而言，影響發(fā)電量的是與陣列同角度的斜面總輻射，其輻照度的頻次特征可能與水平總輻射存在差異；此外，不同資源區(qū)輻照度頻次特征的變化對(duì)光伏組件和逆變器效率的定量影響有多大，反映到發(fā)電量上有多大差異等等，尚需要大量的電站運(yùn)行數(shù)據(jù)進(jìn)一步深入研究。

（作者單位：申彥波，王香云，郭鵬：中國(guó)氣象局公共氣象服務(wù)中心，中國(guó)氣象局風(fēng)能太陽(yáng)能資源中心；王婷：北京鑒衡認(rèn)證中心有限公司）

* 資助項(xiàng)目：公益性行業(yè)（氣象）科研專項(xiàng)“太陽(yáng)能光伏資源精細(xì)化評(píng)估技術(shù)研究”（GYHY201306048）