張北及類似地區(qū)太陽輻照量計(jì)算方法研究

上海電力設(shè)計(jì)院有限公司 ■ 黃乾

0 引言

目前，對(duì)于無太陽輻照量參考?xì)庀笳镜貐^(qū)的太陽輻照量的值可通過《太陽能資源評(píng)估方法》中相關(guān)方法計(jì)算得出。但實(shí)際工程中，遇到如張北這種位于河北省北部、靠近內(nèi)蒙古的無太陽輻照量參考?xì)庀笳镜牡貐^(qū)，與其較近的北京、大同等參考?xì)庀笳荆嚯x張北地區(qū)均約200 km，利用這兩個(gè)氣象站推導(dǎo)出的張北地區(qū)太陽輻照量的值與實(shí)際值偏差很大。故現(xiàn)在各大設(shè)計(jì)院可行性研究報(bào)告中，對(duì)于該地區(qū)的太陽輻照量的值均采用NASA值，沒有一個(gè)較為合理的方法可計(jì)算出這類地區(qū)的太陽輻照量。

但對(duì)于我國來說，利用NASA值得出張北及類似地區(qū)的太陽輻照量這種方法依據(jù)不足；另外，NASA值僅對(duì)高海拔、高晴朗度地區(qū)其值較為準(zhǔn)確，對(duì)于我國華東、華南等地區(qū)并不適用。因此，本文利用雙參考站插值法，并通過與太陽輻照量值相關(guān)度最高的指數(shù)作為計(jì)算權(quán)重，計(jì)算類似張北地區(qū)的太陽輻照量。

1 張北地區(qū)太陽輻照量的計(jì)算方法

1.1 原計(jì)算方法概述

由于張北縣內(nèi)無太陽能輻射資源觀測(cè)站，本階段收集了距離站址相對(duì)最近的大同和北京氣象站的太陽能資源歷史觀測(cè)數(shù)據(jù)、張北氣象站日照小時(shí)數(shù)，可按照《太陽能資源評(píng)估方法》推算張北地區(qū)太陽輻照量。但同時(shí)考慮到大同和北京氣象站距離站址約170 km，緯度和海拔高度差異較大，此方法的推算結(jié)果不一定準(zhǔn)確，因此還收集了NASA地面太陽能觀測(cè)數(shù)據(jù)作為論證方法。

根據(jù)北京氣象站1978～2012年統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其多年平均太陽總輻照量為4987 MJ/m2，日照小時(shí)數(shù)為2443 h；根據(jù)大同氣象站同期統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)，其多年平均太陽總輻照量為5433 MJ/m2，日照小時(shí)數(shù)為2636 h；張北無太陽輻照量觀測(cè)值，其日照小時(shí)數(shù)為2843 h。

以北京氣象站及大同氣象站作為參考?xì)庀笳荆凑铡短柲苜Y源評(píng)估方法》推算出的張北地區(qū)年太陽輻照量分別為5186 MJ/m2與5486.1 MJ/m2，但與尚義縣(與張北縣相鄰)門戶網(wǎng)站所述的太陽能輻射資料數(shù)據(jù)相差較大。最終采用NASA修正值，5796 MJ/m2作為最終值。

由此可見，《太陽能資源評(píng)估方法》利用單個(gè)參考觀測(cè)站推算無輻射觀測(cè)值地區(qū)值不一定都準(zhǔn)確；原方法雖最終采用NASA修正值，但其忽略了云層多云、霧霾等天氣狀況的影響，其準(zhǔn)確性與當(dāng)?shù)氐那缋识扔嘘P(guān)。此外，該方法的使用也難以找到太陽能資源評(píng)估規(guī)范方面的依據(jù)。

利用《太陽能資源評(píng)估方法》推算張北地區(qū)太陽輻照量差距較大的原因?yàn)椋?/p>

1)距離場(chǎng)址較遠(yuǎn)，均在170 km以上；

2)海拔差異，北京和大同氣象站的海拔明顯低于場(chǎng)址海拔；

3)氣象站所在地區(qū)的氣候與壩上地區(qū)的氣候存在明顯差異。

為解決上述問題，本文提出了雙參考?xì)庀笳镜挠?jì)算方法，并論證其可靠性和適用性。

1.2 雙參考?xì)庀笳据椪樟坑?jì)算法

1.2.1 參考?xì)庀笳镜倪x擇

張北縣 (北緯 40°57′～41°34′，東經(jīng)114°10′～115°27′)位于張家口市西北部古長(zhǎng)城外側(cè)，屬于內(nèi)蒙古高原南緣的壩上地區(qū)。四周與張家口市區(qū)、萬全、尚義、康保、沽源、崇禮縣為鄰，又與內(nèi)蒙古商都縣接壤。全縣總面積4185 km2，耕地面積1110 km2。張北縣屬大陸性季風(fēng)氣候，縣內(nèi)平均海拔1400～1600 m，年均氣溫2.60 ℃，降水量近400 mm，年蒸發(fā)量1995 mm，屬缺水地區(qū)。張北縣年平均日照時(shí)數(shù)2750～2850 h，年平均總輻照量5525～6115 MJ/m2，為全省之冠，在全國也屬偏高地區(qū)，豐富的太陽能資源為光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)發(fā)展提供了良好的條件。

圖1 參考?xì)庀笳炯罢局返貐^(qū)地理位置圖

由圖1可知，離張北地區(qū)最近的氣象站為北京及大同氣象站，但利用這兩個(gè)氣象站無法正確推導(dǎo)出張北地區(qū)的太陽輻照量值。這主要是由于張北靠近內(nèi)蒙古屬于壩上地區(qū)，地理及環(huán)境條件相差太遠(yuǎn)。為解決該差異，本報(bào)告加選同為壩上地區(qū)的二連浩特氣象站，與北京氣象站一起，分析推導(dǎo)張北地區(qū)太陽輻照量值。

二連浩特太陽輻照量多年平均值為6204.5 MJ/m2，日照小時(shí)數(shù)為3110 h。

1.2.2 太陽輻照量的計(jì)算

雙參考?xì)庀笳据椪樟啃拚ㄊ窃凇短柲苜Y源評(píng)估方法》基礎(chǔ)上結(jié)合工程實(shí)踐發(fā)展的一種方法。本文選擇二連浩特及北京氣象站作為參考?xì)庀笳?，分別采用《太陽能資源評(píng)估方法》關(guān)于無輻射觀測(cè)站地區(qū)太陽能輻射量計(jì)算方法推測(cè)2個(gè)輻射值，計(jì)算方法如下：

式中，QM為場(chǎng)址區(qū)域逐月太陽輻射總量，MJ/(m2·d)；Q0為場(chǎng)址區(qū)域月天文總輻射量，MJ/(m2·d)；S為月日照百分率，%；H為場(chǎng)址區(qū)域日照時(shí)數(shù)；TM為可照時(shí)數(shù)；j為當(dāng)?shù)鼐S度；d為太陽赤緯；a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)參考?xì)庀笳居^測(cè)資料，利用最小二乘法計(jì)算求出。

根據(jù)兩個(gè)輻射值與實(shí)際值的相關(guān)性進(jìn)行加權(quán)修正。由上文分析可知，距離遠(yuǎn)近并不能準(zhǔn)確反映與站址地區(qū)日照條件相關(guān)性的權(quán)重，而日照時(shí)數(shù)這項(xiàng)指標(biāo)能較為直接的反映一個(gè)地區(qū)的日照條件，也是《太陽能資源評(píng)估方法》中推算太陽輻照量的重要計(jì)算參數(shù)，故采用各地日照時(shí)數(shù)相關(guān)性作為修正系數(shù)比選擇距離遠(yuǎn)近作為權(quán)重更合理。加權(quán)修正具體計(jì)算如下：

首先將兩個(gè)參考?xì)庀笳镜母髟氯照招r(shí)數(shù)和場(chǎng)址區(qū)域日照小時(shí)數(shù)分別作線性相關(guān)，得到表示相關(guān)性程度的R2。修正后的場(chǎng)址太陽輻照量為：

式中，Q1為采用參考?xì)庀笳?計(jì)算的場(chǎng)址區(qū)域太陽輻照量，MJ/m2；Q2為采用參考?xì)庀笳?計(jì)算的場(chǎng)址區(qū)域太陽輻照量，MJ/m2；R12為參考?xì)庀笳?與場(chǎng)址區(qū)域各月日照小時(shí)數(shù)線性相關(guān)方差；R22為參考?xì)庀笳?與場(chǎng)址區(qū)域各月日照小時(shí)數(shù)線性相關(guān)方差。

張北地區(qū)、二連浩特、北京各月均日照時(shí)數(shù)如表1所示。

表1 張北地區(qū)、二連浩特及北京的月均日照時(shí)數(shù)/h

圖2 張北與二連浩特日照時(shí)數(shù)相關(guān)性

圖3 張北與北京日照時(shí)數(shù)相關(guān)性

將場(chǎng)址張北與二連浩特、北京兩個(gè)氣象站的日照時(shí)數(shù)分別進(jìn)行相關(guān)性分析，得到R2分別為0.884和0.508。根據(jù)式(1)～(3)，推導(dǎo)得Q1=6132 MJ/m2、Q2=5186 MJ/m2，按照式(4)得出張北地區(qū)年均太陽輻照量為5787 MJ/m2。與以往可行性研究報(bào)告中對(duì)張北地區(qū)太陽輻照量估算基本一致。

1.2.3 方法適用性驗(yàn)證

本文選擇西寧地區(qū)作為需計(jì)算太陽輻照量的地區(qū)，蘭州、剛察作為參考?xì)庀笳荆凑丈鲜龅碾p參考?xì)庀笳据椪樟啃拚ㄍ扑阄鲗幍貐^(qū)的太陽輻照量，并用西寧氣象站觀測(cè)數(shù)據(jù)做驗(yàn)證。三者的相對(duì)位置關(guān)系如圖4所示。

圖4 參考?xì)庀笳炯拔鲗幍貐^(qū)地理位置圖

剛察距西寧直線距離160 km，蘭州距西寧直線距離240 km，假設(shè)西寧地區(qū)無太陽輻照量觀測(cè)值。

剛察地區(qū)近30年太陽輻照量為6461 MJ/m2，日照小時(shí)數(shù)2949.5 h；蘭州地區(qū)近30年太陽輻照量為5346.6 MJ/m2；西寧地區(qū)日照小時(shí)數(shù)為2513.22 h。

剛察、西寧及蘭州三地的月均日照時(shí)數(shù)見表2。剛察與西寧、蘭州與西寧的日照時(shí)數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果如圖5和圖6所示。

按照式(4)，得西寧地區(qū)年均太陽輻照量為5551.3 MJ/m2，而西寧氣象站近30年太陽輻照量為5557 MJ/m2，誤差為0.1%。

經(jīng)驗(yàn)證，雙參考?xì)庀笳据椪樟啃拚ㄊ腔凇短柲苜Y源評(píng)估方法》推算法的一種方法，而將僅次于太陽輻照量的日照條件參數(shù)——“日照小時(shí)數(shù)”作為權(quán)重系數(shù)，較為合理，計(jì)算結(jié)果較為可靠。

表2 剛察、西寧及蘭州的月均日照時(shí)數(shù)/h

圖5 剛察與西寧日照時(shí)數(shù)相關(guān)性

圖6 蘭州與西寧日照時(shí)數(shù)相關(guān)性

2 類似地區(qū)工程實(shí)例

菏澤位于山東省西南部，與蘇、豫、皖三省接壤，地處北緯 34°39′～35°52′、東經(jīng) 114°45′～116°25′之間。而工程站址位于菏澤，如圖7所示，距離濟(jì)南氣象站215 km，距離鄭州氣象站170 km。

圖7 太陽能光伏電站、參考?xì)庀笳疚恢脠D

濟(jì)南的太陽能資源略好于鄭州，若單以濟(jì)南氣象站作為參考?xì)庀笳?，按照《太陽能資源評(píng)估方法》推算法得出的數(shù)據(jù)可能較實(shí)際偏高；反之，用鄭州氣象站可能偏低。而兩個(gè)參考?xì)庀笳揪嚯x光伏站址均較遠(yuǎn)，在150 km以上，故本工程采用雙參考?xì)庀笳据椪樟啃拚ā?/p>

濟(jì)南氣象站近15年太陽輻照量為4763 MJ/m2，日照小時(shí)數(shù)1738.1 h；鄭州氣象站近15年太陽輻照量為4651 MJ/m2；鄭州、濟(jì)南及定陶(菏澤)的月均日照小時(shí)數(shù)見表3。根據(jù)式(1)～(3)，推導(dǎo)得Q′1=4785 MJ/m2、Q′2=4607 MJ/m2，兩者相差3.7%。

鄭州、濟(jì)南分別與定陶日照時(shí)數(shù)相關(guān)性分析結(jié)果見圖8和圖9。由圖8、圖9可知，R1=0.925，R2=0.852，推得菏澤地區(qū)太陽輻照量為4719.9 MJ/m2。

表3 鄭州、濟(jì)南及定陶(菏澤)的月均日照時(shí)數(shù)/h

圖8 鄭州與定陶日照時(shí)數(shù)相關(guān)性

圖9 濟(jì)南與定陶日照時(shí)數(shù)相關(guān)性

3 結(jié)論

通過上述分析，可得出以下結(jié)論：

1)在最近的參考?xì)庀笳疚恢门c評(píng)估地區(qū)距離仍較遠(yuǎn)，且海拔、氣候差異大的情況下，通過《太陽能資源評(píng)估方法》，以單個(gè)氣象站為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，推得的評(píng)估區(qū)域的太陽輻照量不準(zhǔn)確。

2)以《太陽能資源評(píng)估方法》為基礎(chǔ)，采用雙參考?xì)庀笳据椪樟啃拚ㄉ踔炼鄥⒖細(xì)庀笳据椪樟啃拚?，并以日照小時(shí)數(shù)作為權(quán)重系數(shù)的計(jì)算方法可行，且經(jīng)驗(yàn)證，較為可靠。

3)本方法適用于：最近的參考?xì)庀笳揪嚯x無輻照量數(shù)據(jù)的光伏站址評(píng)估地區(qū)150 km或以上，海拔差異較大；站址位于兩個(gè)參考?xì)庀笳具B線附近；若站址位于多個(gè)等距離參考?xì)庀笳局行奈恢?，可以按上述類似方法衍生為網(wǎng)格式計(jì)算法。