不同季節(jié)光伏發(fā)電量與氣象影響因子的診斷分析

閆全全, 李　芬, 王麗娟, 石　晶, 錢加林, 趙晉斌

(1.上海電力公司 檢修公司, 上?！?00063; 2.上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上海　200090;3.湖北省氣象局 氣象服務(wù)中心, 湖北 武漢　430074; 4.華中科技大學(xué) 強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室, 湖北 武漢　430074)

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不同季節(jié)光伏發(fā)電量與氣象影響因子的診斷分析

閆全全1, 李芬2, 王麗娟3, 石晶4, 錢加林2, 趙晉斌2

(1.上海電力公司 檢修公司, 上海200063; 2.上海電力學(xué)院 電氣工程學(xué)院, 上海200090;3.湖北省氣象局 氣象服務(wù)中心, 湖北 武漢430074; 4.華中科技大學(xué) 強電磁工程與新技術(shù)國家重點實驗室, 湖北 武漢430074)

利用多時間尺度下并網(wǎng)光伏電站電量資料以及同期的氣象資料,研究了不同季節(jié)下典型氣象因子對光伏發(fā)電量的影響機制和多變量間的耦合關(guān)系.結(jié)果表明:采用日尺度,全年日光伏發(fā)電量與日太陽總輻射的相關(guān)性最顯著,其余依次是日照時數(shù)、氣溫日較差、日相對濕度(負相關(guān))、日最高氣溫、日平均氣溫;不同季節(jié)中,夏季要考慮高溫高濕的影響,春、秋、冬3季則要考慮氣溫日較差的影響;采用小時尺度,全年平均逐時光伏發(fā)電量與太陽總輻射的日變化趨勢基本一致.

光伏發(fā)電量; 太陽總輻射; 日照時數(shù); 氣溫日較差; 時間尺度

2013年,中國政府發(fā)布了《國務(wù)院關(guān)于促進光伏產(chǎn)業(yè)健康發(fā)展的若干意見》,提出了明顯高于2012年國家能源局的發(fā)展目標(biāo),即到2015年,我國光伏的總裝機容量將超過3.5×107kW.加快光伏開發(fā)利用成為推動我國實現(xiàn)能源結(jié)構(gòu)調(diào)整、環(huán)境保護和經(jīng)濟社會可持續(xù)發(fā)展的重要舉措.[1]然而光伏發(fā)電輸出對天氣氣候變化非常敏感,隨著入網(wǎng)規(guī)模的迅速擴大,其輸出功率的間歇性和不可控性對電力系統(tǒng)的安全、可靠、經(jīng)濟運行帶來了巨大壓力.[2]

光伏發(fā)電是一個多變量耦合的非線性隨機過程,最主要的影響因子是太陽輻射,其次夏季高溫、冬季積雪、積灰等氣象環(huán)境因子的影響也不能忽略,[3]而太陽輻射除了與易于確定的天文因子(周期性變化)、地理因子有關(guān)外,還與云量、氣溶膠、日照時數(shù)、氣溫、濕度、水汽等眾多不確定的氣象因子有關(guān).[4-6]

近年來,國內(nèi)研究人員開始對影響光伏發(fā)電的氣象環(huán)境因子進行探索和研究,如陳昌松等人[7]基于時間序列法,定性分析了武漢地區(qū)日天氣類型、太陽總輻射、氣溫對光伏發(fā)電量的影響.

代倩等人[8]采用距離分析法,基于小時尺度,研究了武漢地區(qū)逐時光伏發(fā)電量與時太陽總輻射、氣溫、相對濕度、氣壓、風(fēng)速的相關(guān)性.

劉玉蘭等人[9]采用相關(guān)分析法,研究了寧夏地區(qū)光伏發(fā)電輸出功率與太陽輻射、日照時數(shù)、云量、相對濕度、氣溫的相互關(guān)系.

姜創(chuàng)業(yè)等人[10]利用國外光伏電站資料,分析了保加利亞日光伏發(fā)電量與日太陽總輻射、日平均氣溫、日最高氣溫、日最低氣溫、日平均風(fēng)速的相關(guān)關(guān)系.上述研究得出了一些有益的結(jié)論,但并未充分考慮時間尺度不同而數(shù)據(jù)平均后的相互抵消作用,導(dǎo)致氣象因子選擇零散,得出的結(jié)論過于寬泛或因子顯著性不明顯.此外,對于光伏發(fā)電量與氣溫日較差的關(guān)系尚未引起足夠的注意.

本文利用武漢地區(qū)一年不同時間尺度的并網(wǎng)光伏電站電量資料及武漢站同期氣象資料,根據(jù)天文因素,采用我國氣象學(xué)上的季節(jié)劃分,利用不同時間分辨率數(shù)據(jù),分四季來研究影響光伏發(fā)電的關(guān)鍵氣象因子及其相互關(guān)系,并結(jié)合物理原理和統(tǒng)計方法,揭示氣象因子對光伏發(fā)電量的影響機理和耦合關(guān)系,為進一步建立精確的光伏發(fā)電功率或發(fā)電量預(yù)測模型、光伏電站優(yōu)化設(shè)計等提供理論依據(jù)和指導(dǎo).

1　資料來源與分析方法

1.1資料來源

光伏發(fā)電量資料來自華中科技大學(xué)電力電子研究中心屋頂并網(wǎng)光伏電站(E114.41°,N30.51°),其光伏陣列安裝傾角40°,朝向南偏東9°.數(shù)據(jù)為2010年3月1日～2011年2月28日全年逐5 min的光伏發(fā)電量(E/kWh),其中,2010年6月16～19日、10月25～31日、2011年1月19～24日、2月27～28日、9月23～24日資料缺失.同期輻射資料取自位于武漢市東西湖慈惠農(nóng)場的國家一級輻射觀測站武漢站(E114.03°,N30.36°)逐時和逐日的水平面太陽總輻射(H/kWh·m-2)、日照時數(shù)(S/h)等觀測數(shù)據(jù).同期常規(guī)氣象要素資料也來自國家基準(zhǔn)觀測站武漢站,主要包括逐時和逐日的平均氣溫(t/℃)、最高氣溫(tmax/℃)、最低氣溫(tmin/℃)、相對濕度(R/%)、日平均氣壓(P/hPa),以及由此計算出的氣溫日較差(td/℃).

1.2分析方法

由于影響光伏發(fā)電量的氣象因子眾多,可采用相關(guān)分析來衡量發(fā)電量與各種氣象因子間兩兩線性相關(guān)的密切程度,以識別影響因子的重要性.最常用的二維變量的Pearson相關(guān)系數(shù)CORR定義如下:

(1)

式中:N——樣本序列長度;

i——第i個樣本;

(xi,yi)——二維變量(X,Y)的第i個樣本觀測值;

2　影響光伏發(fā)電量的氣象因子分析

采用SPSS統(tǒng)計軟件,對全年(2010年3月～2011年2月)武漢光伏電站逐日發(fā)電量資料與同期逐日氣象資料進行相關(guān)性分析,結(jié)果見表1.

由表1可知,全年日光伏發(fā)電量與日水平面總輻射為顯著正相關(guān),Pearson相關(guān)系數(shù)為0.893;與日照時數(shù)的正相關(guān)系數(shù)為0.892;與氣溫日較差的正相關(guān)系數(shù)為0.650;與日相對濕度成負相關(guān),相關(guān)系數(shù)為-0.404;與日最高氣溫的正相關(guān)系數(shù)為0.375,與日平均氣溫的正相關(guān)系數(shù)為0.227;與日最低氣溫的正相關(guān)系數(shù)為0.170,與日均氣壓負相關(guān)系數(shù)為-0.095且未通過顯著性校驗.

表1　全年(2010年3月～2011年2月)逐日光伏發(fā)電量與氣象因子相關(guān)分析

注:*—在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

由于表1中采用全年數(shù)據(jù),變量相關(guān)分析時可能存在正負相互抵消的現(xiàn)象,比較不出明顯的性質(zhì),因此需要進一步細分,以確定關(guān)鍵的氣象影響因子及影響機理.根據(jù)光伏發(fā)電的物理過程可知,最關(guān)鍵且直接的影響因子是太陽輻射,而太陽輻射受天文因素的影響(地球的公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)周期性變化),具有明顯的季節(jié)、日(內(nèi))變化特征.采用我國氣象學(xué)上四季劃分方法,[11]3～5月為春季,6～8月為夏季,9～11月為秋季,12月～次年2月為冬季進行分析.

2.1四季光伏發(fā)電量與太陽總輻射的關(guān)系

受太陽輻射(天文)周期性變化的影響,光伏發(fā)電量序列也具有明顯的季節(jié)、日(內(nèi))變化特征,如圖1所示.

由圖1可知,光伏發(fā)電量與太陽總輻射的季節(jié)變化、日(內(nèi))變化基本趨勢一致:夏季最大,冬季最小;一日之間呈現(xiàn)單峰變化,早晚低,正午最高.武漢地區(qū)光伏發(fā)電年平均日間時段為7∶00～18∶00,日出后,隨著太陽高度角的增加,光伏發(fā)電量逐漸增加,正午12∶00出現(xiàn)最大值,午后隨太陽高度角的減小,光伏發(fā)電量逐漸降低,至18∶00以后(日落)基本停止發(fā)電.

圖1　武漢光伏發(fā)電量與太陽總輻射的季節(jié)及日(內(nèi))變化(2010年3月～2011年2月)

四季逐日光伏發(fā)電量與太陽總輻射的散點圖見圖2.由圖2可知,日光伏發(fā)電量與日太陽總輻射在各季節(jié)均呈現(xiàn)顯著的正相關(guān),即日太陽總輻射越大,日光伏發(fā)電量越多,其中春季兩者線性相關(guān)最顯著,秋季兩者相關(guān)程度最弱,這可能與秋季9月末連續(xù)的陰雨有關(guān).

圖2　不同季節(jié)逐日光伏發(fā)電量與日太陽總輻射散點示意

2.2四季光伏發(fā)電量與日照時數(shù)的關(guān)系

圖3為四季逐日光伏發(fā)電量與日照時數(shù)的散點圖.

圖3　不同季節(jié)逐日光伏發(fā)電量與日照時數(shù)散點示意

由圖3可知,日光伏發(fā)電量隨日照時數(shù)的變化規(guī)律與圖2類似.由此可見,日照時數(shù)的變化可較好地反應(yīng)出太陽總輻射的變化(表1中可得出兩者呈顯著正相關(guān)),日照時間越長,太陽總輻射越大,光伏發(fā)電量也越大.

圖3中,出現(xiàn)了較多天的日照時數(shù)為零而實際日發(fā)電量不為零的散點,這與日照時數(shù)觀測方法有關(guān)(只有地面觀測太陽直接輻射度等于或超過120 W/m2時才累計時間).低輻射度下,日照時數(shù)為零,但實際上光伏有輸出,對于高分辨率,如小時尺度,逐時光伏發(fā)電量與逐時日照時數(shù)的變化趨勢差異會較明顯,這也可從圖1b中年均逐時日照時數(shù)的日(內(nèi))變化曲線看出,如日出后,日照時數(shù)不斷增加,到上午10∶00趨于穩(wěn)定,10∶00～15∶00期間變化緩慢.

2.3四季光伏發(fā)電量與氣溫日較差的關(guān)系

由表1可知,與日最高氣溫、日平均氣溫相比,氣溫日較差與日光伏發(fā)電量的正相關(guān)程度更高,這是因為氣溫日較差可以間接反應(yīng)出日天氣類型(晴天、陰天).陰天由于云層存在,白天地面得到太陽總輻射少,最高溫度會比晴天低,而夜間由于云層覆蓋地面熱量不易散失,最低氣溫反而比晴天高,導(dǎo)致晴天時氣溫日較差要比陰天大.四季逐日光伏發(fā)電量與氣溫日較差的散點圖見圖4.由圖4可知,氣溫日較差越大(晴朗天),日光伏發(fā)電量越多,其中春季兩者線性相關(guān)最顯著,Pearson相關(guān)系數(shù)為0.853,秋季兩者相關(guān)程度最弱,與日太陽總輻射類似.

2.4四季日光伏發(fā)電量與日均相對濕度的關(guān)系

武漢屬于熱帶季風(fēng)性濕潤氣候,一年內(nèi)日相對濕度集中在60%～95%,冬季相對濕度最低,夏季高溫高濕.不同季節(jié)逐日光伏發(fā)電量與相對濕度的散點圖如圖5所示.

由圖5可以看出，隨著相對濕度的增加,光伏發(fā)電量呈減少趨勢,在夏季,由于高溫,兩者的負相關(guān)及響應(yīng)最為明顯,即相對濕度每增加1%,發(fā)電量減少0.64 kWh;在冬季,則相對濕度負效應(yīng)最不明顯,圖5d中出現(xiàn)相對濕度較低而光伏發(fā)電量很小的散點,這可能與冬季陣列表面的積雪有關(guān).

圖4　不同季節(jié)逐日光伏發(fā)電量與氣溫日較差的散點示意

圖5　不同季節(jié)逐日光伏發(fā)電量與相對濕度的散點示意

2.5日光伏發(fā)電量與氣溫的關(guān)系

相比于其他氣象要素,氣溫對光伏發(fā)電量的影響更為復(fù)雜.一方面,光伏電池性能隨板溫的變化而變化,具有負溫度系數(shù),對于硅光伏電池,維持入射太陽輻射不變,板溫每升高1 ℃,最大輸出功率和光電效率約降低0.3%～0.5%.[12]而光伏電池板溫與氣溫、太陽總輻射、相對濕度、風(fēng)速(散熱)等氣象環(huán)境因子有關(guān),隨著氣溫的升高,電池板溫也會升高(近似線性),導(dǎo)致光伏電池效率下降.另一方面,氣溫與太陽總輻射呈較為明顯的正相關(guān)(見表1),太陽總輻射增加,氣溫升高,相應(yīng)的光伏發(fā)電量也增大,即氣溫會通過太陽總輻射對光伏發(fā)電量造成正影響.由表1可知,武漢全年日平均氣溫與日光伏發(fā)電量正相關(guān),Pearson相關(guān)系數(shù)為0.227,這表明隨著氣溫的升高(總輻射增加),光伏發(fā)電量呈增加趨勢,且在夏季表現(xiàn)最為明顯,冬季表現(xiàn)最不明顯,如圖6所示,這與四季中夏季日平均氣溫與日太陽總輻射線性相關(guān)程度最高以及冬季最低(兩者未通過顯著性校驗)有關(guān).

圖6　不同季節(jié)逐日光伏發(fā)電量與日平均氣溫的散點示意

此外,由表1可知,與日平均氣溫相比,日最高氣溫與日光伏發(fā)電量正相關(guān)程度更高.其原因可能是,武漢地區(qū)年平均光伏發(fā)電出力時段為日間7∶00～18∶00,夜間不發(fā)電,日最高氣溫出現(xiàn)在日間,而日平均氣溫統(tǒng)計是24 h(晝夜),日間氣溫(近地面)受太陽輻射(短波)和地面釋放能量(也是源于吸收了太陽輻射)的影響,而夜間則主要受地面長波輻射能量的影響.相比于日平均氣溫,日最高氣溫與日太陽總輻射的相關(guān)性更好,因此它們與光伏發(fā)電量正相關(guān)程度要高于日平均氣溫.

2.6四季日光伏發(fā)電量與氣象因子的關(guān)系

不同季節(jié),影響光伏發(fā)電量的氣象因子及其貢獻也各不相同,除了太陽總輻射和日照時數(shù)外,夏季要考慮高溫高濕的影響,冬季和春季則要考慮氣溫日較差(天氣類型)的影響,如表2所示.

表2　四季日光伏發(fā)電量E與主要氣象因子間的單相關(guān)系數(shù)(2010年3月至2011年2月)

注:*—在 0.01 水平(雙側(cè))上顯著相關(guān).

由表2可知,春、秋、冬3季,影響光伏發(fā)電量的氣象因子排序與全年(表1)一致,而在夏季,最主要的氣象影響因子依次為日太陽總輻射、日照時數(shù)、日相對濕度、日最高氣溫、氣溫日較差、日平均氣溫;夏季與高溫的配合,相對濕度對日光伏發(fā)電量的負效應(yīng)最為明顯,而在冬季則最不明顯.

3　結(jié)　論

(1) 采用日尺度數(shù)據(jù),與日最高氣溫、日平均氣溫相比,氣溫日較差與日光伏發(fā)電量的正相關(guān)程度更高,因為氣溫日較差可以間接反應(yīng)出日天氣類型(晴天、陰天).

(2) 不同季節(jié)下,影響光伏發(fā)電量的主要氣象因子及其貢獻也各不相同,除了太陽總輻射和日照時數(shù)外,夏季要考慮高溫高濕的影響,春、秋、冬3季則要考慮氣溫日較差的影響;四季中,夏季相對濕度對日光伏發(fā)電量的負效應(yīng)最為明顯,冬季最不明顯.

(3) 氣溫的影響機理較為復(fù)雜,隨著氣溫的升高,光伏電池板溫也會升高,導(dǎo)致光伏電池效率下降,光伏發(fā)電量減小;氣溫與太陽總輻射呈較為明顯的正相關(guān),即氣溫會通過太陽總輻射對光伏發(fā)電量造成正影響,氣溫升高,相應(yīng)的光伏發(fā)電量也會增大.

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(編輯胡小萍)

Diagnostic Analysis of the Impact of Meteorological Factors onPhotovoltaic Power Generation in Different Seasons

YAN Quanquan1, LI Fen2, WANG Lijuan3, SHI Jing4, QIAN Jialin2, ZHAO Jinbin2

(1.Maintenance Company of Shanghai Municipal Electric Power Company, Shanghai200063, China;2.School of Electrical Engineering, Shanghai University of Electric Power, Shanghai200090, China;3.Meteorological Service Center of Hubei Meteorological Bureau, Wuhan430074, China;4.State Key Laboratory of Advanced Electromagnetic Engineering and Technology,Huazhong University of Science and Technology, Wuhan430074, China)

Based on multi-time scale power data from grid-connected photovoltaic power station and meteorological data over the same period,the impact of typical meteorological factors on the photovoltaic power generation under different seasons and their multi-variable coupling relationship are analyzed. Adopting daily-scale,daily photovoltaic power generation during the whole year has the most significant correlation with daily global solar irradiation,followed by sunshine duration,diurnal temperature range,relative humidity (with negative correlation),daily maximum temperature,daily average temperature. In different seasons,the influence of high temperature and high humidity in summer,and diurnal temperature range (indicating weather types) in other seasons are considered. Adopting hour-scale,diurnal change of photovoltaic power generation remains almost the same as the global solar irradiation.

PV power generation; the global solar irradiation; sunshine duration; diurnal temperature range; time scale

10.3969/j.issn.1006-4729.2016.03.012

2015-01-05

簡介：趙晉斌(1972-),男,博士,教授,湖北武漢人.主要研究方向為現(xiàn)代電力電子技術(shù)在電力系統(tǒng)中的應(yīng)用,新能源發(fā)電技術(shù).E-mail:zhaojinbin@shiep.edu.cn.

國家自然科學(xué)基金青年項目(51307105);上海市高校青年教師培養(yǎng)資助計劃(ZZsd113016);上海電力學(xué)院人才基金項目(k2013-010).

TM615.2

A

1006-4729(2016)03-0261-06