格爾木光伏電站周邊區域太陽輻射特征分析

郭曉寧，保廣裕，鄭玲，李海鳳，馬生玉，石秀云

（1.青海省格爾木市氣象局，青海格爾木 816000；2.青海省氣象服務中心，青海西寧 810001）

格爾木光伏電站周邊區域太陽輻射特征分析

郭曉寧1，保廣裕2，鄭玲1，李海鳳1，馬生玉1，石秀云1

（1.青海省格爾木市氣象局，青海格爾木 816000；2.青海省氣象服務中心，青海西寧 810001）

利用青海格爾木光伏電站地區周邊7個氣象站1961—2010年常規和輻射氣象資料，通過統計分析和方法，對格爾木光伏電站周邊區域的年、月、日、候太陽輻射特征進行了時空分布分析，結果表明：格爾木及其周邊區域太陽輻射資源較豐富，月總輻射為雙峰型，從3月開始急劇增加，5月達峰值，6月略有下降后，7月又回升達次高值，9月迅速下降，冬季12、1月達最小值。近5年月輻射由雙峰型變為單峰型。格爾木日照時數最長的是5月、6月和7月，候最大輻射量出現在第30候（5月26—31日），最小為第12候（2月26—28/29日）。從整體來看，格爾木候輻射為先上升，后下降的趨勢（6～30候為上升，31～68候為下降）。

太陽輻射；光伏電站；格爾木

格爾木位于青海省西部，柴達木盆地南緣，空氣稀薄，干燥少雨，日照時間長，太陽輻射資源十分豐富，在全國屬高值區[1]。格爾木光伏電站于2011年建成太陽能并網發電，裝機規模573mW，2012年新開工建設太陽能并網光伏發電裝機規模530mW。規劃建設東出口、南出口、格爾木河西岸、小灶火和烏圖美仁5個光伏發電園區，總規劃用地面積721 km2、總規劃裝機容量7 210mW。光伏電站的發電量受太陽輻射強度變化而起伏不定，它受云量、大氣透明度等氣象因素的影響變化幅度明顯[2]，當光伏電站發電量在整個電網流動中占有一定的比重后如何最大限度發揮光伏電站的效益，并且保證供電網安全、平衡成為電力調度部門高度關注的問題。光伏電與水電、火電相比它的可控性差，為了保持供電網的安全與平衡，作為電力部門、光伏企業必須掌握光伏電站地區的太陽輻射強度逐日逐時變化狀況，針對光伏發電量多與少，調劑水電、火電發電量來保證電量供給和傳輸電網安全。光伏電站發電量的多少直接與本地太陽輻射強度、時間密切相關。國內學者做了很多關于太陽輻射特征、太陽輻射預報等方面的研究[3-19]，但格爾木光伏電站地區輻射強度方面的研究較少，研究光伏電站地區的太陽輻射強度變化，分析和掌握變化規律及影響的因素，了解光伏電站地區輻射強度特征，有助于光伏企業和相關決策部門掌握該地區太陽輻射規律，實現對太陽能資源充分利用，對滿足格爾木電力服務需求，提高專業氣象服務水平，進一步拓展專業氣象服務領域，提高專業氣象服務經濟效益，加強氣象與電力部門的合作起到積極的推動作用。

1 資料和方法

1.1 所用資料

青海現有太陽輻射觀測項目的站是西寧、格爾木、剛察、瑪沁、玉樹。其中格爾木屬一級站，觀測項目有太陽總輻射、凈輻射、直接輻射、反射輻射、散射輻射；西寧屬二級站，觀測項目有太陽總輻射、凈輻射；剛察、瑪沁、玉樹屬三級站，觀測項目有太陽總輻射。本研究選取格爾木、西寧、剛察的多年輻射資料以及1961年1月—2010年12月格爾木及其周邊的小灶火、諾木洪和都蘭等4個氣象站的日照、地面溫度等氣象資料。

1.2 資料處理和方法

為了研究方便選取西寧、剛察的輻射進行對比分析。應用剛察的日照時數、地面最高溫度建立剛察月總輻射量計算方程，用該方程計算了2005年1月—2009年12月諾木洪、都蘭、小灶火地區1—12月日太陽總輻射量進行對比分析。

1.3 太陽輻射推算模型的建立

應用剛察的日照時數、地面最高溫度建立剛察月總輻射量計算方程（表1），并將格爾木、剛察2005年1月—2009年12月逐日日照時數、地面最高溫度代入計算得到的日輻射量與實際觀測值對比，計算得到的日輻射量與實況誤差很小，通過驗證，該方法可靠，用該方法計算2005年1月—2009年12月諾木洪、都蘭、小灶火地區1—12月日太陽總輻射量進行分析。并對格爾木、諾木洪、都蘭、小灶火1—12月對應不同天空狀況行詳細分類統計分析。表1中S為日照時數，Dm為地面最高溫度。

表1 計算太陽日輻射量的公式[19]

2 輻射強度分布特征

2.1 年太陽總幅射量的空間分布

根據表1中的方程可推算出無輻射觀測臺站的各月總輻射量，最后統計出格爾木光伏電站地區所在整個柴達木盆地各地年平均總輻射量。圖1是由此方法推算的整個盆地1971—2010年40a年平均太陽總輻射量的空間分布圖。

圖1 柴達木盆地年太陽總輻射量的空間分布

由圖可以看出，柴達木盆地太陽總輻射年總量在6 600～7 200mJ/m2之間，明顯高于我國東部同緯度地區，按照總輻射量的全國太陽能資源分區標準為太陽能資源豐富區。空間分布由西向東逐漸遞減，高值區在茫崖、冷湖等地，低值區在盆地東北部的天峻。柴達木盆地普遍超過6 800mJ/m2，其冷湖最高達7 117.2mJ/m2。柴達木盆地晴天日數多，利用佳期長（一年中日平均氣溫穩定通過0 C°的天數），按照每日日照百分率大于60%為晴天標準，平均年晴天日數在280 d以上，冷湖高達311 d；最長連續陰天只有3～5 d。年日照時數在3 000～3 392.4 h，其中冷湖多達3 392.4 h，4—8月日平均日照時數可達9.1～10.8 h，每日平均日照時數為8.7 h。柴達木盆地是青海省年日照百分率最大的地區，除德令哈、烏蘭日照百分率小于70%外，其余地區均在70%以上，冷湖最高達78%。格爾木及其周邊的小灶火、諾木洪等地太陽輻射量也在6 900～7 000mJ/m2之間，太陽輻射資源較豐富。

2.2 月太陽總幅射量的季節變化

圖2為格爾木、西寧和剛察3站各月太陽總幅射量的變化曲線圖。太陽月總輻射除西寧為單峰型、6月最豐富外，格爾木和剛察地區均為雙峰型。月總輻射從3月開始急劇增加，5月達峰值，6月略有下降后，7月又回升達次高值，9月迅速下降，冬季12、1月達最小值。格爾木5—7月、剛察5月實測總輻射均在700mJ/m2以上，格爾木5月為793.9mJ/m2，是月總輻射最多的地區，是12、1月的2倍多。

從季節變化來看，春季比秋季多，主要由于春季3月以后太陽直射北半球，白晝時間長，秋季9月后直射南半球，晝短夜長，加之秋雨較多所致。月總輻射主要集中在4—8月，占年總輻射的60%以上。總之，太陽能總輻射資源年變化西寧為單峰型，格爾木、剛察均為雙峰型，4—8月最豐富，尤其是5月，總輻射為全年最高；冬季由于太陽直射南半球，夜長晝短，總輻射全年最低。

圖2 格爾木太陽總輻射的季節變化圖

近5a（2005年1月—2009年12月）格爾木為單峰型、5月最豐富，4月和6月次之。月總輻射從3月開始急劇增加，5月達峰值，7月開始下降，9月迅速下降，冬季12、1月達最小值。5—7月太陽總輻射諾木洪和都蘭接近，分別為76.4mJ/m2和76.2mJ/m2，近5a月總輻射主要集中在4—8月，而格爾木近5a的變化與39a月總輻射的變化最為明顯，由雙峰型變為單峰型。另外，格爾木6月輻射量減少，也可能和本世紀柴達木盆地氣候暖濕化特征變化更加明顯[20]，格爾木光伏電站地區日總云量增加，晴空集中于每年4—8月，繼而影響輻射變化有關。

2.3 太陽總幅射量的月變化特征

根據格爾木2005年1月—2009年12月的逐日逐時輻射資料分析，日照時數最長的是5月、6月和7月，日輻射時間分別達到15 h，但07時和21時的輻射量非常小；日輻射持續最短的是1月和12月，分別為11 h和10 h。各月日照時數如下：1月輻射出現10—20時；2月輻射出現09—20時；3月輻射出現09—21時；4月輻射出現08—21時；5月輻射出現07—21時；6月輻射出現07—21時；7月輻射出現07—21時；8月輻射出現08—21時；9月輻射出現08—21時；10月輻射出現09—20時；11月輻射出現09—19時；12月輻射出現10—19時。

圖3 格爾木1月和7月太陽總輻射的日變化圖

圖4 諾木洪1月和7月太陽總輻射的日變化圖

圖5 小灶火1月和7月太陽總輻射的日變化圖

另外，取20個晴天、多云和陰天個例對格爾木、諾木洪、小灶火地區1月和7月輻射資料進行平均后分析（圖3～圖5），其余月份晴天、多云和陰天情況下變化趨勢非常相似，這里以1、7月為例進行說明。由圖看出，在晴天條件下，7月自太陽升起輻射逐步增加，逐時增量隨太陽高度角的增加而減小，至15時輻射量達到全天最大值。此后，輻射逐漸減少，減少量隨太陽高度角的變小而增加。1月份輻射的日變化形式與7月相同，只是日出時間比7月延遲，而日落提前到來，因此輻射時數相應比7月縮短5 h。此外逐時輻射比7月均小，但最大值仍出現在15時。由圖還可以看出，在多云和陰天條件下，無論是7月還是1月，其日變化與晴天很相似，全天最大值仍出現在15時。此外，由于云層對總輻射的影響，陰天1、7月各時的輻射均少于晴天輻射。

由表2格爾木各月各時次輻射變化可以看出：逐小時平均輻射≥2.0mJ/m2且逐小時最大輻射≥3.0mJ/m2的時間3月出現在13—16時；4月出現在12—17時；5月出現在11—17時；6月、7月和8月均出現在12—17時；9月出現在13—16時；10月出現在13—15時；逐小時平均輻射極值為3.24mJ/m2，出現在5月14時，最大輻射極值為4.05mJ/m2，分別出現在5月14時和6月15時，1月、2月11月和12月均未出現過逐小時平均輻射≥2.0mJ/m2且逐小時最大輻射≥3.0mJ/m2的情況，說明格爾木一年中日輻射主要集中在3—10月的11—17時。

2.4 候分布特征

為進一步了解輻射分布特征，對格爾木1990—2009年候太陽輻射資料做進一步分析。首先分季節對格爾木各候輻射的變化規律進行分析。由圖6可以看出，格爾木候最大輻射量出現在第30候（5月26—31日），其次為第42候（7月26—31日）和第48候（8月26—31日）；最小為第12候（2月26—28/29日）。但第12候（2月第6候）、第18候（3月第6候）、第30候（3月第6候）、第42候（7月第6候）、第48候（8月第6候）、第60候（10月第6候）都是由于大小月之分導致候內天數不同而產生的奇異點，除去這些奇異點，變化曲線呈“弓”形分布，中間高，兩頭低。從整體的變化曲線圖看，格爾木候輻射為先上升，后下降的趨勢（6—30候為上升，31—68候下降）。

格爾木近20a中72候的太陽輻射平均值為96.363mJ/m2，圖7是根據各候與其平均值間的變化量做出的距平百分率，距平最大的為第30候（5月第6候）其次為第42候（7月第6候），距平最小的是第57候（10月第3候），其次是第17、53、54、55候，均接近平均狀態。從第17候開始至第53候輻射量距平都為正，即說明從3月的第5候開始至9月的第5候候太陽輻射量超過平均（＞96.363mJ/m2）狀態，一年當中輻射量較集中的時段也就出現在3月底至9月低，而在其余的月份中，其輻射量均低于平均狀態，最低的出現在第69候（12月第3侯），其次是1月的第1侯。

表2 格爾木各月各時次輻射值變化表（單位:MJ/m2）

圖6 格爾木太陽總輻射候變化分布圖

圖7 格爾木候太陽輻射距平百分率

圖8為格爾木20a 72候中逐候間的變化幅度圖，可以看出，在71個逐候變化值中，只有15個候變化幅度超過10mJ/m2的，僅占21.13%，但候變化幅度在±5mJ/m2之間的有39候，占54.93%。說明逐候間的變化幅度大部在±5mJ/m2之間，其中21—27候（即4月11日—5月15日）和63—71候（即11月11日—12月25日）之間的變化幅度較小。變化幅度最大的是12候與13候之間，相差32.58mJ/m2，變化幅度最小的是第8候與第9候之間，變化量僅為0.13mJ/m2，此外變化幅度小于0.2的還有22與23候（即4月21—30日）、50與51候（即9月6—15日）。

3 結論

（1）柴達木盆地是我國太陽能資源豐富區，太陽總輻射年總量普遍超過6 800mJ/m2，冷湖地區最高達7 117.2mJ/m2。柴達木盆地晴天日數多，利用佳期長。格爾木及其周邊的小灶火、諾木洪等地太陽輻射量也在6 900～7 000mJ/m2之間，太陽輻射資源較豐富。

（2）格爾木總輻射季節變化呈雙峰型，從3月開始急劇增加，5月達峰值，6月略有下降后，7月又回升達次高值，9月迅速下降，冬季12、1月達最小值。格爾木5—7月月總輻射均在700mJ/m2以上，5月為793.9mJ/m2，是月總輻射最多的地區。冬季由于太陽直射南半球，夜長晝短，總輻射全年最低。

（3）格爾木日照時數最長的是5月、6月和7月，日輻射時間分別達到15 h，但早晨7時和21時的輻射量非常小；日輻射持續最短的是1月和12月，日輻射時間分別為11 h和10 h。

（4）格爾木候最大輻射量出現在第30候（5月26—31日），最小為第12候（2月26—28/29日）。從整體來看，格爾木候輻射為先上升，后下降的趨勢（6—30候為上升，31—68候下降）

（5）基于本研究結果的光伏電站氣象服務系統已在格爾木某光伏電站進行了試運行，運行效果良好。本研究中關于格爾木光伏電站地區輻射特征的結論，對格爾木在建和已建的光伏電站均具有參考意義。

（6）格爾木光伏電站周邊區域近5a月總輻射的年變化由雙峰型變為單峰型，這可能和本世紀柴達木盆地氣候暖濕化特征變化更加明顯,總云量增加，晴空集中于每年4—8月，繼而影響輻射變化有關。年分布特征變化對太陽能利用無明顯影響。

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Analysis on the Characteristics of Solar Radiation of the Photovoltaic Power Stationarea in Golmud

GUO Xiaoning1，BAO Guangyu2，ZHENG Ling1，LI Haifeng1，MA Shengyu1，SHI Xiuyun1
（1.Meteorological Obervatory of Golmud，Golmud 816000，China；2.Themeteorological Service Center of Qinghai Province，Xining 810001，China）

Using the principle statisticalanalysis based on themeteorological data in 1961-2010 in the photovoltaic power stationarea in Golmud,in the paper the year,month,day,pentad solar radiation characteristicsare studied.The results showedas follows.The solar radiation resourcesareabundant over the Golmudarea.In Golmud themonthly total radiation has bimodal patternand increased rapidly from the beginning ofmarch peaking inmay,then declined slightly in June,rose to high value in Julyand decreased rapidly in September until reached the lowest in Decemberand January.But in the recent 5 years it becomesa single peak pattern.In Golmud,the daily solar radiation duration is the longest inmay,Juneand July.Themaximumamount of pentad solar radiationappears in the thirtieth pentad（May 26th-31st）and theminimumappears in the twelfth（February 26th-28/29th）.On the whole,the pentad solar radiation increased firstly during the 6th -30th pentadand then decreased during the 31st-68th pentad in Golmud.

solar radiation；photovoltaic power station；Golmud

P422.1

B

1002-0799（2014）06-0047-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.06.008

2014-02-23；

2014-06-05

青海省氣象局科研項目（201237）資助。

郭曉寧（1982-），男，工程師，現從事天氣氣候及氣象科技服務工作。E-mail：xnkwok@163.com

郭曉寧，保廣裕，鄭玲，等.格爾木光伏電站周邊區域太陽輻射特征分析[J].沙漠與綠洲氣象，2014，8（6）：47-52.