貴州省光伏電站集中開發區太陽能資源評估

丁立國，黃晨然

(貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

0 引言

貴州省的能源結構以煤為主，燃煤造成的環境污染日益突出，調整能源結構，增加替代能源，實現能源的可持續發展和解決廣大山區農村的能源問題已迫在眉睫，要求必須加快太陽能等可再生能源的開發利用[1]。貴州省是我國太陽能資源相對匱乏的地區，但是貴州省西部威寧、盤縣等地區太陽能資源相對豐富，具備一定的開發價值，陳娟等[2]利用貴州省所有氣象站到達地面太陽輻射和日照實測資料，對貴州太陽能利用帶進行區域氣候劃分和綜合潛力評價，其中貴州西部地區被劃分為太陽利用資源豐富帶，約占貴州總面積的18%，屬于貴州省太陽能高效利用最佳區域。該區域的地形多以高海拔山地為主，利用當地荒山和太陽能資源，可改善當地電網結構，為貴州電網提供清潔可再生能源，保護當地生態環境；同時有利于人民群眾增收就業，有利于人民群眾生活方式變革，具有明顯的產業帶動和社會效益。

本文利用貴州省光伏電站集中開發區僅有的威寧、水城、興仁和紫云4個輻射站2011年1月—2016年2月的月總輻射和日照時數資料，采用氣候學輻射模型推算方法得到了適合該地區的太陽能總輻射氣候學計算公式，并由此對該地區的太陽能資源進行評估。

1 資料和方法

1.1 資料

本文選取貴州省光伏電站集中開發區的威寧、水城、興仁和紫云4個輻射站2011年1月—2016年2月的月總輻射和日照百分率資料以及該地區18個站點2009—2018年的月日照時數資料。

1.2 方法

1.2.1 研究區域的選取 本文根據貴州近幾年光伏企業在貴州開發光伏電站的選址位置，選擇貴州西部和西南部18個縣作為貴州省光伏電站集中開發區的評估區域，該區域包括了貴州省90%以上的光伏電站開發選址，選址分布情況如圖1所示。

1.2.2 計算方法 根據氣候學輻射模型推算方法，太陽總輻射Q的氣候學計算公式為：

Q=Q0(ag+bg×S)

(1)

式中：Q0為水平面天文輻射，S為日照百分率，ag、bg為經驗系數。本文在推算太陽輻射值時，以月的實測太陽輻射數據與日照百分率來擬合得到ag、bg系數，從而計算得到輻射值。

2 太陽能資源分析

2.1 氣候學模型推算

將威寧、水城、興仁和紫云4個站點2011年1月—2016年2月的月總輻射和日照百分率資料序列合并，剔除缺測和無效數據，樣本長度為219，代入式(1)計算經驗系數ag、bg,得到太陽總輻射Q的氣候學計算公式為：

Q=Q0(0.163 9+0.625 9×S)

(2)

總輻射和日照百分率的相關系數R=0.80，通過了α=0.01的顯著性檢驗，可以認為二者有很好的正相關關系。

利用式(2)計算得到的4個站點的年總輻射結果與年觀測值(無缺測觀測的年平均值)做誤差分析，結果如表1。

表1 4個輻射站年地面太陽總輻射的計算值與實測值對比Tab.1 Comparison of the calculated value and measured value of yearly total solar radiation in 4 radiation stations

從表1可以看出，該模型計算的4個輻射站的太陽總輻射相對誤差均低于6%，這一誤差水平明顯低于我國西南部區域的同類研究。因此，從誤差分析來看，上面得到的氣候學模型完全可以用于推算貴州省光伏電站集中開發區無輻射觀測點的太陽總輻射。

2.2 太陽能總輻射資源分析

本文選取光伏電站集中開發區18個縣市區進行該區域的太陽能總輻射資源分析。將各個站點2009—2018年的年平均日照百分率和年總天文輻射代入式(2)中，計算各個站點近10 a的太陽能年總輻射值。

經過推算，貴州省光伏電站集中開發區總輻射平均值為4 340.3 MJ/m2。年總輻射除六枝外，其他站點均在4 000 MJ/m2以上，其中最大值出現在盤州站。按照《太陽能資源等級 總輻射》(GB/T 31155-2014)資源豐富等級標準，貴州省光伏電站集中開發區全年太陽能資源總量處于資源豐富等級(圖2)。

圖2 貴州省光伏電站集中開發區太陽能總輻射資源分布圖(單位：MJ/m2)Fig.2 Distribution of total solar radiation resources in photovoltaic power station centralized development zone of Guizhou Province(Unit: MJ/m2)

2.3 太陽能資源穩定度分析

總輻射各月平均日輻照量的多年平均值的最小值與最大值的比值表示太陽能資源穩定程度，比值越大，說明太陽能資源全年變化越穩定，就越利于太陽能資源的利用。通過計算，貴州省光伏電站集中開發區太陽能資源穩定度在0.24～0.57之間。按照《太陽能資源等級 總輻射》(GB/T 31155-2014)資源穩定度等級標準，貴州西部邊緣的威寧和盤州處于資源很穩定等級，水城、普安、興仁、興義、安龍處于資源穩定等級，其余地區在一般或欠穩定等級。穩定度等級自西向東逐漸降低(圖3a)。

2.4 日照有效性分析

國內外一般利用各月日照時數>6 h的天數為指標，反映太陽能資源的利用價值；據研究，在貴州日照時數>3 h的天數能夠在一定程度上反映分布式太陽能資源的利用價值，因此我們選取大于6 h和大于3 h的天數進行日照有效性分析。

貴州光伏電站集中開發區18個站點日照>6 h的天數在100～150 d之間，其中威寧、盤州、普安、興義和安龍在130 d以上(圖3b)。大于3 h的天數在145～208 d之間，威寧、盤州、普安、興義、安龍、冊亨和望謨在190 d以上(圖3c)，具備一定的太陽能資源開發利用價值。大于6 h和大于3 h的天數自西向東逐漸減少。

圖3 貴州省光伏電站集中開發區太陽能資源穩定度(a)、日照時數>6 h(b)和>3 h(c)天數分布圖Fig.3 Distribution of solar energy resource stability(a),days of sunshine greater than 6 hours(b),greater than 3 hours(c) in photovoltaic power station centralized development zone of Guizhou Province

3 結論

①經過氣候學推算及誤差檢驗，計算公式可以用于推算貴州省西部地區無輻射觀測臺站的太陽總輻射。

②貴州省光伏電站集中開發區太陽能資源豐富，穩定度大部在一般等級以上，西部邊緣地區可達很穩定等級，日照時數>6 h和3 h的天數較多，適合太陽能資源開發利用。