武漢地區光伏電站理論年發電量的計算研究

卓自想 段士偉 任靜

摘 要：光伏電站年發電量計算在光伏電站建設中占據不可或缺的地位，為了確保理論結果準確，需要對不同計算方法得到的結果進行綜合比較，進而得到理論上誤差較小的計算結果。針對武漢市某開發區某300 kW分布式光伏發電項目，系統性地對光伏電站理論年發電量的計算進行了初步研究，分析了計算理論年發電量所需的傾斜面太陽輻射量等參數，并比較了標準法、面積法、小時法3種理論年發電量計算方法得到的計算結果，保證了理論年發電量的準確性，同時也為科學準確計算光伏電站理論年發電量提供了參考依據。研究結果表明：這3種計算方法在中緯度、高緯度地區光伏電站理論年發電量的計算中都適用。

關鍵詞：光伏電站；理論年發電量；傾斜面；太陽輻射量；武漢地區

中圖分類號：TM615 文獻標志碼：A

0? 引言

未來，中國需要實現2030年碳達峰、2060年碳中和的“雙碳”目標，而如何解決環境污染不是中國獨自面對的難題，是全球面臨的一大難題。自太陽能資源被人類發現并展開利用以來，各種太陽能資源應用項目（例如光伏發電項目、太陽能熱利用項目等）在世界各地陸續展開，其中，光伏發電方式正逐步取代高污染的傳統火力發電方式[1]。光伏電站理論年發電量計算是評估此類電站發電能力的重要方式，為了確保理論計算結果的準確，需要對不同計算方法得到的結果進行綜合比較，進而得到理論上誤差較小的計算方法。本文針對武漢市某開發區某300 kW分布式光伏發電項目，系統性地對光伏電站理論年發電量計算進行了初步研究，分析了計算理論年發電量所需的傾斜面太陽輻射量等參數，并比較了標準法、面積法、小時法3種計算理論年發電量的方法得到的結果，力求保證理論年發電量的準確性。

1? 武漢市的地理位置及太陽能資源分析

武漢市總面積為8569.15 km2，地理位置在29.97°N～31.37°N、113.68°E～115.08°E之間，具體如圖1所示。

武漢市的氣候條件為雨熱同期，夏季高溫多雨，是典型的亞熱帶季風氣候。全年平均氣溫在15.8～17.5 ℃之間，年峰值利用小時數為1810～2100 h，年降水量平均為1300 mm，從上述值來說，該市全年雨量充足，日照時間長。

在太陽能資源方面，依據各地的年太陽總輻射情況與年峰值利用小時數，GB/T 31155—? ?2014《太陽能資源等級 總輻射》將中國主要劃分為4類太陽能資源等級[2]，具體如表1所示。

2012—2017年武漢市的年太陽總輻射量情況如表2所示。

根據表1和表2可以分析得出：武漢市的太陽能資源等級為豐富，可有效利用太陽能資源進行社會生產工作[3]。另外，武漢市太陽輻射利用率高的周期集中在每年的4—9月，這段時間的太陽總輻射量占全年太陽總輻射量的65%，日照時間長且光照強度大。2014—2017年武漢市的多年平均月太陽輻射量情況如圖2所示。

從圖2可以看出：武漢市每年4—9月的月太陽輻射量較高。在這段時間，光伏電站能夠吸收充足的太陽輻射來進行光電轉換，并且可以通過配套儲能設施儲存多余的電能，以便光照不足時使用。

本文以武漢市某開發區某300 kW分布式光伏發電項目為例進行分析，該項目所在地的地理位置為30.50°N、114.33°E，全年日照充足，年太陽總輻射量與武漢市年太陽總輻射量相同，符合太陽能資源等級為豐富的劃分標準。該項目能夠有效利用屋頂空間資源，同時也能夠在節能減排、降低碳排放等方面做出貢獻[4]。

2? 光伏組件選型

目前太陽電池主要有以下3種類型[5]：晶體硅太陽電池（包括單晶硅太陽電池、多晶硅太陽電池）、非晶硅太陽電池、其他尚未產業化應用的太陽電池等。當前中國市場應用最廣泛的是晶體硅太陽電池，因此，本文僅對晶體硅太陽電池作詳細闡述。

1）單晶硅太陽電池。單晶硅太陽電池是最早發展，也是當前產業化應用的太陽電池中光電轉換率最高的一類太陽電池，目前其光電轉換率可以高達25%。單晶硅太陽電池在電學、力學及光學方面的性能都較為均勻。隨著光伏產業不斷發展及生產工藝逐步完善，據市場發展趨勢預測，高效單晶硅太陽電池將逐漸占據市場主導地位。

2）多晶硅太陽電池。在光電轉換率方面，多晶硅太陽電池不及單晶硅太陽電池表現出色，大多介于15%～20%之間；在生產工藝方面，多晶硅太陽電池比單晶硅太陽電池簡單，且制造成本低；但在使用壽命方面，單晶硅太陽電池比多晶硅太陽電池更長。

綜上分析，從性價比及經濟效益等方面綜合比較，本300 kW分布式光伏發電項目將采用峰值功率為450 W的單晶硅光伏組件。

某公司生產的單晶硅光伏組件的相關數據如表3所示，后文中相關計算均以表3中的數據作為計算依據。

3? 光伏陣列布置

光伏陣列應根據使用場地的實際情況來進行布置，原則是使整個光伏組件的排列單元化、規模化，以求達到最大的場地利用率及年發電量。而光伏陣列的布置則是由光伏組件安裝傾角、光伏組件數量，以及前后排光伏陣列之間的間距（下文簡稱為“光伏陣列間距”）等因素決定的。

3.1? 光伏組件安裝傾角

不同地區的光伏組件最佳安裝傾角都存在一定差異，甚至在同一地區的春、夏、秋、冬4個季節中，光伏組件的最佳安裝傾角也有所不同。朱丹丹等[5]認為，光伏組件最佳安裝傾角應略小于當地緯度；江娥[6]認為，在武漢地區，光伏組件最佳安裝傾角在一年中有不同的取值。若要使光伏電站的發電量最大化，需要根據不同的季節特點及時調整光伏組件的安裝傾角。實際光伏發電項目中，更多的項目是在最初安裝光伏組件時就確定了一個固定的光伏組件最佳安裝傾角。

本項目位于武漢市，武漢市光伏電站的光伏組件最佳安裝傾角介于25°～30°[7]之間，所以本項目的光伏組件最佳安裝傾角選擇27°，光伏組件采用橫向放置。

3.2? 光伏組件數量

光伏電站總裝機容量為300 kW，采用峰值功率為450 W的單晶硅光伏組件。因此，該項目需要700塊同一型號的單晶硅光伏組件。

3.3? 光伏陣列間距

根據GB 50797—2012《光伏發電站設計規范》中規定，光伏方陣中各排、列的布置間距應保證每天09：00～15：00（當地真太陽時）時段內光伏組件前、后、左、右互不遮擋。根據上述規定，為保證光伏陣列間距D的設置合理規范，需用式（1）進行計算[8]。

式中：L為光伏陣列面長度，即光伏組件寬度，m，本文取1.048；β為光伏組件安裝傾角，（? ），本文取27；φ為光伏組件安裝地的緯度，（? ），本文取30.50。

將各項數據代入式（1），可計算得到本項目的光伏陣列間距為1.83 m，示意圖如圖3所示。

4? 光伏電站理論年發電量的計算方法

關于光伏電站理論年發電量，有較多計算方法，其中標準法、面積法、小時法是比較常用的3種計算方法。標準法與面積法的計算結果一般與實際工程應用中的實際測量結果相差較小，但

是這兩種計算方法都需要計算出傾斜面接收的年太陽總輻射量；而小時法一般是根據項目所在地的年峰值利用小時數進行理論年發電量的估算。下文對這3種方法進行詳細闡述。

4.1? 標準法

標準法是根據GB 50797—2012中規定的計算光伏電站理論年發電量的公式[9]進行計算，即：

式中：Ep為上網發電量（即光伏電站理論年發電量），kWh；HA為傾斜面接收的太陽輻射量，kWh/m2；PAZ為光伏組件安裝容量，kW；Es為標準測試條件（STC）下的太陽輻照度，為1 kW/m2；K為光伏發電系統的綜合效率系數，本項目取0.8。綜合效率系數包括：光伏組件類型修正系數，光伏方陣的傾角、方位角修正系數，光伏發電系統可利用率，光照利用率，逆變器效率，集電路損耗，升壓變壓器損耗，光伏組件表面污染修正系數，以及光伏組件光電轉換效率修正系數[9]。

4.2? 面積法

面積法是通過光伏組件的總面積及傾斜面接收的太陽輻射量來計算光伏電站理論年發電量，其計算式[10]為：

式中：S為光伏組件總安裝面積，m2；K1為光伏組件的光電轉換效率，本文取20.4%；K2為光伏發電系統效率，由于整個光伏發電系統的構造比較復雜，其系統效率主要由逆變器效率、變壓器效率及其他因素決定，一般取值范圍在75%～85%之間。綜合考慮此次光伏電站建設的各種折減因素后，本項目的光伏發電系統效率取80%。

4.3? 小時法

小時法即根據項目所在地的年峰值利用小時數、光伏組件安裝容量及光伏發電系統的綜合效率系數來計算光伏電站理論年發電量[10]，其計算式為：

式中：H為項目所在地的年峰值利用小時數。

5? 傾斜面接收的太陽輻射量計算

由于氣象服務站在測量太陽輻射量時，測量的氣象儀表設施處于水平放置狀態，采集到的數據為水平面接收的太陽輻射數據，但是在光伏電站實際應用過程中，光伏組件通常采用傾斜安裝方式，因此在光伏電站理論年發電量計算時，需要將水平面接收的太陽輻射數據轉換為傾斜面接收的太陽輻射數據。

計算時通常采用Klein計算模型，整個光伏方陣傾斜面接收的太陽輻射量IT主要包括3個部分：傾斜面太陽直射輻射量IbT、傾斜面太陽散射輻射量IdT、傾斜面反射輻射量IgT[11]，即：

5.1? 傾斜面太陽直射輻射量

傾斜面太陽直射輻射量主要與水平面太陽直射輻射量Ib有關，二者關系可表示為：

式中：Rb為太陽直射輻射傾斜因子。

水平面太陽直射輻射量的值可通過國家氣象信息中心網站直接查得。太陽直射輻射傾斜因子的計算式[6]為：

式中：δ為太陽赤緯角，（? ）；ωs為水平面的日落時角，rad；ωsT為傾斜面的日落時角，rad。

如果確定了一年中的天數，就可以按照Cooper公式計算出太陽赤緯角，其公式為：

式中：n為一年中從1月1日起算的每月代表值，在不同月份取不同的值，具體如表4所示。

水平面的日落時角的計算式為：

傾斜面的日落時角的計算式為：

5.2? 傾斜面太陽散射輻射量

傾斜面太陽散射輻射量主要受當地天氣條件等因素的影響，以往計算時僅采用天空散射輻射部分各向同性的假設，與實際情況并不符合。本文采用Hay模型，該模型是在認定天空散射輻射為各向同性、地面散射輻射為各向異性的情況下進行模擬計算[12]，在大型工程計算中應用較為廣泛。Hay模型可表示為：

式中： Id為水平面太陽散射輻射量，kWh/m2；I0為大氣層外水平面太陽總輻射量，kWh/m2。

水平面接收的太陽總輻射量和水平面太陽散射輻射量的相關數據可在國家氣象信息中心網站直接查得。

大氣層外水平面太陽總輻射量的計算式為：

式中：S0為太陽常數，一般取1367 W/m2。

5.3? 傾斜面反射輻射量

通常，太陽輻射到達地面后會向空中進行反射，而傾斜面反射輻射量取決于地面反射率。

傾斜面反射輻射量的表達式為：

式中：I為水平面接收的太陽總輻射量，kWh/m2；ρ為地面反射率，本文取0.2。

6? 光伏電站理論年發電量的計算實例

通過國家氣象信息中心網站，可查詢得到2013—2017年武漢市氣象監測點的水平面各月太陽輻射量、水平面月太陽散射輻射量、水平面月太陽直射輻射量數據，得到武漢市多年平均月太陽輻射數據，作為本項目的計算依據，具體如表5所示。

將表5的數據及項目所在地緯度（φ=30.50°）、光伏組件安裝傾角（β=27°）帶入式（5）～式（13），可以得到傾斜面年太陽直射輻射量為518.02 kWh/m2、傾斜面年太陽散射輻射量為717.96 kWh/m2、傾斜面年反射輻射量為13.38 kWh/m2，傾斜面年太陽總輻射量為1249.36 kWh/m2。

在光伏電站理論年發電量計算中，采用標準法計算時，根據式（2）可計算得到理論年發電量為1249.36×300/1×0.8=299846.4 kWh。

采用面積法計算時，根據式（3）可計算得到理論年發電量為1249.36×2.108×1.048×700×0.204×0.80=315310.0 kWh。

采用小時法計算時，項目所在地的年峰值利用小時數為1249.36 h，根據式（4）可計算得到理論年發電量為300×1249.36×0.8=299846.4 kWh。

3種計算方法的結果誤差約為5%，誤差較小，取3種計算方法得到的結果的平均值，則本分布式光伏電站總裝機容量為300 kW，設計安裝700塊峰值功率為450 W的單晶硅光伏組件，系統理論年發電量約為305000.9 kWh。

在實際運行中，光伏電站的年發電量呈線性衰減趨勢，因此需要計算光伏電站全生命周期25年的理論年發電量，使理論計算結果更具參考價值。按照光伏發電系統年發電效率在第25年時不得低于首年的80%（首年為理論計算值的98.5%）進行設計。

光伏電站全生命周期25年中第m年的理論年發電量的計算式為：

式中：m的取值從2開始；η為光伏發電系統年發電效率。

由于光伏電站首年衰減情況不同，光伏電站第1年的理論發電量Q1不能采用式（14）計算，Q1=305000.9×0.985=300425.9 kWh。

利用式（14）得到該光伏電站25年全生命周期的發電量預測結果，如表6所示。

通過表6可知：該項目25年理論累計發電量約為6884729.6 kWh，25年理論平均年發電量約為275389.2 kWh。另外，本項目為并網式光伏電站，當光照不足時，由國家電網供電系統輸送不足部分的電量。

僅改變光伏電站相關參數、其他條件不變的情況下，以相同方法計算處于高緯度的哈爾濱地區光伏電站的理論年發電量，并且將計算結果與武漢地區的計算結果進行比較。2個地區光伏電站相關參數對比如表7所示，2個地區光伏電站理論年發電量計算結果對比如表8所示。

從哈爾濱市光伏電站的理論年發電量計算結果可以看出：無論是中緯度地區光伏電站，還是高緯度地區光伏電站，采用這3種計算方法進行光伏電站理論年發電量的計算都適用。

7? 結論

本文針對武漢市某開發區某300 kW分布式光伏發電項目，以國家氣象信息中心的太陽輻射數據為基礎，對光伏電站理論年發電量計算進行了初步研究，得到以下結論：

1）通過標準法、面積法、小時法3種計算方法綜合比較后，得到本項目的理論年發電量約為305000.9 kWh；

2）應根據各個項目實際所在地的長期實驗測量數據分析得到光伏組件最佳安裝傾角。由于本文是關于光伏電站理論年發電量的計算研究，因此未對光伏組件最佳安裝傾角作過多研究；

3）通過計算傾斜面接收的年太陽輻射量從而得到的光伏電站年發電量僅是理論年發電量，與光伏電站實際運行時的實際發電量存在一定差距；

4）通過與同等條件下高緯度的哈爾濱地區光伏電站理論年發電量的計算結果進行對比后發現，標準法、面積法、小時法這3種計算方法也同樣適用于高緯度地區光伏電站理論年發電量的計算。

[參考文獻]

[1] 楊煜琪. 6 MW屋頂光伏電站設計[D]. 哈爾濱：東北農業大學，2019.

[2] 全國氣象防災減災標準化技術委員會（SAC/TC 345）. 太陽能資源等級 總輻射：GB/T 31155—2014[S]. 北京：中國計劃出版社，2014.

[3] 李紹震. 5 MW屋頂光伏電站設計與實現[D]. 哈爾濱：哈爾濱工業大學，2016.

[4] 肖琳. 光伏屋頂電站設計與實現[D]. 長沙：湖南大學，2017.

[5] 朱丹丹，燕達. 太陽能板放置最佳傾角研究[J]. 建筑科學，2012，28（S2）：277-281.

[6] 江娥. 武漢市光伏組件安裝的最佳傾角分析[D]. 武漢：武漢工程大學，2015.

[7] 陳正洪，孫朋杰，成馳，等. 武漢地區光伏組件最佳傾角的實驗研究[J]. 中國電機工程學報，2013，33（34）：98-105，17.

[8] 曹興，劉宇飛，于恒，等. 青島地區屋頂太陽能板最佳安裝角度分析[J]. 青島科技大學學報（自然科學版），2020，41（1）：87-90.

[9] 中國電力企業聯合會. 光伏發電站設計規范：GB 50797—2012[S]. 北京：中國計劃出版社，2012.

[10] 章海燦，楊松，羅易，等. 光伏電站發電量計算方法研究[J]. 太陽能，2016（8）：42-45.

[11] KLEIN S A. Calculation of monthly average insolation on tilted surfaces[J]. Solar energy，1977，19（4）：325-329.

[12] HAY J E. Calculating solar radiation for inclined surfaces：practical approaches[J]. Solar energy，1993，3（4-5）：373-380.

RESEARCH ON CALCULATION OF THEORETICAL ANNUAL POWER GENERATION CAPACITY OF PV POWER STATIONS IN

WUHAN REGION

Zhuo Zixiang，Duan Shiwei，Ren Jing

（School of Mechanical Engineering，Anhui University of Technology，Maanshan 243032，China）

Abstract：The calculation of annual power generation capacity of PV power stations plays an indispensable role in the construction of PV power stations. In order to ensure the accuracy of the theoretical results，it is necessary to comprehensively compare the results obtained by different calculation methods，and then obtain the calculation results with less theoretical error. This paper aims at a 300 kW distributed PV power generation project in a development zone in Wuhan，the calculation of the theoretical annual power generation capacity of PV power stations is systematically and preliminarily studied，and the parameters such as the inclined plane solar radiation required to calculate the theoretical annual power generation capacity are analyzed，and the calculation results obtained by the standard method，the area method，and the hour method are compared to ensure the accuracy of the theoretical annual power generation capacity，at the same time，it also provides a reference basis for scientific and accurate calculation of the theoretical annual power generation capacity of PV power stations. The research results show that these three calculation methods are applicable to the calculation of theoretical annual power generation capacity of PV power stations in middle and high latitude areas.

Keywords：PV power station；theoretical annual power generation capacity；inclined plane；solar radiation；Wuhan region