张北及类似地区太阳辐照量计算方法研究

上海电力设计院有限公司 ■ 黄乾

0 引言

目前，对于无太阳辐照量参考气象站地区的太阳辐照量的值可通过《太阳能资源评估方法》中相关方法计算得出。但实际工程中，遇到如张北这种位于河北省北部、靠近内蒙古的无太阳辐照量参考气象站的地区，与其较近的北京、大同等参考气象站，距离张北地区均约200 km，利用这两个气象站推导出的张北地区太阳辐照量的值与实际值偏差很大。故现在各大设计院可行性研究报告中，对于该地区的太阳辐照量的值均采用NASA值，没有一个较为合理的方法可计算出这类地区的太阳辐照量。

但对于我国来说，利用NASA值得出张北及类似地区的太阳辐照量这种方法依据不足；另外，NASA值仅对高海拔、高晴朗度地区其值较为准确，对于我国华东、华南等地区并不适用。因此，本文利用双参考站插值法，并通过与太阳辐照量值相关度最高的指数作为计算权重，计算类似张北地区的太阳辐照量。

1 张北地区太阳辐照量的计算方法

1.1 原计算方法概述

由于张北县内无太阳能辐射资源观测站，本阶段收集了距离站址相对最近的大同和北京气象站的太阳能资源历史观测数据、张北气象站日照小时数，可按照《太阳能资源评估方法》推算张北地区太阳辐照量。但同时考虑到大同和北京气象站距离站址约170 km，纬度和海拔高度差异较大，此方法的推算结果不一定准确，因此还收集了NASA地面太阳能观测数据作为论证方法。

根据北京气象站1978～2012年统计数据，其多年平均太阳总辐照量为4987 MJ/m2，日照小时数为2443 h；根据大同气象站同期统计数据，其多年平均太阳总辐照量为5433 MJ/m2，日照小时数为2636 h；张北无太阳辐照量观测值，其日照小时数为2843 h。

以北京气象站及大同气象站作为参考气象站，按照《太阳能资源评估方法》推算出的张北地区年太阳辐照量分别为5186 MJ/m2与5486.1 MJ/m2，但与尚义县(与张北县相邻)门户网站所述的太阳能辐射资料数据相差较大。最终采用NASA修正值，5796 MJ/m2作为最终值。

由此可见，《太阳能资源评估方法》利用单个参考观测站推算无辐射观测值地区值不一定都准确；原方法虽最终采用NASA修正值，但其忽略了云层多云、雾霾等天气状况的影响，其准确性与当地的晴朗度有关。此外，该方法的使用也难以找到太阳能资源评估规范方面的依据。

利用《太阳能资源评估方法》推算张北地区太阳辐照量差距较大的原因为：

1)距离场址较远，均在170 km以上；

2)海拔差异，北京和大同气象站的海拔明显低于场址海拔；

3)气象站所在地区的气候与坝上地区的气候存在明显差异。

为解决上述问题，本文提出了双参考气象站的计算方法，并论证其可靠性和适用性。

1.2 双参考气象站辐照量计算法

1.2.1 参考气象站的选择

张北县 (北纬 40°57′～41°34′，东经114°10′～115°27′)位于张家口市西北部古长城外侧，属于内蒙古高原南缘的坝上地区。四周与张家口市区、万全、尚义、康保、沽源、崇礼县为邻，又与内蒙古商都县接壤。全县总面积4185 km2，耕地面积1110 km2。张北县属大陆性季风气候，县内平均海拔1400～1600 m，年均气温2.60 ℃，降水量近400 mm，年蒸发量1995 mm，属缺水地区。张北县年平均日照时数2750～2850 h，年平均总辐照量5525～6115 MJ/m2，为全省之冠，在全国也属偏高地区，丰富的太阳能资源为光伏发电产业发展提供了良好的条件。

图1 参考气象站及站址地区地理位置图

由图1可知，离张北地区最近的气象站为北京及大同气象站，但利用这两个气象站无法正确推导出张北地区的太阳辐照量值。这主要是由于张北靠近内蒙古属于坝上地区，地理及环境条件相差太远。为解决该差异，本报告加选同为坝上地区的二连浩特气象站，与北京气象站一起，分析推导张北地区太阳辐照量值。

二连浩特太阳辐照量多年平均值为6204.5 MJ/m2，日照小时数为3110 h。

1.2.2 太阳辐照量的计算

双参考气象站辐照量修正法是在《太阳能资源评估方法》基础上结合工程实践发展的一种方法。本文选择二连浩特及北京气象站作为参考气象站，分别采用《太阳能资源评估方法》关于无辐射观测站地区太阳能辐射量计算方法推测2个辐射值，计算方法如下：

式中，QM为场址区域逐月太阳辐射总量，MJ/(m2·d)；Q0为场址区域月天文总辐射量，MJ/(m2·d)；S为月日照百分率，%；H为场址区域日照时数；TM为可照时数；j为当地维度；d为太阳赤纬；a、b为经验系数，根据参考气象站观测资料，利用最小二乘法计算求出。

根据两个辐射值与实际值的相关性进行加权修正。由上文分析可知，距离远近并不能准确反映与站址地区日照条件相关性的权重，而日照时数这项指标能较为直接的反映一个地区的日照条件，也是《太阳能资源评估方法》中推算太阳辐照量的重要计算参数，故采用各地日照时数相关性作为修正系数比选择距离远近作为权重更合理。加权修正具体计算如下：

首先将两个参考气象站的各月日照小时数和场址区域日照小时数分别作线性相关，得到表示相关性程度的R2。修正后的场址太阳辐照量为：

式中，Q1为采用参考气象站1计算的场址区域太阳辐照量，MJ/m2；Q2为采用参考气象站2计算的场址区域太阳辐照量，MJ/m2；R12为参考气象站1与场址区域各月日照小时数线性相关方差；R22为参考气象站2与场址区域各月日照小时数线性相关方差。

张北地区、二连浩特、北京各月均日照时数如表1所示。

表1 张北地区、二连浩特及北京的月均日照时数/h

图2 张北与二连浩特日照时数相关性

图3 张北与北京日照时数相关性

将场址张北与二连浩特、北京两个气象站的日照时数分别进行相关性分析，得到R2分别为0.884和0.508。根据式(1)～(3)，推导得Q1=6132 MJ/m2、Q2=5186 MJ/m2，按照式(4)得出张北地区年均太阳辐照量为5787 MJ/m2。与以往可行性研究报告中对张北地区太阳辐照量估算基本一致。

1.2.3 方法适用性验证

本文选择西宁地区作为需计算太阳辐照量的地区，兰州、刚察作为参考气象站，按照上述的双参考气象站辐照量修正法推算西宁地区的太阳辐照量，并用西宁气象站观测数据做验证。三者的相对位置关系如图4所示。

图4 参考气象站及西宁地区地理位置图

刚察距西宁直线距离160 km，兰州距西宁直线距离240 km，假设西宁地区无太阳辐照量观测值。

刚察地区近30年太阳辐照量为6461 MJ/m2，日照小时数2949.5 h；兰州地区近30年太阳辐照量为5346.6 MJ/m2；西宁地区日照小时数为2513.22 h。

刚察、西宁及兰州三地的月均日照时数见表2。刚察与西宁、兰州与西宁的日照时数相关性分析结果如图5和图6所示。

按照式(4)，得西宁地区年均太阳辐照量为5551.3 MJ/m2，而西宁气象站近30年太阳辐照量为5557 MJ/m2，误差为0.1%。

经验证，双参考气象站辐照量修正法是基于《太阳能资源评估方法》推算法的一种方法，而将仅次于太阳辐照量的日照条件参数——“日照小时数”作为权重系数，较为合理，计算结果较为可靠。

表2 刚察、西宁及兰州的月均日照时数/h

图5 刚察与西宁日照时数相关性

图6 兰州与西宁日照时数相关性

2 类似地区工程实例

菏泽位于山东省西南部，与苏、豫、皖三省接壤，地处北纬 34°39′～35°52′、东经 114°45′～116°25′之间。而工程站址位于菏泽，如图7所示，距离济南气象站215 km，距离郑州气象站170 km。

图7 太阳能光伏电站、参考气象站位置图

济南的太阳能资源略好于郑州，若单以济南气象站作为参考气象站，按照《太阳能资源评估方法》推算法得出的数据可能较实际偏高；反之，用郑州气象站可能偏低。而两个参考气象站距离光伏站址均较远，在150 km以上，故本工程采用双参考气象站辐照量修正法。

济南气象站近15年太阳辐照量为4763 MJ/m2，日照小时数1738.1 h；郑州气象站近15年太阳辐照量为4651 MJ/m2；郑州、济南及定陶(菏泽)的月均日照小时数见表3。根据式(1)～(3)，推导得Q′1=4785 MJ/m2、Q′2=4607 MJ/m2，两者相差3.7%。

郑州、济南分别与定陶日照时数相关性分析结果见图8和图9。由图8、图9可知，R1=0.925，R2=0.852，推得菏泽地区太阳辐照量为4719.9 MJ/m2。

表3 郑州、济南及定陶(菏泽)的月均日照时数/h

图8 郑州与定陶日照时数相关性

图9 济南与定陶日照时数相关性

3 结论

通过上述分析，可得出以下结论：

1)在最近的参考气象站位置与评估地区距离仍较远，且海拔、气候差异大的情况下，通过《太阳能资源评估方法》，以单个气象站为基础数据，推得的评估区域的太阳辐照量不准确。

2)以《太阳能资源评估方法》为基础，采用双参考气象站辐照量修正法甚至多参考气象站辐照量修正法，并以日照小时数作为权重系数的计算方法可行，且经验证，较为可靠。

3)本方法适用于：最近的参考气象站距离无辐照量数据的光伏站址评估地区150 km或以上，海拔差异较大；站址位于两个参考气象站连线附近；若站址位于多个等距离参考气象站中心位置，可以按上述类似方法衍生为网格式计算法。