中国典型地区水平总辐射辐照度频次特征*

文 | 申彦波，王香云，王婷，郭鹏

中国典型地区水平总辐射辐照度频次特征*

文 | 申彦波，王香云，王婷，郭鹏

太阳能资源是影响光伏发电的先决条件之一，对一个具体的光伏电站而言，除太阳总辐射年辐照量之外，太阳辐照度的频次分布特征也是影响其年发电量的重要因素。在并网光伏发电系统中，有两个关键设备的效率与太阳辐照度直接相关，一是太阳电池，二是逆变器。

对太阳电池而言，其额定功率测试的标准条件是：（1）光源辐照度1000 W/m2；（2）测试温度25℃；（3）AM1.5地面太阳光谱辐照度分布。在实际光伏电站运行过程中，太阳-辐照度总是变化的，而太阳电池的开路电压和短路电流均与入射光谱辐照度的大小有关。当辐照度较弱时，开路电压与入射光辐照度呈近似线形变化；当太阳辐照度较强时，开路电压与入射光辐照度呈对数关系变化；在入射光辐照度比标准测试条件（1000W/m2）不是大很多的情况下，太阳电池的短路电流与入射光辐照度呈正比关系，即在一定范围内，当入射光辐照度成倍增加时，太阳电池的短路电流也要成倍增加。与此相对应，太阳电池的最大功率点也要随着太阳辐照度的增加而变化。

对于光伏系统的逆变器而言，影响其发电量的有：最大功率跟踪点（MPPT）效率和转换效率。MPPT效率即逆变器实时跟踪并工作在太阳能电池板最大功率点处的精度。因在实际工作中，逆变器的输入电压以及负载点会随辐照度和温度的变化而变化，最大功率点以及运行负载点会变化，体现在逆变器上即影响其MPPT效率以及转换效率。另外，不同地区的太阳能资源存在差异，故其在一定辐照度下的持续时间也会不同，反映到逆变器上表现为不同负载点的驻留时间不同。

当前，随着太阳能开发利用在我国的快速发展，行业内对于光伏发电的效率提高、发电能力提升以及关键设备检测的标准化和中国化越来越重视。中国由于地形复杂、气候特征多样，使得太阳能资源及相关气象要素的分布也极为复杂，进而对不同地区光伏发电的影响也存在较大差异。其中，太阳辐照度的频次特征便是影响光伏发电的关键气象要素之一。本文通过对我国典型地区典型年水平总辐射辐照度的分析，获得不同气候区和资源等级区域的太阳辐照度时次和能量频次分布特征，为进一步研究我国不同地区太阳电池和逆变器的实际发电量提供基础依据。

数据与方法

一、数据资料及站点选择

本文所用数据资料主要包括全国辐射观测站近10年的逐时平均水平总辐射辐照度（单位：W/m2），以及在此基础上统计得到的水平总辐射逐日、逐月、逐年辐照量（单位：kWh/m2），所有数据均来源于国家气象信息中心，数据观测质量符合《地面气象观测规范》的要求。

为反映我国太阳能资源开发利用典型地区的特点，按照以下三个原则选择具有代表性的辐射观测站：（1）兼顾所有太阳能资源等级区域，重点考虑资源丰富区；（2）空间分布上尽可能均匀，兼顾行政区；（3）综合考虑地形、气候特征及辐射站的观测环境、建站和迁站情况等。据此，在全国范围一共选取18个辐射站进行分析，其空间分布如图1所示。其中太阳能资源I类最丰富区（水平总辐射年辐照量≥1750kWh/m2）的代表站点包括：拉萨、格尔木、额济纳旗、敦煌；II类很丰富区（1400kWh/m2≤水平总辐射年辐照量<1750kWh/m2）的代表站点包括：二连浩特、昆明、和田、

兰州、海口、乌鲁木齐；III类丰富区（1050kWh/m2≤水平总辐射年辐照量<1400kWh/m2）的代表站点包括：北京、长春、郑州、南京、福州、广州、武汉；IV类一般区（水平总辐射年辐照量<1050kWh/m2）的代表站点以重庆为例。

二、数据处理方法

首先从每个站近10年的数据中选择典型年。为反映每个站点某一年的真实情况，本文未采用数据概率统计的方法确定典型年，而是以水平面总辐射年辐照量最接近10年平均值的年份为该站点的典型年，挑选的年份列于表1和表2中每个站点下方的括号内。

其次对每个辐射站典型年的逐时平均水平总辐射辐照度进行分档统计。根据逆变器的运行特点，选取代表性的运行负载点，在每一选定的负载点上尽量选取中间值作为统计区间切换点，同时保证每个统计区间的平均辐照度接近功率分档点，将辐照度分为7个区间：0 W/m2－75 W/m2、75 W/m2－150 W/m2、150 W/m2－250 W/m2、250 W/m2－400 W/m2、400 W/m2－620 W/m2、620 W/m2－875 W/m2、>875 W/m2。每个辐射站的统计要素包括：

（1）每个区间辐照度出现的时次T（单位：h）；

（2）T占全年白天时次T0的百分比fT（单位：%）；

（3）每个区间辐照度全年累计的辐照量Q（单位：kWh/m2）；

（4）Q占全年总辐照量Q0的百分比fQ（单位：%）。

其中，全年白天时次T0是将辐照度≥0的时次累加得到（在气象站的辐射数据记录中，0是有效数据，无观测和无效数据分别用32766和32744表示）。

结果分析

根据上述数据资料和统计方法，得到18个典型辐射站代表年水平面总辐射逐时辐照度的频次分布特征，T、fT、T0以及Q、fQ、Q0的统计结果分别如表1和表2所示，并通过图2对fT和fQ的分布特征进行对比。

一、不同区间辐照度出现时次特征分析

总体来看，大部分辐射站均呈现出低辐照度区间（0 W/m2－75W/m2）出现时次最多、中间某一辐照度区间（多数是400 W/m2－620W/m2）出现时次次多、高辐照度区间（>875W/m2）出现时次最少的特点。这是由于低辐照度区间主要出现在日出日落前后，持续时间较长；高辐照度区间通常出现在中午，持续时间较短。而不同辐照度区间出现时次的分布特征则与资源丰富程度密切相关。

在资源最丰富区，400 W/m2－620W/m2（格尔木、额济纳旗、敦煌）或620 W/m2－875W/m2（拉萨）辐照度区间出现时次均接近甚至超过0 W/m2－75W/m2低辐照度区间，fT达到20%左右；而875W/m2以上高辐照度区间的fT也在5%以上，拉萨甚至达到了12.25%。此外，二连浩特的年辐照量接近于资源最丰富区，fT的分布特征也与此相近。

在资源很丰富区，除二连浩特外，其余5站fT的分布特征比较接近。0 W/m2－75W/m2低辐照度区间出现次数最多，fT在30%左右；400 W/m2－620W/m2辐照度区间出现时次次之，fT介于15%和20%之间；而875W/m2以上高辐照度区间的fT则下降到3%左右。

在资源丰富区，各辐射站fT的分布特征与资源很丰富区类似。400 W/m2－620W/m2辐照度区间的fT仍在15%和20%之间；875W/m2以上高辐照度区间的fT则进一步下降到1%左右；而0 W/m2－75W/m2低辐照度区间的fT则普遍超过30%，武汉甚至达到37.64%。

在资源一般区，以重庆为例，各辐照度区间fT的分布特征与其它资源区明显不同。fT随着辐照度的增加而降低，0 W/m2－75W/m2低辐照度区间的fT接近50%，而875W/m2以上高辐照度区间全年仅出现16次，占比仅0.33%。

二、不同区间辐照度全年累计辐照量特征分析

不同区间辐照度全年累计辐照量fQ的分布特征与上述时次特征明显不同，而这种特征也决定了一个地区的资源丰富程度及其对光伏组件和逆变器效率的影响。总体来看，各辐射站均是400 W/m2－620W/m2或620 W/m2－875W/m2辐照度区间的fQ最高，且该比例越大，资源丰富程度越高；而0 W/m2－75W/m2低辐照度区间尽管出现时次最多，但其fQ在各辐射站却均是最低或次低。

表1 18个典型辐射站代表年T、fT、T0统计结果（表中≥0所对应的时次即为T0）

表2 18个典型辐射站代表年Q、fQ、Q0统计结果（表中≥0所对应的辐照量即为Q0）

在资源最丰富区，各辐射站75%以上的辐照量都集中在400W/m2以上的3个辐照度区间（即400 W/m2－620W/ m2、620 W/m2－875W/m2、>875W/m2），拉萨更是高达85.54%；其中又以620 W/m2－875W/m2辐照度区间占比最高，fQ达到35%左右；875W/m2以上高辐照度区间的fQ基本都在15%以上。

在资源很丰富区，各辐射站400W/m2以上3个辐照度区间的fQ占比在70%以上，其中仍是620 W/m2－875W/ m2辐照度区间占比最高，但fQ的值则下降到35%以下；

875W/m2以上高辐照度区间的fQ则下降到15%以下。

在资源丰富区，各辐射站400W/m2以上3个辐照度区间的fQ占比下降到65%左右，其中400 W/m2－620W/m2辐照度区间的fQ明显增加，接近或超过620 W/m2－875W/ m2；875W/m2以上高辐照度区间的fQ则下降到5%左右。

在资源一般区，重庆400W/m2以上3个辐照度区间的fQ占比下降到56.66%，其中620 W/m2－875W/m2辐照度区间占比最高，但fQ的值只有不到30%；875W/m2以上高辐照度区间的fQ仅有1.69%；而0 W/m2－75W/m2低辐照度区间的fQ则超过5%，是所有辐射站中最高的。

结论与讨论

通过以上对全国18个典型辐射站代表年不同辐照度区间出现时次和累计辐照量分布特征的统计和分析，主要结论如下：

（1）不同辐照度区间出现时次和累计辐照量的比例决定了一个地区的太阳能资源丰富程度。较高辐照度区间（400W/m2以上）出现时次越多，累计辐照量占比越大，太阳能资源丰富程度越高，越有利于提高光伏发电效率；相反，低辐照度区间（75W/m2以下）出现时次越多，累计辐照量占比越高，则太阳能资源丰富程度越低，对于光伏发电越不利。

（2）中国的太阳辐射能量以400W/m2以上的辐照度区间为主，大多数地区占全部辐照量的65%以上，青藏高原甚至超过80%。

（3）不同地区的太阳能资源年总量即使比较接近，也可能在各辐照度区间的能量比例方面存在差异，进而对光伏发电效率和发电量产生影响。

本文基于气象站实测数据分析了水平总辐射辐照度的频次特征，为分析光伏组件和逆变器效率提供基础数据。但对于实际运行的光伏电站而言，影响发电量的是与阵列同角度的斜面总辐射，其辐照度的频次特征可能与水平总辐射存在差异；此外，不同资源区辐照度频次特征的变化对光伏组件和逆变器效率的定量影响有多大，反映到发电量上有多大差异等等，尚需要大量的电站运行数据进一步深入研究。

（作者单位：申彦波，王香云，郭鹏：中国气象局公共气象服务中心，中国气象局风能太阳能资源中心；王婷：北京鉴衡认证中心有限公司）

* 资助项目：公益性行业（气象）科研专项“太阳能光伏资源精细化评估技术研究”（GYHY201306048）