光伏发电功率与主要气象影响因子的相关性分析

摘 要：本文主要研究气象因子对光伏电站发电功率的影响，通过分析刘公庙光伏电站2022年实际运行数据，得出了光伏电发电功率与单个气象因子之间的相关性。整个研究过程中，首先选取辐照度、环境温度、相对湿度3个气象因子，选取单日数据进行拟合，得到各气象因子与发电功率的关系图。其次，计算气象因子和发电功率之间的相关系数。最后，根据关系图及相关系数分析气象因子对光伏电站发电功率的影响程度。

关键词：发电功率；气象因子；相关性

中图分类号： TM 615 文献标志码：A

随着光伏发电研究水平逐渐完善，全世界范围内的光伏装机容量呈爆炸式增加。自2012年以来，我国光伏增长了184倍，年均增长60%左右。据统计，截至2023年底，全国太阳能发电装机6.1亿kW，占全球43%，全国光伏平均利用率98%。光伏发电量不断增加，占比稳步提高，在能源电力保供中的作用不断凸显。但是，当太阳能规模化接入电网后，该问题受到越来越多的重视。传统的发电方式，例如燃煤、水电等，其出力是有计划的，也是可控的。此外，由于受太阳辐射的周期性变化，太阳辐射也呈现昼夜间隙的特征，同时还受到天气、气象因素、地理位置以及太阳能帆板表面积灰量等多种因素的共同作用，使其呈现既随机又波动的特点。由此导致的电网电压波动、频率波动及谐波污染严重，对电网供需均衡、安全稳定运行和调控提出了严峻的挑战[1]。

本文结合江西省刘公庙太阳能电池厂的实际情况，分析天气因素对太阳能电池出力的作用规律以及两者之间的关系，为进一步提升太阳能电池的出力预报精度奠定基础。

1 影响光伏发电功率的气象因子

影响光伏发电功率的因子众多，例如太阳辐照度、环境温度、相对湿度、光伏组件的安装角度、转换效率等[2]。理论上，当进行光伏发电功率预测时，以上影响因子都需要考虑。

在实际的工作过程中，天气因素和电能利用率是决定太阳能电池输出功率的重要因素。本文只研究了天气因素。

天气因素对太阳能电池的输出有很大的影响，而天气因素对太阳能电池的输出也有很大的影响。本文研究了太阳辐射强度、环境温度和相对湿度等气象因素对光伏系统输出的影响。

1.1 太阳辐照度

太阳辐射强度是指在大气层中，当太阳辐射被大气吸收、散射和反射后，到达地表的每一单位面积的辐射能。太阳辐射强度是影响光伏发电效率的主要因素之一。太阳辐射强度是影响光伏电池光电转换效率的重要因素，辐射强度是决定光电转换效率的重要气象因素。

太阳辐射强度随时间而改变，白天和夜晚的辐射强度小于正午，而白天和夜晚的辐射强度较高，且光照强度较高，太阳能电池的输出功率也较高，且存在一定的周期性。在此基础上，研究了多种不确定性因素对太阳辐射强度的影响。太阳帆板的方位角、倾角及安装位置等都是影响太阳帆板性能的主要因素。倾角的选择与所在的纬度相关，越是低纬区域，太阳入射角越大，日射功率越大，发电量越高。通常情况下，太阳电池板坐南头的时候可以获得最大的能量，东南方向和西南方向的能量消耗会减少10%左右，西面和东面的能量消耗会减少20%左右。在中国，由于地理位置不同，倾斜角度通常为15°～45°。安装在不同位置（例如墙壁、屋顶等）的太阳能面板会有不同的日照强度，从而产生不同的发电量。同时，太阳辐射强度也与季节和地理位置有关。在夏季，太阳辐射持续时间越长，产生的电能越多；在冬季，太阳辐射持续时间较短，发电功率较小；一天当中，中午的太阳高度往往更高，达到的日照强度更大，产生的电力更多[3]。

随着辐照度增加，输出电压变化很小，而输出电流增加较大，辐照度对光伏电池输出电流的影响较大。辐照度增加，输出功率也增加。太阳辐照度和光伏输出功率成正比。

1.2 环境温度

环境温度可以用来测量空气中的分子的热运动，它的热量移动越大，其温度就越高。大气温度是影响辐射强度的重要因素，它的大小可以很好地反映辐射强度的变化。特别是在晴朗的日子，例如没有遮挡的天气，经常会因为太阳辐射的增加而导致气温上升。随着周围温度上升，组装体的温度也上升。不同的温度条件下，太阳能电池的电学特性会发生改变。在高温环境下，太阳能电池的工作效率会降低，并且会导致电池的充电工作点发生剧烈的偏移，进而造成电池的不稳定。

在固定太阳辐照度下，随着温度升高，输出电压减小，输出电流基本不变，温度对光伏电池输出电压影响较大。随着温度升高，输出功率也相应减小。

1.3 相对湿度

在高湿度条件下，大气中的水分含量高，使大气中的空气流动不畅，阻碍了对地表的有效反射，从而导致光电转换效率下降。结果表明，随着气温升高，饱和水气压及真实水蒸气压也会随之改变，但其变化幅度要小得多。所以，随着气温上升，相对湿度下降；随着气温下降，相对湿度上升。室内相对湿度和周围气温之间存在很强的耦合性。

1.4 其他气象因子

其他气象要素包括云量、风速、雨雪、沙尘等。在此基础上，对光伏发电系统的输出功率进行详细分析和研究。由于云的尺寸、形状、速度和方向都在不断地改变，且呈现一定的随机性，这就使光伏系统的输出功率出现了随机波动。高风速会加速太阳能电池模块周边气流的流动，有助于太阳能电池模块的自散热，从而提升太阳能电池的光电转化效率，进而增加太阳能电池的输出功率。在雨雪、沙尘等恶劣天气条件下，大气透明度的时空分布发生显著变化，其中，折射和散射作用对地面短波辐射有显著抑制作用，进而对光伏发电产生不利影响。

2 研究方法

2.1 数据来源与预处理方法

本文收集江西省刘公庙30MW光伏电站2022年1月1日至2023年1月1日的15min运行数据，主要包括实测总辐照度、实测气温、实测相对湿度、实测气压等。

先对1a的数据进行预处理。在正常发电情况下，将发电功率小于0.1kW视为无效功率，剔除这部分数据及缺测数据。再通过相关性分析法对电站1a的运行数据进行光伏发电功率与气象因子的相关性分析。

2.2 相关性分析法

相关性分析[4]是指对2个或多个具有相关性的变量元素进行分析，从而度量2个变量因子之间的紧密关系。利用皮尔逊相关分析法求出了电力系统的发电功率和气象因素的相关性。相关性系数r如公式（1）所示。

相关系数的取值范围为-1≤r≤1，正的表示正相关，负的表示负相关。

3 光伏发电功率与气象因子相关性分析

3.1 辐照度与发电功率相关性分析

随机选取2022年某一天00：00—24：00光伏输出功率和太阳辐照强度的数据（以下环境温度、相对湿度均取同一天），得出光伏日发电实际功率与辐照度的关系图如图1所示。从2种变量趋势情况来看，光伏输出功率和太阳辐照度变化趋势基本同步。

2022年（实测功率和辐射强度分布曲线以下的环境温度和相对湿度都取同年）如图2所示，发电功率与辐射强度成正比，并且随辐射强度增大而增大。经分析，两者之间的相关性为0.976，表明辐照度与光伏发电功率成正相关，高度相关。

3.2 环境温度与发电功率相关性分析

光伏日发电实际功率与环境温度的关系图如图3所示。从2种变量趋势情况来看，光伏输出功率和环境温度变化趋势近似一致。

实测发电功率与环境温度的散点图如图4所示，通过计算得到相关系数r=0.42，环境温度与发电功率成正相关，低度相关。环境温度越高，辐照度越大，导致光伏组件温度升高，影响发电功率。

3.3 相对湿度与发电功率相关性分析

光伏日发电实际功率与相对湿度的关系图如图5所示。从2种变量趋势情况来看，光伏输出功率和相对湿度变化趋势相反。

实测发电功率与相对湿度的散点图如图6所示，通过计算得到相关系数r=-0.568，环境温度与发电功率成负相关，显著相关。相对湿度越大，温度越低，相对湿度与环境温度有较强耦合性，影响发电功率。

4 结语

本文以江西省刘公庙光伏电站为研究对象，采用2022年15min的光伏发电功率、太阳辐射数据和气象观测数据，研究了光伏发电功率的昼夜变化特征和影响光伏发电功率的主要气象因素，得到了以下主要结论。1）光伏电站的输出功率在白天和晚上分别具有单峰和低峰的特点。2）光照强度与环境温度之间的关系，其中与辐照度的正相关系数大于0.9。发电功率与相对湿度成负相关，相对湿度对光伏发电功率起削弱作用。通过相关性分析可以得出，辐照度对光伏发电功率影响最大，其次是相对湿度、环境温度。

参考文献

[1]陈博.计及天气与气象因子关联度的短期光伏发电功率预测[D].秦皇岛：燕山大学，2021.

[2]王伟胜，车建峰，王勃.光伏发电功率预测技术及应用[M].北京：中国电力出版社.2019.

[3]王越，王念春，时斌.光伏电池阵列仿真模型的研究[J].电工电气.2009（10）：20-22.

[4]李倩.光伏发电系统发电能力预测研究[D].北京：华北电力大学，2014.