1、 3 太阳能资源太阳能资源 核核 定：定：肖肖 斌斌 审审 查：查：吕吕 康康 校校 核：核：周周 治治 编编 写：写：庄庄 昆昆 中电投武威 9MWp 并网光伏电站工程 可行性研究报告 3 太阳能资源分析 3.1 区域太阳能资源概况 甘肃省位于中国地理中心，地处黄河上游，地域辽阔，介于N 3211N 4257、E9213E10846之间。东接陕西，东北与宁夏毗邻，南邻四川，西连青海、新疆，北靠内蒙，并与蒙古人民共和国接壤。总面积 42.58 万km2。甘肃省具有丰富的太阳能资源，从全国太阳辐射资源分布情况来看，该地区太阳辐射资源属于较丰富区。年太阳能总辐射量在 4800MJ/m26400MJ2、/m2之间，年资源理论储量 67 万亿kW.h，每年地表吸收的太阳能相当于大约 824 亿t标准煤的能量，开发利用前景广阔。甘肃省总辐射空间变化分布图如图 3.1 图所示，河西走廊、甘南高原为甘肃省太阳辐射丰富区，年太阳总辐射量分别为 5800 MJ/m2和 6400 MJ/m2；陇南地区相对较低，年太阳总辐射量仅 4800 MJ/m25200 MJ/m2；其余地区为 5200 MJ/m25800 MJ/m2。甘肃省以夏季太阳总辐射最多，冬季最少，春季大于秋季。7 月各地太阳总辐射量为 560 MJ/m2740 MJ/m2；1 月为 260 MJ/m2380 MJ/m2；4 月为 480 MJ3、/m2630 MJ/m2；10 月为 300 MJ/m2480 MJ/m2。太阳总辐射冬季南北差异小，春季南北差异大。甘肃省各地年日照时数在 1700h3320h 之间，自西北向东南逐渐减少。河西走廊西部年日照时数在 3200h 以上；陇南南部在 1800h 以下；其余地区在 2000h3000h 之间。6000 MJ/m2a 5500 MJ/m2a 4100 MJ/m2a 图 3.1 甘肃省总辐射空间变化分布图（单位：MJ/m2a）3-1 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院 武威市位于甘肃省中部，河西走廊的东端，是甘肃省太阳能资源比较丰富的地区，本地区年太阳辐射量在 5500 MJ/m2634、00MJ/m2之间，年日照小时数在 2600 h3200h之间，最大风速为 28.3m/s，平均气温为 5.1。场址地理条件好、交通便利、太阳辐射条件优越，是一个理想的光伏电站场址。3.2 代表气象站 本工程场址区位于武威市凉州区的武威金太阳新能源高新技术集中区，G312国道以南，距离武威市约 30km，东侧距皇台 110kV 变电站约 10km。场址范围为N 380443N 380519，E 1021851E 1022009，场址海拔高程在1695m1721m 之间。3.2.1 代表气象站选择 距离本工程场址区最近的气象站为永昌气象站。永昌气象站是国家基本气象站，距离场址区约 37km，该站5、主要承担本地的常规气象观测，无太阳辐射观测资料。其地理坐标为 N 3824、E 1029，观测场海拔高程 1986.7m。工程场址区与永昌气象站相比，纬度跨越范围约 18 左右，经度跨越范围约 7 左右，两地属同一气候环境区域。因此，选择永昌气象站作为本工程太阳辐射研究的代表站是合理、可靠的。一般来说，到达地面的太阳辐射主要受太阳高度角、大气透明度、地理纬度、日照时数及海拔高度等因素的影响。现简要分析如下：（1）太阳高度角 太阳高度角是太阳光线与地表水平面之间的夹角。太阳高度角大，太阳高，太阳辐射就强；反之，太阳高度角小，太阳低，太阳辐射就弱。永昌气象站的太阳高度角为 70.46（真太阳时正午6、 12 时，夏至日），27.13（真太阳时正午 12时，冬至日），工程场址区的太阳高度角为 70.67（真太阳时正午 12 时，夏至日），27.42（真太阳时正午 12 时，冬至日）。可见，工程场址区与永昌气象站两地的的太阳高度角差距很小，在正常天气情况下两地太阳辐射强度基本相当。（2）大气透明度 大气透明度是表征大气对于太阳光线透过程度的一个参数。在晴朗无云的天 3-2中电投武威 9MWp 并网光伏电站工程 可行性研究报告 气，大气透明度高，到达地面的太阳辐射能就多些；在天空中云雾很多或风沙灰尘很多时，大气透明度降低，到达地面的太阳辐射能就较少。场址区与永昌气象站地处同一地区，气候特征类似，7、地理位置较近（相距约 30km），大气透明度比较接近。（3）地理纬度 地理纬度是影响太阳辐射能的因素之一，纬度接近的地区太阳辐射量也相对比较接近。场址区的纬度在 N 3805附近，而永昌气象站纬度为 N 3824。本工程场址与永昌气象站纬度接近，太阳辐射量也很相近。（4）日照时数 日照时数也是影响地面太阳辐射量的一个重要因素。日照时间长，地面所获得的太阳总辐射量就多。本工程拟建场址与永昌气象站的年平均日照小时数比较接近，为 2997h 左右。（5）海拔高度 海拔高度越高时，空气就越稀薄，太阳辐射被吸收、散射的就越少，太阳光线所通过的大气量越少，并且大气中的水汽和尘埃的含量也越少，大气的透明度就8、越佳，接收到的太阳辐射量也就越大。永昌气象站与场址区海拔高度接近。综上所述，场址区与永昌气象站地理位置接近，属同一气候区域；两地的太阳高度角、大气透明度、地理纬度、日照时数及海拔高度均很接近。因此，本工程拟建场址区与永昌气象站的太阳辐射情况类似，选择永昌气象站作为本工程的代表气象站是合理的。本研究阶段采用永昌气象站作为本工程的代表气象站，由于永昌气象站无太阳辐射观测资料，需采用气候学方法推算其太阳辐射数据，并将该站的基本气象要素观测数据和推算太阳辐射数据作为本阶段的研究依据。3.2.2 场址区基本气象资料 距离场址最近的气象站为永昌气象站，两地属同一气候环境区域，所以场址区风速、气温等其它气象9、资料均采用永昌气象站的数据。根据永昌气象站多年实测气象资料，各气象要素统计如表 3.1 所示。3-3 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院 表 3.1 永昌气象站气象要素统计表 序号 项 目 单位 数值 备 注 1 多年平均气温 5.1 2 多年极端最高气温 41.1 3 多年极端最低气温 -26.8 4 昼最高气温 33.4 5 昼最低气温 -26.4 7 多年平均降水量 mm 204.6 8 多年蒸发量 mm 2020 9 多年平均风速 m/s 2.7 10 多年极大风速 m/s 28.3 1993 年 5 月 5 日11 多年最大冻土深度 cm 159 12 多年最大积雪厚度 cm 11 10、13 近 10 年历年平均阴雨天数 天数 130 14 历年最长一次阴雨天数 天数 14 15 平均沙尘暴日数 天数 2.6 16 最多沙尘暴日数 天数 9 17 平均大风日数 天数 21 18 最多大风日数 天数 40 19 平均冰雹日数 天数 1 20 最多冰雹日数 天数 3 21 平均雷暴日数 天数 20 22 主导风向 WWN 3.2.3 场址气候条件影响分析（1）气温条件影响分析 永昌地区气候干燥，气温日较差大，年平均气温为 5.1。其温度分布情况见图 3.2。3-4中电投武威 9MWp 并网光伏电站工程 可行性研究报告-15-10-505101520251月2月3月4月5月6月7月11、8月9月10月 11月 12月温度（）图 3.2 永昌地区多年各月平均气温变化图 从图 3.2 可以看出，永昌地区 1 月、2 月、11 月、12 月的多年平均气温都在 0以下，5 月9 月的多年平均气温在 10以上，最大值 18.7出现在 7 月份。本工程选用的逆变器工作的环境温度范围为-2555，选用的太阳能电池组件的工作温度范围为-4070，正常情况下，电池组件的板面工作温度要比当时环境温度高出 1030左右。从上述永昌地区的气温数据可以看出，本工程太阳能电池组件的工作温度可控制在其允许范围以内，但在电池组件串并联组合中，应根据当地的实际气温情况进行温度修正计算，以确保系统有较高的运行效12、率。同时，对于布置在逆变器室内的逆变设备，也应控制其工作温度保持在允许工作温度范围内。（2）风速影响分析 本工程地处戈壁荒漠地带，场址周边较大区域开阔平坦，植被稀少，永昌地区多年平均风速 2.7m/s，最大风速 28.3m/s，年主导风向为西西北风，年平均大风日数 21 天，该地区风速较大，对光伏电站运行有一定影响，应采取一定有效的抗风措施。（3）风沙和雷暴影响分析 永昌年平均沙尘暴日数为 20d，最多沙尘暴日数为 9d。沙尘天气对大气影响较大，空气中粉尘量剧增，大气透明度大幅度降低，大气中的尘埃和粉尘大大阻挡和减弱了太阳直射。加之该区域气候干旱，植被稀少，在大风季节里，极易出现沙尘天气。对光13、伏电站的发电量影响较大，故在系统设计中应采取有效的防风沙措施和方便可行的日常清洗方法。3-5 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院 永昌年平均雷暴日数 19.6d。该地区雷电对光伏电站有一定的危害，电池阵列均固定金属支架之上，且阵列面积较广，电站应采取可靠的防雷接地措施。3.2.4 代表气象站辐射数据 对于无太阳辐射观测资料的代表气象站，选择距代表气象站最近的有太阳辐射观测资料的气象站作为参考气象站，收集其相关太阳辐射观测资料，利用气候学方法推算代表气象站的太阳辐射数据。根据甘肃省气象台站分布及观测范围可知，甘肃区域内有日射观测资料的气象站有 6 个，分别是敦煌气象站、酒泉气象站、民勤气象站、西14、峰气象站、兰州气象站和榆中气象站，距离场址区最近的是民勤气象站（距场址约 90km）。根据甘肃省气候特点，民勤和场址区同处于温带大陆干旱性气候区，属同一气候环境区域，气候特点类似，年太阳总辐射量接近，因此，选用民勤气象站作为本工程太阳辐射研究的参考站。民勤气象站为国家基准气候站，地理坐标为 N 38 38，E 103 05，观测场海拔高度 1367m。大量实测资料的验证结果表明，长期地面总辐射与日照时间存在以下关系：()10bSaQQ+=式中：Q月太阳总辐射量；Q0月天文总辐射量；S1月日照时数百分率；a、b经验系数，取决于多种因素，如大气平均透明系数、透光云的透射系数、遮挡日面的相对持续时间15、日照计的灵敏度、各种云的散射能力及以上因素在不同气候区中的作用等。上式中的日照时数百分率是指日照时数和日天文可照时数的比值，显然，日照时数可以在很大程度上反映某地的太阳能资源情况。民勤 1980 年2009 年多年平均日照时数为 3140.44h，永昌 1980 年2009 年多年平均日照时数为 2997.07h；两地 1980 年2009 年年日照时数折线图如图 3.3 所示。3-6中电投武威 9MWp 并网光伏电站工程 可行性研究报告 1000150020002500300035004000198019821984198619881990199219941996199820002002216、00420062008年份（年）年日照时数（h）民勤永昌 图 3.3 民勤县和永昌县 1980 年2009 年年日照时数折线图 从图 3.3 可看出，两地的多年日照时数较为接近，除了在 1983 年1986 年和1992 年期间永昌县高于民勤市外，其余年份民勤市均高于永昌县，也就是说民勤市的太阳能资源条件优于永昌县。采用民勤气象站 1980 年2009 年的太阳辐射数据拟合得到的 a、b 值及其关系式，推算出永昌县 1980 年2009 年各月太阳辐射量数据，作为本阶段的太阳能资源分析依据。3.3 太阳能资源分析 3.3.1 太阳能资源年际变化分析（1）太阳辐射量年际变化分析 为了有效的判断多17、年太阳总辐射量的变化趋势，利于数据分析，根据推算的永昌县 1980 年2009 年逐年太阳辐射量做出该地区近 30 年太阳辐射量变化图，如图 3.4 所示。3-7 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院 540056005800600062006400198019821984198619881990199219941996199820002002200420062008年份（年）年太阳总辐射量（MJ/m2）图 3.4 永昌县 1980 年2009 年太阳总辐射量年际变化图 从图 3.4 可看出，近 30 年间永昌县太阳辐射量分布年际变化较大，但整体变化趋势基本保持一致，其数值区间在 5500MJ/18、m26300MJ/m2之间。30 年间的年平均太阳能辐射量为 6033.2 MJ/m2，最低值出现在 1981 年，为 5567.35MJ/m2，最高值出现在 1997 年，为 6271.2MJ/m2。近 10 年间的年平均太阳能辐射量为6052.6MJ/m2，最大值出现在 2004 年，为 6256.91MJ/m2；最小值出现在 2007 年，为 5792.01MJ/m2。（3）日照时数年际变化分析 永昌县 1980 年2009 年 30 年间的年日照时数变化如图 3.5：25002650280029503100325019801982198419861988199019921994199619、199820002002200420062008年份（年）年日照时数（h）图 3.5 永昌县 1980 年2009 年日照时数年际变化图 从图 3.5 可看出，近 30 年间永昌县日照时数年际变化与太阳辐射量年际变化 3-8中电投武威 9MWp 并网光伏电站工程 可行性研究报告 基本保持一致，其数值区间在 2600h3200h 之间。30 年间的年平均日照小时数为2997.1 h，最低值出现在 1981 年，为 2612.5h；最高值出现在 1986 年，为 3189.9h。近 10 年间的年平均日照小时数为 3012.3 h，最大值出现在 2004 年，为 3175.7h；最小值出现在 2020、07 年，为 2817.5h。（4）日照百分率年际变化分析 永昌县 1980 年2009 年 30 年间的年日照百分率变化如图 3.6：555963677175198019821984198619881990199219941996199820002002200420062008年份年平均日照百分率（）图 3.6 永昌县 1980 年2009 年日照百分率年际变化图 从图 3.6 可以看出，永昌县的日照百分率年际变化与日照时数年际变化基本一致，基本稳定在 60%73%。最大值出现在 1986 年，为 73%，最小值出现在 1981年，为 60%。对照永昌县太阳辐射量、日照时数和日照百分率的年际21、变化图可知，其变化规律基本一致。这符合大量的实际观测数据揭示的太阳辐射量和日照时数之间的关系，也符合气象学中对日照百分率的定义。可以认为推算的永昌县太阳辐射量的数据能够反映场址区的太阳能资源情况，以其作为本工程设计计算的基础数据是合理的。3.3.2 太阳能资源月际变化分析（1）太阳辐射量月际变化分析 根据推算的永昌县 1980 年2009 年太阳辐射资料做出近 30 年各月月平均太 3-9 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院 阳辐射量月际变化图，如图 3.7 所示。2003004005006007008001月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月月份月平均太阳辐射量（MJ/m2）22、图 3.7 永昌县 1980 年2009 年太阳总辐射量月际变化图 图 3.7 中可见，永昌县太阳辐射的月际变化较大，其数值在 290 MJ/m2700 MJ/m2之间，月总辐射从 2 月开始急剧增加，5 月达次高值，为 683.75 MJ/m2，6月和 7 月略有下降，8 月迅速下降，冬季 12 月达最小值，为 292.85MJ/m2。（2）日照时数月际变化分析 永昌县 1980 年2009 年 30 年间月平均日照时数变化如图 3.8：220230240250260270280 l月 2月3月4月5月6月7月8月9月10月 11月 12月月份月 平 均 日 照 时 数（h）图 3.8 永昌23、县 1980 年2009 年日照时数月际变化图 由图 3.8 可以看出，永昌县日照时数的月际变化较大，近 30 年间日照时数月际变化与太阳辐射量月际变化基本保持一致，2 月5 月逐月增加，5 月8 月处于全年日照时数最大区，5 月为 277.4h，是全年月日照时数最长的月份。6 月翌年 2 月日照时数开始逐月递减，其中 9 月和 2 月有突变。3-10中电投武威 9MWp 并网光伏电站工程 可行性研究报告（3）日照百分率月际变化分析 永昌县 1980 年2009 年 30 年 30 年间月平均日照百分率变化如图 3.9：556065707580851月2月3月4月5月6月7月8月9月10月1124、月12月月份月平均日照百分率（）图 3.9 永昌县 1980 年2009 年日照百分率月际变化图 从图 3.9 可以看出，永昌县冬季的日照百分率最高，春、夏季次之，秋季最低。对照太阳辐射量、日照时数和日照百分率的月际变化图可知，其变化规律基本一致。即永昌县太阳辐射量、日照时数和日照百分率的月际变化具有较好的一致性。3.3.3 工程代表年太阳辐射数据 由于太阳辐射量具有随机性，根据各年的太阳辐射数据来计算相关的工程设计参数其结果会有很大的误差。因此要从多年的气象数据中挑选出具有代表性的太阳辐射数据，建立工程代表年以充分反映长期的太阳辐射变化规律。工程代表年的确定是通过对已有太阳辐射观测资料的分析25、整理，根据一定的基准挑选出“标准月”组成。并以此对工程运行期间太阳辐射强度进行预测，其关系到对工程设计参数的选择、工程运行期发电量、工程运行效益的计算等是否准确可靠。根据永昌县的太阳辐射年际变化趋势，本工程采用 2000 年2009 年的太阳辐射资料作为本阶段研究和计算的依据，来进行工程代表年的太阳辐射数据（简称工程代表年）选择。根据统计学原理、建筑热环境模拟、建筑能源分析等研究成果，并结合本工程特点，选择出一组历年发生概率高、并对未来具有很好预测性的真实发生过的 3-11 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院 数据作为工程代表年。（1）工程代表年的选择 在自然现象和社会现象中，大量的随机变量都26、服从或近似服从正态分布，如测量误差、海洋波浪的高度、一个地区的太阳辐射情况等。因此，可采用统计学中的正态分布来研究太阳辐射资料。太阳辐射资料是一个连续型随机变量，具有概率密度，对统计推断问题而言，由于太阳辐射情况的总体分布未知，其概率密度也是未知的，为了预测今后几十年的太阳辐射情况，有必要对太阳辐射的总体分布情况进行研究。我们采用直方图近似拟合为正态分布曲线，以便直观了解太阳辐射情况的概率密度曲线的概括，从而找出高概率区间的高概率值，作为今后的预测值。a）1 月标准月太阳辐射量的确定 永昌县 1 月份的太阳辐射量拟合成正态分布曲线见图 3.10。由正态分布特征可知，概率密度最高点对应的值就是概27、率发生最高的值，且对于确定的，标准差越小，的概率密度越大，随机变量落在附近的概率越大，反之，标准差越大，的概率密度越小，随机变量落在附近的概率越小。由图 3.10 可以看出，太阳辐射量的高概率区间在 322 MJ/m2 324 MJ/m2之间，从近 10 年中选取该区间的值作为 1 月的标准月数值，即选取 2001 年 1 月的辐射量 323.21MJ/m2。0.0050.0150.0250.0350.0450.0550.065315317319321323325327329331太阳辐射量MJ/m2概率密度0.6倍1倍 图 3.10 永昌县 1 月份太阳辐射量拟合正态分布曲线 b）2 月1228、 月标准月太阳辐射量的确定 3-12中电投武威 9MWp 并网光伏电站工程 可行性研究报告 永昌县 2 月12 月份的太阳辐射量拟合正态分布曲线图见图 3.11。采用上述选取原则经比较分析，选取 2001 年 2 月 381.86MJ/m2作为 2 月份的标准月数值；2005 年 3 月 512.44MJ/m2作为 3 月份的标准月数值；2009 年 4 月 611.97MJ/m2作为4 月份的标准月数值；取 2005 年 5 月 687.34MJ/m2作为 5 月份的标准月数值；2002年 6 月 676.95 MJ/m2作为 6 月份的标准月数值；2007 年 7 月 670.7MJ/m229、作为 7 月份的标准月数值；2009 年 8 月 617.8 MJ/m2作为 8 月份的标准月数值；2006 年 9月 503.14MJ/m2作为 9 月份的标准月数值；2005 年 10 月 432.5 MJ/m2作为 10 月份的标准月数值；2002 年 11 月 344.66 MJ/m2作为 11 月份的标准月数值；2008 年 12月 292.09MJ/m2作为 12 月份的标准月数值。0.0050.0150.0250.0350.0450.0550.0650.0750.0853753773793813833853872月份太阳辐射量MJ/m2概率密度0.6倍1倍0.0050.0070.30、0090.0110.0130.0150.0170.0190.0210.0234884924965005045085125165205245285325363月份太阳辐射量MJ/m2概率密度0.6倍1倍0.0050.0070.0090.0110.0130.0150.0170.0190.0210.0230.0255895935976016056096136176216256296334月份太阳辐射量MJ/m2概率密度0.6倍1倍0.0050.0070.0090.0110.0130.0150.0176656696736776816856896936977017057095月份太阳辐射量MJ/m2概率31、密度0.6倍1倍0.0050.0060.0070.0080.0090.010.0110.0120.0130.0140.0156546586626666706746786826866906946986月份太阳辐射量MJ/m2概率密度0.6倍1倍0.0050.0070.0090.0110.0130.0150.0170.0196486526566606646686726766806846886927月份太阳辐射量MJ/m2概率密度0.6倍1倍 3-13 中国水电顾问集团西北勘测设计研究院 0.0050.0070.0090.0110.0130.0150.0170.019595599603607611632、156196236276316356398月份太阳辐射量MJ/m2概率密度0.6倍1倍 0.0050.0060.0070.0080.0090.010.0110.0124734774814854894934975015055095135175215255295339月份太阳辐射量MJ/m2概率密度0.6倍1倍 0.0050.0070.0090.0110.0130.0150.0170.0190.0210.02341041441842242643043443844244645045410月份太阳辐射量MJ/m2概率密度0.6倍1倍 0.0050.0150.0250.0350.0450.0550.0633、50.07533834034234434634835035211月份太阳辐射量MJ/m2概率密度0.6倍1倍 0.0050.0150.0250.0350.0450.0550.0650.07528428628829029229429629830012月份太阳辐射量MJ/m2概率密度0.6倍1倍 图 3.11 永昌县 212 月份太阳总辐射量拟合正态分布曲线 （2）工程代表年标准月数据 选出的工程代表年太阳辐射数据如表 3.2 所示。表 3.2 工程代表年标准月辐射量 月份 1 月 2 月 3 月 4 月 5 月 6 月 所在年 2001 2001 2005 2009 2005 2002 标准月辐34、射量（MJ/m2）323.21 381.86 512.44 611.97 687.34 676.95 标准月日照时数 235 234 252 267.1 278.1 262.9 月份 7 月 8 月 9 月 10 月 11 月 12 月 所在年 2007 2009 2006 2005 2002 2008 标准月辐射量（MJ/m2）670.7 617.8 503.14 432.5 344.66 292.09 标准月日照时数 261.2 253.8 237.1 244.3 250.1 233.4 3-14中电投武威 9MWp 并网光伏电站工程 可行性研究报告 由不同年份的标准月所组成的工程代表年年35、辐射总量为 6054.66 MJ/m2,年日照时数为 3009h。3.4 场址区太阳能资源评价 场址区的地理位置与永昌气象站非常接近，属同一气候环境区域。两地的太阳高度角、大气透明度、地理纬度、日照时数及海拔高度均很接近。因此，本工程场址与永昌气象站的太阳辐射情况相似，选择永昌气象站作为本工程太阳辐射研究的代表站是合理的。根据推算出的永昌气象站近 30 年的太阳辐射量、日照时数和日照百分率的数据分析可知，其变化规律基本一致。可以认为推算的永昌太阳辐射量的数据基本能够反映场址区的太阳能资源情况，以其作为本工程设计计算的基础数据是合理的。根据永昌太阳总辐射量的年际变化趋势可以看出，1980 年以来的近 30 年间太阳总辐射量年际变化相对稳定。为对未来一段时间具有可靠的预测性，本工程采用 2000 年2009 年近 10 年的太阳辐射资料作为本阶段研究和计算的依据，选出的本工程代表年（即年太阳辐射量为 6054.66MJ/，年日照小时数为 3009h）是合理、有效的。从太阳能资源利用角度来说，在拟建场址建设并网光伏电站是可行的。3-15