广东地区太阳能利用气象参数的现状探究

2017-11-07余国保珠海兴业绿色建筑科技有限公司广东珠海411100

绿色建筑 2017年1期

邓鑫，张鑫，姚莉，余国保，罗多（珠海兴业绿色建筑科技有限公司，广东珠海 411100）

广东地区太阳能利用气象参数的现状探究

Study on Application of Climate Parameters in Solar Project in Guangdong

邓鑫，张鑫，姚莉，余国保，罗多（珠海兴业绿色建筑科技有限公司，广东珠海 411100）

为提供广东地区太阳能利用实际工程应用中的气象参数，通过分析现有标准规范中光伏和光热系统设计要求及太阳能利用气象参数的现状，发现目前气象参数存在有效实测数据较少、现有气象数据库数据不一致、地方标准偏旧等问题。提出应综合实际工程应用特点，分析考证现有气象数据库并结合气象观测站实测数据，最终确定常用气象参数和完善气象数据库。

太阳能利用；光伏电站；太阳能热水系统；气象参数

随着相关利用技术的不断发展和完善，太阳能作为一种重要的可再生能源，在我国能源结构中所占比重逐年增加。目前，我国太阳能利用的产业类型主要有太阳能光热转化原理所形成的热利用产业(太阳能热发电及热水系统)和太阳能光电转换原理形成的光伏产业(太阳能光伏发电)两种。近年来，我国的太阳能光伏和光热利用保持持续增长的势头，据国家能源局网站公布的 2015 年光伏发电相关统计数据，截至 2015 年底，全国光伏发电装机容量达到 43.18 GW。其中广东省的分布式光伏发电装机容量 630 MW，属于分布式光伏发电装机容量较大的地区。

然而在太阳能光伏/光热利用迅猛发展的大背景下，存在着一些问题。其中之一便是设计的基础气象数据缺失，造成设计与实际存在较大的出入，有失科学性和准确性。相关研究表明，光伏电站所在区域的气候是正确进行发电量预测的关键因素[1]；太阳能热水系统的集热器安装需要当地倾斜面上的太阳辐射量[2]，但气象资料一般给出的是水平面上的太阳辐照量。目前国内太阳能利用系统设计中，气象参数一般来源于中国气象局和美国国家航空航天局地面辐射数据库。受太阳辐射观测台站数量的限制，截至 1996 年，我国大部分气象观测台站都没有太阳辐射观测值[3]。据设计人员介绍，在我国南方地区，NASA 的数据和一般地面气象站的数据差距较大[4]。为准确预测太阳能利用系统的性能及优化结构设计，李芬等人对国内外太阳能资源气象服务的现状进行了研究[5]；王华军开发了以 193 个观测站为基础的太阳能气象参数数据库查询系统[6]；上海电力学院太阳能研究所编制了 3 套计算软件实现光伏系统的优化设计[7]。考虑到广东地区太阳能资源较为丰富、分布广泛，为合理配置广东地区太阳能资源，保证光伏电站(或太阳能热水系统)的正常运行，有必要对太阳能利用气象参数进行研究。综合实际工程应用特点，分析考证现有气象数据库并结合气象观测站实测数据，最终确定常用气象参数和完善气象数据库，进而提高太阳能利用设计的科学性，增加经济效益和社会效益。

1 太阳能利用气象参数中气象要素的确定

1.1 标准规范规定

目前执行中的光伏发电系统和太阳能热水系统相关标准规程的条文均提出，工程所在地太阳能利用系统的设计、规划，需要结合当地太阳能资源和气候条件进行；并对太阳能资源的评估和分析方法进行了规定。

其中，主要涉及标准及条文如下：GB 50797—2012《光伏电站设计规范》[8]“第 5 章太阳能资源分析”对光伏电站设计站址选择、参考气象站基本条件和数据采集、太阳辐射现场观测站基本要求、太阳辐射观测数据验证与分析等进行了规定。

JGJ 203—2010《民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范》[9]“第 4 章规划、建筑和建筑设计”4.1.1 条、4.2.1 条、4.3.2 条对光伏系统的选型、光伏系统建筑群体的规划和建筑朝向的选择、光伏组件总面积的确定需结合当地太阳能资源气候条件等因素进行了规定。

GB 50364—2005《民用建筑太阳能热水系统应用技术规范》[10]“第 3 章基本规定”3.0.1 条、3.0.2 条、3.0.3 条，“第 4 章太阳能热水系统设计”条文 4.1.2、4.4.2，“第 5 章规划和建筑设计”条文 5.1.2 条、5.3.2条对太阳能热水系统的设计和类型选择、太阳能集热器总面积的确定需结合当地太阳能资源气候条件等因素进行了规定。

QX/T 89—2008《太阳能资源评估方法》[11]对任一时段内(年、月、日)水平面太阳总辐射量计算方法进行了规定。

1.2 设计运行维护要求

1.2.1 设计要求

随着太阳能利用技术的日臻成熟，设计人员对气象数据的要求也越来越高。以光伏发电系统为例，立项初期需通过水平面总辐射、水平面直接辐射和水平面散射辐射等气象数据对项目发电量进行估算。但在实际工程中，为了得到更多的发电量及电池组件自清洁的需要，固定安装的方阵通常是倾斜的；倾斜面上的太阳能辐射量需要计算。光伏电站全年发电量受到不同气候条件、太阳辐照数据、光伏发电电池板与地面角度等因素的综合影响，因此在设计过程中，全年如何得到最大发电量是太阳能光伏电站设计的关键[12]。

对于太阳能热水系统，广东地区夏季对热水需求量较低，而在冬季需求量较高，太阳能集热器的安装倾角应该综合全年考虑。具体的安装倾角，需要根据热水用水负荷及各倾角太阳能的辐照度进行能量平衡计算。

1.2.2 运行维护要求

近来年，随着光伏发电技术进步和成本下降，大规模的光伏发电系统已经在国内外大量建成。根据《广东省太阳能光伏发电发展规划(2014～2020 年)》，2014 年广东省在建的兆瓦级以上的光伏电站有 6 个，总装机容量达370 MW[13]。由于光伏发电系统的发电量变化是一个非平稳的随机过程，对电网存在一定的冲击性，需要开展辐射及光伏发电功率的预报。此外，利用辐射变化的周期性，光伏发电系统在夏季负荷高峰期为电网发挥削峰填谷的作用，优化新能源与传统能源之间的配合，提高电网运行的安全性和经济性。综上所述，为满足标准规范及设计运行维护中的要求，需要建立太阳的总辐射量、直射辐射量、散射辐射量及各个倾斜面的辐照量等辐射参数与其他基本气象参数(如气温、湿度、风速、风向)的完整的气象数据库。

2 太阳能利用气象参数现状

为了发挥太阳能资源利用的最大化效益，需要对太阳能资源观测的情况进行细致的分析，并对不同的气象数据库进行仔细的对比。

2.1 太阳能资源观测现状

目前中国有 98 个气象台站监测总辐射量数据，17 个一级观测台站拥有直接辐射数据，广东省有一级站广州和二级站汕头两个站点[1]。中国气象局有两套太阳能辐射数据，核心是全国 98 个基站的观测数据。其中一套来自气象卫星数据，通过官方理论模型，考虑到经纬度、海拔等一系列参数计算出来，然后再对比 98 个基站的真实数据进行校对而得出；另一套数据为全国 2 000 多个气象站点的日照时数等数据和 98 个气象台数据的综合结果。可以看出，我国对太阳能辐射数据的收集尚不细致、不全面，且大部分数据的记录时间间隔为 3 h，有很多缺失数据都是采用数学插补法来获得。

美国国家航空航天局(NASA)的地面辐射数据库[14]是根据卫星观测的大气层顶的辐射、云层分布图、臭氧层分布图、悬浮颗粒物分布等数据，通过复杂的建模和运算得到全球地表水平面总辐射数据，然后根据相关公式由水平面的总辐射推算出水平面的散射辐射和法向直接辐射数据。NASA向全世界免费提供由地面估算的地面辐射数据，通过网站http://eosweb.larc.nasa.gov/see/查询地球上任意一点 22年(1983 年 7 月～2005 年 6 月)年月日水平面总辐射、散射辐射和法向直接辐射数据。但是，在我国南方地区，特别是长江以南的地域，由于水网纵横密布造成水汽蒸发，会在对流层形成比较厚的云层；且由于卫星受到云层、空气悬浮物、大型水体影响的因素影响，NASA 的数据和一般地面气象站的数据就会有较大的差距。

此外，商业收费软件 METEONORM 的数据来源于全球能量平衡档案馆(Global Energy Balance Archive)、世界气象组织(WMO/OMM)和瑞士气象局等权威机构，包含有全球 7 750 个气象站的辐射数据。我国 98 个气象辐射观测站被该软件的数据库收录。通过该软件的不同版本，可查到不同年限气象辐射观测站数据，如通过 6.0 版本可以查询到收录的气象辐射观测站 1981～2000 年多年平均各月的辐射量；通过 7.0 版本可查询其 1990～2005 年多年平均各月的辐射量。此外，该软件能提供无气象辐射观测资料的任意地点的多年平均各月的辐射量；数据由插值计算等方法获得[15]。相关人员通过对比国内部分城市气象站及METEONORM 软件中的数据，也可能存在或大或小的差距，因此对于太阳能资源条件一般的地区更要合理选择气象数据。

2.2 气象参数现状

2.2.1 数据库分析

我国地面辐射观测站点较少，从而导致我国太阳能辐照的实测数据极少，国内正式标准中含有完整的太阳辐照数据值较少。

JGJ/T 346—2014《建筑节能气象参数标准》中“附录 D 全国主要城镇典型气象(TMY)参数”提供了水平面太阳总辐射照度、法向太阳直射辐射照度，数据源为中国气象局 686 个基本、基准地面观测站 1987～2004 年之间的观测数据。在提供的 450 个站点数据中，有 7～10 年原始观测数据的台站数 68 个，有 10 年以上原始观测数据的台站数为 382 个；数据由实际观测值或太阳辐射模型计算得到。该数据主要是计算采暖期太阳辐射照度，用于建筑能耗的分析；数据值采用逐时观测值或逐时太阳辐射模型计算，其中观测值采用日总值。

在 GB 50736 —2012《民用建筑供暖通风与空气调节设计规范》[16]的“附录 A 室外空气计算参数”中，提供了我国 294 个台站的室外空气计算参数，包括室外计算温度和湿度、风速、大气压力、极端最高气温和极端最低气温等参数；基础数据的统计年限 1971 年 1 月 1 日至 2000 年12 月 31 日，但是缺乏辐照度的数据。在此标准的“附录C 夏季太阳总辐射照度”和“附录 D 夏季透过标准窗玻璃的太阳辐射温度”中，对北纬 20°～50° 范围内每隔 5°共计 7 个纬度，6 种大气透明度等级不同朝向的太阳总辐射照度、直接辐射、散射辐射进行了统计。附录 D 这种根据当地的地理纬度和计算大气透明度等级确定太阳辐射照度值的方法，为空气调节负荷计算方法的应用和研究提供了条件，但是用于对太阳能光伏/光热利用的分析、方案设计远远不够。

《建筑用标准气象数据手册》[17]中提供了标准年气象数据集、标准日气象数据和不保证率气象数据，包含 360 个站点在实测数据基础上处理得到的 8 760 h 的气象数据，统计年限为 1995～2005 年；所提供的辐照数据全部通过建立模型来推测。该文献采用的基础数据为国际地面气象观测数据库(不含太阳辐射数据)和我国的太阳辐射数据库(24 个省会城市每时水平面总辐射，部分城市的直射和散射)。

《中国建筑热环境分析专用气象数据集》[18]是以中国气象局气象信息中心气象资料室收集的全国 270 个地面气象台站 1971～2003 年的实测气象数据为基础，通过分析、整理、补充源数据以及合理的插值计算，获得了全国 270个台站的建筑热环境分析专用气象数据集。其中包括 134个国家基准气候站，136 个国家基本气象站；且在 270 个气象站点中，只有 93 个站点进行了辐射数据观测。数据集提供的辐照数据是以观测站提供的观测值为基础，结合其他的气象数据(如温度、湿度、风向、云量等)通过建立太阳辐射量的模型计算得到的。

06SS128《太阳能集中热水系统选用与安装》[19]中“附录 1 主要城市各月设计用气象参数”提供了水平面月平均日太阳总辐照量、倾斜表面月平均日太阳总辐照量、月日照小时数。各数据值根据国家气象中心气象信息中心气象资料室提供的资料整理。

《太阳能供热采暖应用技术手册》[20]中“附录 1 我国主要城市年平均和 12 月份设计月气象参数”中包含了水平面年辐照量、当地纬度倾角平面年辐照量、水平面 12 月辐照量、当地纬度倾角 12 月辐照量等值。数据用于太阳能热水和供暖系统负荷计算中。

2.2.2 有效实测数据少

针对以上含太阳能利用气象参数要素的标准及相关资料，对其中包含广东省站点的数量进行统计，具体见表1。由表1 中可以看出，在具有逐时太阳辐照数据的资料中，含有广东省各城市气象参数的较少，广东省具有国家基准气候站 6 个、国家基本气象站 31 个，提供最多辐照数据的《建筑节能气象参数标准》也只提供了 15 个城市。

表1 辐射数据资料中广东省站点数

2.2.3 数据不一致

对资料中涉及广东省广州、汕头、韶关 3 个站点的全年水平面太阳能总辐射量 H 进行对比，3 个城市全年总辐射量见表2，辐射量对比见图1。

表2 全年水平面太阳能总辐射量H MJ/m2

图1 不同资料中全年水平面太阳能总辐射量对比

从图1 中可以看出，广州、韶关两地国内资料提供辐射量《建筑节能气象参数标准》偏高，其他大致相同；汕头地区辐射量均有较大差异，《建筑用标准气象数据手册》中最大；NASA 提供辐射量均比国内数据大。

2.2.4 标准偏旧

目前广东省地方性的建筑气象标准仅有 DBJ 15-1—1990《广东省建筑气象参数标准》。该标准辐照数据不足以用于太阳能光伏/光热系统的设计，而且该标准气象数据记录年代为 1951～1980 年，长期气象监测表明，近 10年全球气温变化明显，我国很多城市的气候与 30 年前相比有一定的变化，在目前气候条件下应用会出现差异。

针对目前正式实测数据少、数据不一致、地方标准偏旧等问题，需要对广东地区太阳能利用气象参数进行补充、完善和更新。

3 研究建议

结合广东地区太阳能资源和太阳能利用的实际情况，应科学合理地实现太阳能系统的优化设计，避免繁复复杂的数学计算。笔者针对该地区太阳能利用气象参数的研究，提出以下一些建议。

(1) 确定气象参数。通过调研实际工程设计、施工和运营情况以及现行标准规范中的规定，确定太阳能利用的气象参数要素(如太阳总辐射量、直射辐射量、散射辐射量、最大辐照度、气温、湿度、风速、风向等)及各参数要求(如不保证小时数)。

(2) 甄选和完善气象数据库。广东省下辖 21 个省辖市、119 个县级行政区，但目前气象数据库和气象观测站的实测数据值存在某些地区累年气象数据不全或无法获取的问题。通过分析处理填补无效或缺测的数据，形成完整的长序列观测数据，进行数据库的完善。在统计中应注意，累年值的原始数据一般不能少于 10 年，且当目的地点无气象台站时可引用水平距离 50 km 以内、海拔高差在 100 m 以内的站点数据。

(3) 整理广东地区太阳能利用气象参数。在完善气象数据库的基础上，以数据集、指南或者标准(草案)的形式，提供覆盖广东地区的太阳能利用气象参数，解决目前气象参数选用混乱、一些地区无确定气象参数的情况。

4 结语

广东省太阳能资源在我国属较丰富地区，年辐照时数约2 200 h，年辐射总量 4 200～5 800 MJ/m2，年太阳辐射量相当于达约 300 亿 t 标准煤。为合理利用广东各地区的太阳能资源，应对太阳能利用气象参数进行明确和细致的分析。然而，目前 21 个省辖市、119 个县级行政区可查的可靠数据较少，因此需要确定和完善各地气象参数。另外，通过分析现有标准规范中光伏/光热系统设计要求及太阳能利用的气象参数现状，发现目前气象参数存在有效实测数据较少、现有气象数据库数据不一致、地方标准偏旧等问题。针对上述问题，提出应综合实际工程应用特点，分析考证现有气象数据库并结合气象观测站的实测数据，并以此确定常用气象参数及完善气象数据库。

[1] 蒋华庆,贺广零,兰云鹏.光伏电站设计技术[M].北京:中国电力出版社,2013:79-80.

[2] 许鹏鹏.广州地区太阳能/空气源热泵热水系统性能研究[D].广州:广州大学,2014.

[3] 建筑节能气象参数标准:JGJ/T 346—2014[S].

[4] 焦姣. 光伏电站收益测算不能全凭NASA数据[EB/OL].http://www.

aiweibang.com/yuedu/21057848.html.

[5] 李芬,陈正洪,段善旭,等.太阳能资源开发利用及气象服务研究进展[J].太阳能,2014 (3): 20-25.

[6] 王华军.太阳能气象数据库查询系统[J].太阳能,2004 (2): 18-20.

[7] 杨金焕,于化丛,葛亮.太阳能光伏发电应用技术[M].北京:电子工业出版社,2009:228-232.

[8] GB 50797—2012:光伏电站设计规范[S].

[9] JGJ 203—2010 民用建筑太阳能光伏系统应用技术规范[S].

[10] GB 50364—2005 民用建筑太阳能热水系统应用技术规范[S].

[11] QX/T 89—2008 太阳能资源评估方法[S].