格尔木光伏电站周边区域太阳辐射特征分析

郭晓宁，保广裕，郑玲，李海凤，马生玉，石秀云

（1.青海省格尔木市气象局，青海格尔木 816000；2.青海省气象服务中心，青海西宁 810001）

格尔木光伏电站周边区域太阳辐射特征分析

郭晓宁1，保广裕2，郑玲1，李海凤1，马生玉1，石秀云1

（1.青海省格尔木市气象局，青海格尔木 816000；2.青海省气象服务中心，青海西宁 810001）

利用青海格尔木光伏电站地区周边7个气象站1961—2010年常规和辐射气象资料，通过统计分析和方法，对格尔木光伏电站周边区域的年、月、日、候太阳辐射特征进行了时空分布分析，结果表明：格尔木及其周边区域太阳辐射资源较丰富，月总辐射为双峰型，从3月开始急剧增加，5月达峰值，6月略有下降后，7月又回升达次高值，9月迅速下降，冬季12、1月达最小值。近5年月辐射由双峰型变为单峰型。格尔木日照时数最长的是5月、6月和7月，候最大辐射量出现在第30候（5月26—31日），最小为第12候（2月26—28/29日）。从整体来看，格尔木候辐射为先上升，后下降的趋势（6～30候为上升，31～68候为下降）。

太阳辐射；光伏电站；格尔木

格尔木位于青海省西部，柴达木盆地南缘，空气稀薄，干燥少雨，日照时间长，太阳辐射资源十分丰富，在全国属高值区[1]。格尔木光伏电站于2011年建成太阳能并网发电，装机规模573mW，2012年新开工建设太阳能并网光伏发电装机规模530mW。规划建设东出口、南出口、格尔木河西岸、小灶火和乌图美仁5个光伏发电园区，总规划用地面积721 km2、总规划装机容量7 210mW。光伏电站的发电量受太阳辐射强度变化而起伏不定，它受云量、大气透明度等气象因素的影响变化幅度明显[2]，当光伏电站发电量在整个电网流动中占有一定的比重后如何最大限度发挥光伏电站的效益，并且保证供电网安全、平衡成为电力调度部门高度关注的问题。光伏电与水电、火电相比它的可控性差，为了保持供电网的安全与平衡，作为电力部门、光伏企业必须掌握光伏电站地区的太阳辐射强度逐日逐时变化状况，针对光伏发电量多与少，调剂水电、火电发电量来保证电量供给和传输电网安全。光伏电站发电量的多少直接与本地太阳辐射强度、时间密切相关。国内学者做了很多关于太阳辐射特征、太阳辐射预报等方面的研究[3-19]，但格尔木光伏电站地区辐射强度方面的研究较少，研究光伏电站地区的太阳辐射强度变化，分析和掌握变化规律及影响的因素，了解光伏电站地区辐射强度特征，有助于光伏企业和相关决策部门掌握该地区太阳辐射规律，实现对太阳能资源充分利用，对满足格尔木电力服务需求，提高专业气象服务水平，进一步拓展专业气象服务领域，提高专业气象服务经济效益，加强气象与电力部门的合作起到积极的推动作用。

1 资料和方法

1.1 所用资料

青海现有太阳辐射观测项目的站是西宁、格尔木、刚察、玛沁、玉树。其中格尔木属一级站，观测项目有太阳总辐射、净辐射、直接辐射、反射辐射、散射辐射；西宁属二级站，观测项目有太阳总辐射、净辐射；刚察、玛沁、玉树属三级站，观测项目有太阳总辐射。本研究选取格尔木、西宁、刚察的多年辐射资料以及1961年1月—2010年12月格尔木及其周边的小灶火、诺木洪和都兰等4个气象站的日照、地面温度等气象资料。

1.2 资料处理和方法

为了研究方便选取西宁、刚察的辐射进行对比分析。应用刚察的日照时数、地面最高温度建立刚察月总辐射量计算方程，用该方程计算了2005年1月—2009年12月诺木洪、都兰、小灶火地区1—12月日太阳总辐射量进行对比分析。

1.3 太阳辐射推算模型的建立

应用刚察的日照时数、地面最高温度建立刚察月总辐射量计算方程（表1），并将格尔木、刚察2005年1月—2009年12月逐日日照时数、地面最高温度代入计算得到的日辐射量与实际观测值对比，计算得到的日辐射量与实况误差很小，通过验证，该方法可靠，用该方法计算2005年1月—2009年12月诺木洪、都兰、小灶火地区1—12月日太阳总辐射量进行分析。并对格尔木、诺木洪、都兰、小灶火1—12月对应不同天空状况行详细分类统计分析。表1中S为日照时数，Dm为地面最高温度。

表1 计算太阳日辐射量的公式[19]

2 辐射强度分布特征

2.1 年太阳总幅射量的空间分布

根据表1中的方程可推算出无辐射观测台站的各月总辐射量，最后统计出格尔木光伏电站地区所在整个柴达木盆地各地年平均总辐射量。图1是由此方法推算的整个盆地1971—2010年40a年平均太阳总辐射量的空间分布图。

图1 柴达木盆地年太阳总辐射量的空间分布

由图可以看出，柴达木盆地太阳总辐射年总量在6 600～7 200mJ/m2之间，明显高于我国东部同纬度地区，按照总辐射量的全国太阳能资源分区标准为太阳能资源丰富区。空间分布由西向东逐渐递减，高值区在茫崖、冷湖等地，低值区在盆地东北部的天峻。柴达木盆地普遍超过6 800mJ/m2，其冷湖最高达7 117.2mJ/m2。柴达木盆地晴天日数多，利用佳期长（一年中日平均气温稳定通过0 C°的天数），按照每日日照百分率大于60%为晴天标准，平均年晴天日数在280 d以上，冷湖高达311 d；最长连续阴天只有3～5 d。年日照时数在3 000～3 392.4 h，其中冷湖多达3 392.4 h，4—8月日平均日照时数可达9.1～10.8 h，每日平均日照时数为8.7 h。柴达木盆地是青海省年日照百分率最大的地区，除德令哈、乌兰日照百分率小于70%外，其余地区均在70%以上，冷湖最高达78%。格尔木及其周边的小灶火、诺木洪等地太阳辐射量也在6 900～7 000mJ/m2之间，太阳辐射资源较丰富。

2.2 月太阳总幅射量的季节变化

图2为格尔木、西宁和刚察3站各月太阳总幅射量的变化曲线图。太阳月总辐射除西宁为单峰型、6月最丰富外，格尔木和刚察地区均为双峰型。月总辐射从3月开始急剧增加，5月达峰值，6月略有下降后，7月又回升达次高值，9月迅速下降，冬季12、1月达最小值。格尔木5—7月、刚察5月实测总辐射均在700mJ/m2以上，格尔木5月为793.9mJ/m2，是月总辐射最多的地区，是12、1月的2倍多。

从季节变化来看，春季比秋季多，主要由于春季3月以后太阳直射北半球，白昼时间长，秋季9月后直射南半球，昼短夜长，加之秋雨较多所致。月总辐射主要集中在4—8月，占年总辐射的60%以上。总之，太阳能总辐射资源年变化西宁为单峰型，格尔木、刚察均为双峰型，4—8月最丰富，尤其是5月，总辐射为全年最高；冬季由于太阳直射南半球，夜长昼短，总辐射全年最低。

图2 格尔木太阳总辐射的季节变化图

近5a（2005年1月—2009年12月）格尔木为单峰型、5月最丰富，4月和6月次之。月总辐射从3月开始急剧增加，5月达峰值，7月开始下降，9月迅速下降，冬季12、1月达最小值。5—7月太阳总辐射诺木洪和都兰接近，分别为76.4mJ/m2和76.2mJ/m2，近5a月总辐射主要集中在4—8月，而格尔木近5a的变化与39a月总辐射的变化最为明显，由双峰型变为单峰型。另外，格尔木6月辐射量减少，也可能和本世纪柴达木盆地气候暖湿化特征变化更加明显[20]，格尔木光伏电站地区日总云量增加，晴空集中于每年4—8月，继而影响辐射变化有关。

2.3 太阳总幅射量的月变化特征

根据格尔木2005年1月—2009年12月的逐日逐时辐射资料分析，日照时数最长的是5月、6月和7月，日辐射时间分别达到15 h，但07时和21时的辐射量非常小；日辐射持续最短的是1月和12月，分别为11 h和10 h。各月日照时数如下：1月辐射出现10—20时；2月辐射出现09—20时；3月辐射出现09—21时；4月辐射出现08—21时；5月辐射出现07—21时；6月辐射出现07—21时；7月辐射出现07—21时；8月辐射出现08—21时；9月辐射出现08—21时；10月辐射出现09—20时；11月辐射出现09—19时；12月辐射出现10—19时。

图3 格尔木1月和7月太阳总辐射的日变化图

图4 诺木洪1月和7月太阳总辐射的日变化图

图5 小灶火1月和7月太阳总辐射的日变化图

另外，取20个晴天、多云和阴天个例对格尔木、诺木洪、小灶火地区1月和7月辐射资料进行平均后分析（图3～图5），其余月份晴天、多云和阴天情况下变化趋势非常相似，这里以1、7月为例进行说明。由图看出，在晴天条件下，7月自太阳升起辐射逐步增加，逐时增量随太阳高度角的增加而减小，至15时辐射量达到全天最大值。此后，辐射逐渐减少，减少量随太阳高度角的变小而增加。1月份辐射的日变化形式与7月相同，只是日出时间比7月延迟，而日落提前到来，因此辐射时数相应比7月缩短5 h。此外逐时辐射比7月均小，但最大值仍出现在15时。由图还可以看出，在多云和阴天条件下，无论是7月还是1月，其日变化与晴天很相似，全天最大值仍出现在15时。此外，由于云层对总辐射的影响，阴天1、7月各时的辐射均少于晴天辐射。

由表2格尔木各月各时次辐射变化可以看出：逐小时平均辐射≥2.0mJ/m2且逐小时最大辐射≥3.0mJ/m2的时间3月出现在13—16时；4月出现在12—17时；5月出现在11—17时；6月、7月和8月均出现在12—17时；9月出现在13—16时；10月出现在13—15时；逐小时平均辐射极值为3.24mJ/m2，出现在5月14时，最大辐射极值为4.05mJ/m2，分别出现在5月14时和6月15时，1月、2月11月和12月均未出现过逐小时平均辐射≥2.0mJ/m2且逐小时最大辐射≥3.0mJ/m2的情况，说明格尔木一年中日辐射主要集中在3—10月的11—17时。

2.4 候分布特征

为进一步了解辐射分布特征，对格尔木1990—2009年候太阳辐射资料做进一步分析。首先分季节对格尔木各候辐射的变化规律进行分析。由图6可以看出，格尔木候最大辐射量出现在第30候（5月26—31日），其次为第42候（7月26—31日）和第48候（8月26—31日）；最小为第12候（2月26—28/29日）。但第12候（2月第6候）、第18候（3月第6候）、第30候（3月第6候）、第42候（7月第6候）、第48候（8月第6候）、第60候（10月第6候）都是由于大小月之分导致候内天数不同而产生的奇异点，除去这些奇异点，变化曲线呈“弓”形分布，中间高，两头低。从整体的变化曲线图看，格尔木候辐射为先上升，后下降的趋势（6—30候为上升，31—68候下降）。

格尔木近20a中72候的太阳辐射平均值为96.363mJ/m2，图7是根据各候与其平均值间的变化量做出的距平百分率，距平最大的为第30候（5月第6候）其次为第42候（7月第6候），距平最小的是第57候（10月第3候），其次是第17、53、54、55候，均接近平均状态。从第17候开始至第53候辐射量距平都为正，即说明从3月的第5候开始至9月的第5候候太阳辐射量超过平均（＞96.363mJ/m2）状态，一年当中辐射量较集中的时段也就出现在3月底至9月低，而在其余的月份中，其辐射量均低于平均状态，最低的出现在第69候（12月第3侯），其次是1月的第1侯。

表2 格尔木各月各时次辐射值变化表（单位:MJ/m2）

图6 格尔木太阳总辐射候变化分布图

图7 格尔木候太阳辐射距平百分率

图8为格尔木20a 72候中逐候间的变化幅度图，可以看出，在71个逐候变化值中，只有15个候变化幅度超过10mJ/m2的，仅占21.13%，但候变化幅度在±5mJ/m2之间的有39候，占54.93%。说明逐候间的变化幅度大部在±5mJ/m2之间，其中21—27候（即4月11日—5月15日）和63—71候（即11月11日—12月25日）之间的变化幅度较小。变化幅度最大的是12候与13候之间，相差32.58mJ/m2，变化幅度最小的是第8候与第9候之间，变化量仅为0.13mJ/m2，此外变化幅度小于0.2的还有22与23候（即4月21—30日）、50与51候（即9月6—15日）。

3 结论

（1）柴达木盆地是我国太阳能资源丰富区，太阳总辐射年总量普遍超过6 800mJ/m2，冷湖地区最高达7 117.2mJ/m2。柴达木盆地晴天日数多，利用佳期长。格尔木及其周边的小灶火、诺木洪等地太阳辐射量也在6 900～7 000mJ/m2之间，太阳辐射资源较丰富。

（2）格尔木总辐射季节变化呈双峰型，从3月开始急剧增加，5月达峰值，6月略有下降后，7月又回升达次高值，9月迅速下降，冬季12、1月达最小值。格尔木5—7月月总辐射均在700mJ/m2以上，5月为793.9mJ/m2，是月总辐射最多的地区。冬季由于太阳直射南半球，夜长昼短，总辐射全年最低。

（3）格尔木日照时数最长的是5月、6月和7月，日辐射时间分别达到15 h，但早晨7时和21时的辐射量非常小；日辐射持续最短的是1月和12月，日辐射时间分别为11 h和10 h。

（4）格尔木候最大辐射量出现在第30候（5月26—31日），最小为第12候（2月26—28/29日）。从整体来看，格尔木候辐射为先上升，后下降的趋势（6—30候为上升，31—68候下降）

（5）基于本研究结果的光伏电站气象服务系统已在格尔木某光伏电站进行了试运行，运行效果良好。本研究中关于格尔木光伏电站地区辐射特征的结论，对格尔木在建和已建的光伏电站均具有参考意义。

（6）格尔木光伏电站周边区域近5a月总辐射的年变化由双峰型变为单峰型，这可能和本世纪柴达木盆地气候暖湿化特征变化更加明显,总云量增加，晴空集中于每年4—8月，继而影响辐射变化有关。年分布特征变化对太阳能利用无明显影响。

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Analysis on the Characteristics of Solar Radiation of the Photovoltaic Power Stationarea in Golmud

GUO Xiaoning1，BAO Guangyu2，ZHENG Ling1，LI Haifeng1，MA Shengyu1，SHI Xiuyun1
（1.Meteorological Obervatory of Golmud，Golmud 816000，China；2.Themeteorological Service Center of Qinghai Province，Xining 810001，China）

Using the principle statisticalanalysis based on themeteorological data in 1961-2010 in the photovoltaic power stationarea in Golmud,in the paper the year,month,day,pentad solar radiation characteristicsare studied.The results showedas follows.The solar radiation resourcesareabundant over the Golmudarea.In Golmud themonthly total radiation has bimodal patternand increased rapidly from the beginning ofmarch peaking inmay,then declined slightly in June,rose to high value in Julyand decreased rapidly in September until reached the lowest in Decemberand January.But in the recent 5 years it becomesa single peak pattern.In Golmud,the daily solar radiation duration is the longest inmay,Juneand July.Themaximumamount of pentad solar radiationappears in the thirtieth pentad（May 26th-31st）and theminimumappears in the twelfth（February 26th-28/29th）.On the whole,the pentad solar radiation increased firstly during the 6th -30th pentadand then decreased during the 31st-68th pentad in Golmud.

solar radiation；photovoltaic power station；Golmud

P422.1

B

1002-0799（2014）06-0047-06

10.3969/j.issn.1002-0799.2014.06.008

2014-02-23；

2014-06-05

青海省气象局科研项目（201237）资助。

郭晓宁（1982-），男，工程师，现从事天气气候及气象科技服务工作。E-mail：xnkwok@163.com

郭晓宁，保广裕，郑玲，等.格尔木光伏电站周边区域太阳辐射特征分析[J].沙漠与绿洲气象，2014，8（6）：47-52.