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05太阳能资源
第五章太阳能资源
云南省太阳能资源总述
云南地处低纬高原，北回归线贯穿于省内南部，各地海拔相对较高，加之所处地理位置的特殊性，使得全年可接受的太阳辐射能比较充裕，全年太阳高度角变化幅度不大，冬夏半年太阳可照时数差别较小，一年中太阳辐射能量差异不大，季节分配比较均匀，四季温暖，年气温差较小。
云南全省国土均位于北纬30°以南的区域，许多地区海拔都在2000m左右，分属热带山原或低纬高原。
境内大部分地区地势较高，山地、高原占全省总面积的94%，地表上空大气层厚度较薄，空气密度小而大气透明度高，太阳辐射获取量比平原地区多。
云南的太阳能资源仅次于西藏、青海等省区，是中国最丰富的省份之一。
云南北部的金沙江河谷地区干旱少雨，日照充足，是云南省内太阳总辐射量最多的地区。
云南日照时数分布
日照是指太阳在一地实际照射的时数。
在给定时间，日照时数定义为太阳直接辐射达到或超过120W/m2的时段总和。
在空旷的水平地面上，日照时数受大气浑浊度、云雾的光学厚度、季节的变化等因素影响。
一地的日照时间一般冬短夏长，夏季高纬地区长于低纬地区，冬季低纬地区长于高纬地区。
（1）空间分布
云南地区年理论可照时数约4400hr，南北纬度差造成的差异仅6hr左右。
由于各地地形复杂，天气气候各异，造成各地实际日照时数相差十分悬殊。
在地形起伏的地理条件下，局部地区的实际日照时数还将受到此地坡度、坡向、周围地形遮挡等三个因素的影响。
云南省各地（实际）年日照时数的分布情况见图5.1。
图5.1云南省年日照时数分布图（单位：
0.1hr）
（2）时间分布
由于低纬高原多数地区无明显的四季之分，只有干季、雨季之别，故干季和雨季的日照时数有较大差异。
干季晴天多，雨日、云天少，日照充足，多数地区风高物燥，不仅降雨日数少，云量也十分稀少，日照时间长，光照强度大。
雨季的降雨日数多，云层较多，各地日照时数一般比干季少。
根据全省126个气象站多年逐月平均日照时数分析显示，云南省月平均日照时数时间分布的特征是：
干季日照时数（11月～5月中旬）要明显大于雨季（5月下旬～10月），省内大多数地方本地全年月最高日照时数一般出现在3月，最低日照时数一般出现在7、9月份。
云南日照百分率分布
日照百分率表征日照时数和可照时数之间的比值，日照百分率可以衡量一个地区在一段时间内太阳照射的条件。
（1）空间分布
云南省大部分地区的年日照百分率在46%～54%之间。
年日照百分率最大的地方在永仁县，为61%；最小的地方在盐津县，为20%。
云南省各地年平均日照百分率分布图如图5.2所示。
图5.2云南省年平均日照百分率分布（单位：
%）
（2）时间分布
与全年月最高日照时数的规律相似，全省大多数地方本地全年月最高日照百分率一般出现在干季的1、2月份，全年月最低日照百分率一般出现在7月份。
省内月平均日照百分率峰值为60%，出现在1～3月；低值为30%，出现在7月；冬半年与夏半年日照百分率差异显著。
云南省太阳总辐射的变化规律
分析一地太阳能资源状况，是由此地的太阳总辐射量来表征的。
太阳总辐射量的变化，受太阳高度角和环流季节变化制约。
云南地处低纬度高原，海拔高度大多在1000m以上，大气透明度好，干季晴朗少云，空气十分干燥，日照时数多。
雨季多以过程性降水为主，长时间连绵阴雨少，夜雨多，全省大部分地区到达地面的太阳辐射强度大。
云南太阳总辐射量的地区分布受天气气候影响很大，不同于太阳辐射随纬度增加而降低，随高度增加而增大的一般规律。
（1）空间分布
从地区分布看，一般纬度低的区域冬夏半年太阳高度角都大，太阳辐射总量较纬度高的地方多，使得在全省范围内，太阳辐射总的分布趋势是南多北少。
但太阳辐射分布并不完全符合南多北少这一规律，也有例外，北部河谷地区干旱少雨，日照充足，为全省太阳总辐射量最多的地区。
在云南全省129个县中，有92个县的年太阳总辐射在5000MJ/m2·a～6000MJ/m2·a之间，有59个县的年太阳总辐射在5500MJ/m2·a以上。
云南省年太阳总辐射的空间分布趋势与年日照时数和年日照百分率的空间分布趋势是一致的，见图5.3。
图5.3云南太阳能年总辐射量分布图（单位：
MJ/m2·a）
（2）时间分布
一般而言，我国大部分地区太阳总辐射量夏季最大，极端最高气温一般出现在盛夏的7、8月份。
在云南省，从季节分布看，夏季太阳直射北半球，太阳高度角大，日照时间长，地表单位面积获得的太阳总辐射量多，因而气温高；冬季则相反，受季风的影响，形成冬冷夏热的气候特点。
但夏季因受云雨影响，太阳总辐射并非全年最多，冬、夏太阳总辐射量季节差别不大，年间气温差远低于其它省区。
即云南省多数地区春季太阳总辐射量最大，极端最高气温常出现在春末夏初。
一般情况下，云南全省范围内春季太阳总辐射量多于秋季太阳总辐射量，春温高于秋温。
其中：
①云南省滇东北北部地区的太阳总辐射量表现为“夏大冬小”，一年中高值出现在夏季（6～8月），最大值一般出现在7月；低值出现在11～1月，最小值一般出现在12月，这段时间受冷空气影响，阴雨天气多，日照百分率很低。
②云南省其它地区的太阳总辐射量多表现为“春大秋小”，一年中最高值大多出现在4～5月，这段时间正值雨季来临前，空气十分干燥，日照时间长，日照百分率高，到达单位地表的太阳总辐射量多；最低值一般出现在11～12月，主要是天文辐射量少的缘故。
云南全省月太阳总辐射最高值出现在4、5月，最低值出现在11、12月。
月太阳总辐射最低值并未与月日照时数最低值和月日照百分率最低值同步出现在7、8月份，是因为云南地处北半球，7、8月间云南各地天文赤纬为正值，且数值较高，所以天文辐射值较高，虽然日照不充分，但月太阳总辐射不会降为全年最低。
云南省7个辐射站连续10年的年太阳总辐射值显示，7个站10年间逐年太阳总辐射值与其本站10年太阳总辐射平均值的距平百分率，最大为12.84%，最小为0.084%，平均为3.85%。
可见这7个站年太阳总辐射的年际变化是很小的。
资源储量
太阳能资源总储量是指不考虑地形影响、工程成本、技术效率等因素，只考虑水平面上所接收到太阳能总辐射量。
《云南省太阳能资源评价报告》对省内太阳能资源进行了详尽细致的研究，分析计算出云南省省内太阳能资源总储量为2.1×1015MJ/a，相当于每年获得731.5亿t标准煤。
区域分类
在综合考虑太阳总辐射、日照时数、日照百分率三个要素的基础上，《云南省太阳能资源评价报告》将云南省太阳能资源开发区划分为四类区域：
最佳开发区、较佳开发区、可开发区、一般区。
（1）最佳开发区
此区域内年太阳总辐射在6000MJ/m2·a以上，年日照时数在2300hr以上，年日照百分率在53%～61%之间。
主要分布在丽江市中部和东部，大理州东部，楚雄州西部和北部。
此区域内有永仁、双江县、弥渡、元谋、华坪、祥云、丽江、南涧、保山、大姚、洱源和姚安共12个县，国土总面积为36603km2，占全省总面积的9.29%。
（2）较佳开发区
此区域内年太阳总辐射在5500MJ/m2·a～6000MJ/m2·a之间，年日照时数在2100hr～2300hr之间，年日照百分率不低于50%。
主要分布在迪庆州东部、丽江市北部和西部、大理州西部、保山市中部、德宏州、临沧市东部、普洱市西部、西双版纳州西部、楚雄州东部和南部、昆明市北部和南部、红河州北部和西部、玉溪市，共59个县，国土总面积为170799km2，占全省总面积的43.35%。
（3）可开发区
此区域内年太阳总辐射在5000MJ/m2·a～5500MJ/m2·a之间，年日照时数在2100hr左右，年日照百分率在45%～50%间。
主要分布在迪庆州西部、怒江州南部、保山市北部、临沧市西部、普洱市中部、西双版纳州东部、昆明市中部、曲靖市西部、昭通市南部、文山州西部、红河州中部，共32个县，国土总面积为112960km2，占全省总面积的28.67%。
（4）一般区
在此区域内年太阳总辐射在5000MJ/m2·a以下，年日照时数在2100hr以下，年日照百分率不到40%。
主要分布在文山州北部、东部和南部、昭通市北部、曲靖市东部、怒江州北部，共22个县，国土总面积为7.3639km2，占全省总面积的18.69%。
场址区概况
本项目位于云南省丽江市永胜县境内，位于永胜县西南约49km处，场址区地形相对较复杂，阵列布置选取地形起伏变化较平缓的区域。
参证气象站资料整理与分析
气象站基本情况
距离本光伏电站较近的气象站为永胜气象站，直线距离约49km，距离本光伏电站较近且有太阳辐射观测要素的气象站为丽江气象站，直线距离约76.7km。
图5.4参证站与项目场址相对位置示意图
永胜气象站
永胜气象站建于1956年12月，属国家一般气候观测站。
永胜气象站地理坐标为东经100°45′、北纬26°41′，观测场海拔高度为2130m，建站时间为。
该站的主要业务有地面观测、日照小时数、酸雨、农业气象、生态环境等基础观测。
丽江气象站
丽江气象站始建于1950年9月，其前身为1942年因“驼峰航线”航空需要而建立的丽江机场航空气象站。
丽江气象站为国家基准气象站，地理坐标为东经100°13′、北纬26°52′，观测场海拔高度为2392.4m，主要业务有地面观测、日照小时数、沙尘暴、酸雨、农业气象、生态环境、多年完整连续的太阳辐射观测等。
基本气象要素
永胜气象站距离场址较近且有长期完整的气象基本要素资料，所以本阶段采用永胜气象站提供的基本气象要素资料为设计依据。
根据永胜县气象站1983～2012年的统计数据，主要气象要素特征值见表5.1。
表5.1永胜气象站基本气象要素特征值（1983～2012年）
项目
单位
指标
气温
多年平均
℃
13.8
多年极端最高
℃
32
多年极端最低
℃
-6.9
降水量
多年平均
mm
938.1
最大冻土深度
多年最大
mm
无冻土
风速
多年平均风速
m/s
2.7
多年最大风速
m/s
23.8
日照时数
多年最大
h
2503.7
多年最小
h
2033.3
积雪深度
最大
cm
8
蒸发量
多年平均
mm
2016.3
多年平均
天气日数
冰雹
天
1.1
大风
天
3.1
雷暴
天
63
特殊气候条件的影响
根据气象站的实测数据资料和场区的实际情况，进行气象条件的初步影响分析：
（1）气温影响分析
本工程所选逆变器的工作环境温度范围为-25℃～+50℃，电池组件的工作温范围为-40℃～＋85℃。
正常情况下，太阳电池组件的实际工作温度可保持在环境温度加30℃的水平。
参照气象站提供的气象数据，当地极端最低气温-6.9℃，当地极端最高气温32℃，拟选场区的气温条件对太阳能电池组件的可靠运行及安全性没有影响。
逆变器通过设置加热和通风系统，亦可以安全可靠运行。
在太阳能电池组件的串并联组合设计中，需根据当地的实际气温情况进行相应的温度修正，以确保整个太阳能发电系统的安全性和在全年中有较高的运行效率。
（2）最大风速影响分析
本工程场址区多年平均风速为2.7m/s，最大风速23.8m/s，低风速环境有助于增加太阳能组件的强制对流散热，降低电池组件板面的工件温度，从而在一定程度上提高发电量。
但考虑到太阳能电池组件迎风面积较大，组件支架设计必须考虑风荷载的影响，并以光伏支架及基础在极端最大风速下不损坏为基本原则。
（3）沙尘和雷暴影响
永胜县无沙尘天气，年平均雷暴日数63d。
该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一，且电池阵列面积较广，需对防雷接地要求较高。
（4）冻土影响分析
该地区最大无冻土，因此本项目在支架基础设计及施工期设计时可不考虑冻土的影响。
总之，本项目将通过设备选型和相关设计技术的优化，将气象因素对光伏电站的负面影响降低到最低程度。
丽江气象站太阳能资料整理与分析
5.3.4.1日照时数分析
丽江气象站1984年～2013年历年日照小时数各月平均值在123.9hr～261.5hr之间变化，年平均值在2132.1hr～2707.3hr之间变化，多年年平均日照小时数为2416.2hr。
丽江气象站日照小时数年际变化幅度较小。
表5.2丽江气象站逐年日照时数统计表
年份
日照时数（h）
年份
日照时数（h）
年份
日照时数（h）
1984
2612.7
1994
2661.2
2004
2159.5
1985
2422.2
1995
2301.8
2005
2251.3
1986
2707.3
1996
2561.7
2006
2642.8
1987
2447.6
1997
2590.9
2007
2195.0
1988
2469.1
1998
2491.1
2008
2181.7
1989
2227.5
1999
2531.9
2009
2491.0
1990
2203.0
2000
2373.4
2010
2368.8
1991
2189.0
2001
2404.4
2011
2573.2
1992
2132.1
2002
2444.6
2012
2410.9
1993
2376.3
2003
2527.5
2013
2537.4
表5.3丽江气象站多年平均逐月日照时数统计表
月份
日照时数（h）
1月
259.7
2月
233.7
3月
242.4
4月
233.0
5月
213.9
6月
158.3
7月
124.8
8月
142.2
9月
123.9
10月
187.3
11月
235.5
12月
261.5
合计
2416.2
图5.5丽江气象站日照时数逐年变化直方图
图5.6丽江气象站日照时数逐月变化直方图
5.3.4.2太阳总辐射量分析
丽江气象站1984年～2013年历年总辐射量年平均值在5452.2MJ/m2～6714.8MJ/m2之间变化，多年年平均总辐射量为6120.3MJ/m2。
丽江气象站总辐射量年际变化幅度较小。
丽江气象站1984年～2013年辐射量各月平均值在431.0MJ/m2～616.1MJ/m2之间变化。
其数值从1月开始急剧上升，到4月达到最大值616.1MJ/m2，5月辐射量略有下降，6月-8月下降至平均水平，9月-12月辐射值又一次下降。
最大月4月与最小月9月比值为1.4，变化幅度比较小，3月～8月间辐射值均大于500MJ/m2，辐射比较均匀。
表5.4丽江气象站逐年平均总辐射统计表单位：
MJ/m2
年份
总辐射（MJ/m2）
年份
总辐射（MJ/m2）
年份
总辐射（MJ/m2）
1984
6292.0
1994
6329.3
2004
5877.8
1985
5608.2
1995
5452.2
2005
6181.5
1986
6046.1
1996
6414.2
2006
6424.4
1987
5589.8
1997
6258.3
2007
6031.7
1988
5823.0
1998
6098.4
2008
5822.4
1989
5566.6
1999
6286.2
2009
6442.2
1990
6197.2
2000
6136.8
2010
5565.7
1991
6409.7
2001
6344.3
2011
6198.1
1992
6385.1
2002
6714.8
2012
6201.7
1993
6142.7
2003
6482.7
2013
6286.0
表5.5气象站多年平均各月总辐射单位：
MJ/m2
月份
总辐射量
1月
468.9
2月
490.1
3月
579.2
4月
616.1
5月
614.7
6月
540.3
7月
508.7
8月
515.4
9月
431.0
10月
458.5
11月
451.2
12月
446.3
合计
6120.3
图5.7丽江气象站总辐射逐年变化直方图
图5.8丽江气象站总辐射逐年变化直方图
现场辐射观测站资料整理与分析
观测站基本情况
为了更加精确的掌握场址区太阳能辐射资源情况，本项目收集到距离场址约4.2km处一座太阳能辐射观测站实测的辐射数据，该观测站位于场址区西南向，目前已有一年多的实测数据，本次太阳能资源评估选取该观测站数据较为完整且连续性较好的2013年1月至2013年12月观测时段数据进行分析。
观测站的基本情况见表5.6，观测站与本项目场址相对位置见图5.9。
表5.6太阳能辐射观测站基本情况
项目
观测站
海拔高度（m）
1281m
地理位置
纬度
26°14′25″N
经度
100°34′02″E
记录时间
起
2012年12月1日
讫
至今
采取记录时间
起
2013年1月1日
讫
2013年12月31日
图5.9太阳能辐射观测站与本光伏电站相对位置示意图
观测资料整理
（1）完整性检验
完整性检验包括数量及时间顺序检验，即数据的数量应等于预期记录的数据数量，数据的时间顺序应符合预期的开始、结束时间，中间应连续。
在2013年1月1日～2013年12月31日间，总辐射观测数据完整无缺测。
（2）值域合理性检验
值域合理性检验即判断测量数据取值是否在合理范围之内。
范围检验的判别标准详见下表。
表5.7观测数据范围检验判别标准
主要参数
单位
合理取值范围
总辐射
W/m2
0～1500
经分析，在2013年1月1日～2013年12月31日间，总辐射观测数据均通过范围检验。
（3）有效数据完整率
综合以上分析，总辐射数据完整、合理，有效数据完整率为100%。
代表年订正
为了对太阳能资源进行正确的预测，作为太阳能辐射分析基础的水平年代表数据就必须具有长期气候代表性。
水平年代表数据订正是根据长期测站的总辐射观测数据经验证后，将实测数据订正为一套能长期代表气象辐射平均变化规律的代表性数据。
因丽江气象站是距离本场址最近且具有长期辐射观测资料的气象站，所以本场址代表年订正选取丽江气象站作为参证站。
丽江气象站近30年平均总辐射量为6120.3MJ/m2，近20平均总辐射量为6177.4MJ/m2，近10平均总辐射量为6103.1MJ/m2，辐射量年际变化不大。
本项目选取1984～2013年近30年的观测资料作为长序列数据进行代表年订正。
经分析，与现场太阳能辐射观测站同期2013年1月1日—2013年12月31日的丽江气象站一年的总辐射量为6286.0MJ/m2，比丽江气象站多年（1984～2013年）总辐射量的平均值6120.3MJ/m2大约165.7MJ/m2，说明现场太阳能辐射观测站观测数据较平均水平偏大，需要进行负订正。
对气象站和现场实测同期数据的进行相关性分析，相关性较好，用气象站多年的平均辐射量和与场址测站观测年同期的气象站的平均辐射量，通过相关方程，得到对应的场址测站的辐射量值，并求出前者与后者的代数差值，场址测站数据的各个月的每个辐射量都加上对应的差值，即可获得修正后的场址测站的逐月辐射量数据。
经过订正处理，辐射量由6355.0MW/m2订正为6170.6MW/m2。
表5.8观测站辐射量代表年订正前后对比表单位：
MJ/m2
月份
订正前总辐射量
订正后总辐射量
1月
459.3
462.9
2月
480.2
478.2
3月
595.0
561.9
4月
586.4
555.6
5月
620.9
580.8
6月
661.4
610.4
7月
564.8
539.9
8月
575.6
547.8
9月
470.4
471.0
10月
435.4
445.5
11月
488.5
484.2
12月
417.2
432.2
合计
6355.0
6170.6
代表年太阳能资源分析
月太阳总辐射最高值出现在6月份，月太阳总辐射最低值出现在12月份，最大月与最小月的比值为1.4，月太阳总辐射年内变化表现为“春夏季大，秋冬季小”的特征。
表5.9观测站代表年月总辐射量
月份
总辐射量MJ/m2
1月
462.9
2月
478.2
3月
561.9
4月
555.6
5月
580.8
6月
610.4
7月
539.9
8月
547.8
9月
471.0
10月
445.5
11月
484.2
12月
432.2
合计
6170.6
图5.10代表年总辐射量逐月变化直方图
阵列面太阳辐射分析
计算倾斜面上的太阳能辐射量，通常采用Liu和Jordan在1962年提出，后来由Klein在1977年改进计算的方法。
利用RETScreen软件，采用所选工程代表年的太阳辐射资料，计算各种不同运行方式阵列面上各月日平均太阳辐射量。
按倾斜面倾角取步长为1°，计算本光伏电站光伏组件阵列不同倾角方案的太阳辐射总量，成果见表5.10，图5.11。
表5.10不同倾角的倾斜面各月的辐射量计算成果表（单位：
kWh/㎡/d）
倾角
月份
0°
23°
24°
25°
26°
27°
28°
29°
30°
31°
32°
1月
4.15
5.43
5.48
5.52
5.55
5.59
5.63
5.66
5.69
5.72
5.75
2月
4.74
5.68
5.70
5.73
5.75
5.77
5.79
5.81
5.83
5.84
5.86
3月
5.03
5.44
5.45
5.45
5.45
5.45
5.45
5.45
5.44
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4月
5.14
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5.12
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5月
5.20
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6月
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7月
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8月
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