武漢地區(qū)逐時(shí)太陽(yáng)總輻照量與氣象要素的關(guān)系

武漢地區(qū)逐時(shí)太陽(yáng)總輻照量與氣象要素的關(guān)系

一光伏發(fā)電技術(shù)近年來(lái)，隨著傳統(tǒng)石化能源的加速減速和能源需求的不斷增長(zhǎng)，全球氣候變化的壓力逐漸加大，可支配能源技術(shù)的全球發(fā)展已成為國(guó)際社會(huì)的共識(shí)。太陽(yáng)能具有取之不盡,用之不竭;分布廣,無(wú)處不在;清潔無(wú)污染;不受市場(chǎng)波動(dòng)影響等優(yōu)點(diǎn),目前太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用在整個(gè)可再生能源中投資增長(zhǎng)速度最快。人類對(duì)太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)利用,主要可分為光熱利用和太陽(yáng)能發(fā)電。光熱利用,如太陽(yáng)能熱水器、太陽(yáng)能灶已深入到全世界的千家萬(wàn)戶。太陽(yáng)能發(fā)電主要有兩種,一是光伏發(fā)電,即利用太陽(yáng)電池的光生伏打效應(yīng),把太陽(yáng)輻射能直接轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔?二是聚光熱發(fā)電(CSP),利用聚光集熱器將太陽(yáng)能聚集起來(lái)產(chǎn)生高溫?zé)崮?加熱介質(zhì)(如蒸汽)來(lái)驅(qū)動(dòng)發(fā)電機(jī)發(fā)電。其中光伏發(fā)電技術(shù)是主流,技術(shù)最成熟,近年來(lái)全球累計(jì)光伏發(fā)電裝機(jī)規(guī)模呈指數(shù)發(fā)展且已步入大規(guī)模發(fā)展階段,截至2010年年底,全球光伏累計(jì)裝機(jī)容量接近40GW。聚光熱發(fā)電技術(shù)最近幾年發(fā)展趨勢(shì)非?？?主要分布在美國(guó)、西班牙、北非。據(jù)預(yù)測(cè),2030年全球的常規(guī)能源利用將達(dá)到峰值,此后可再生能源將逐漸成為人們?nèi)粘Ｉ畹闹饕揽?而太陽(yáng)能資源將成為其中一種主導(dǎo)的能量來(lái)源。太陽(yáng)輻射是地面的主要能量來(lái)源,同時(shí)也是地面熱量平衡的重要組成部分,大氣和地面接收到的太陽(yáng)輻射能對(duì)大氣加熱、對(duì)流狀況、地面熱狀況、生物生長(zhǎng)、人類活動(dòng)、太陽(yáng)能利用等都有巨大的影響。20世紀(jì)70年代我國(guó)學(xué)者翁篤鳴研究發(fā)現(xiàn),緊密相聯(lián)的天空遮蔽度(云量)、大氣透明狀況、下墊面的物理特性、平流熱量以及水分的輸送等過(guò)程,都將導(dǎo)致太陽(yáng)輻射能量的再分配,這種影響的大小具有顯著的局地性特征,此后我國(guó)不少學(xué)者也進(jìn)行了相關(guān)的研究。由于太陽(yáng)輻射資源評(píng)估與預(yù)報(bào)是太陽(yáng)能光伏發(fā)電系統(tǒng)發(fā)電量計(jì)算(以制定發(fā)電規(guī)劃、電力調(diào)度)和預(yù)報(bào)的關(guān)鍵基礎(chǔ)之一,本文以湖北省武漢市為研究對(duì)象,首先研究太陽(yáng)總輻照量與氣象要素的關(guān)系,然后分季節(jié)建立逐時(shí)總輻照量預(yù)報(bào)模型,從而對(duì)太陽(yáng)總輻照量作出有效預(yù)報(bào)。二資料及研究時(shí)間由于缺失2007年以前的太陽(yáng)總輻照量資料,并考慮到從2009年開(kāi)始云量(低、總)的觀測(cè)方式由原來(lái)的每日逐時(shí)改為一天4次(02時(shí)、08時(shí)、14時(shí)及20時(shí)),為保證觀測(cè)資料時(shí)間上連續(xù)性,選取的氣象資料為武漢市氣象站2007~2008年每日逐時(shí)(6:00~17:00)太陽(yáng)總輻照量(單位:MJ/m2)及同期逐時(shí)氣象要素(風(fēng)速、氣溫、相對(duì)濕度等)的觀測(cè)資料。文中的時(shí)間均為北京時(shí)間。首先利用2007~2008年逐時(shí)太陽(yáng)總輻照量資料,對(duì)總輻照量的季節(jié)變化、日變化及其與氣象要素(氣溫、相對(duì)濕度、云量等)的相關(guān)性進(jìn)行分析,其次分季節(jié)對(duì)2007年逐時(shí)總輻照量與上述氣象要素進(jìn)行相關(guān)分析,對(duì)比各氣象要素對(duì)總輻照量的貢獻(xiàn),建立逐步回歸方程,最后以2008年逐時(shí)太陽(yáng)能總輻照量為對(duì)象進(jìn)行預(yù)報(bào)和誤差分析。其中粗略的分季按照3~5月為春季,6~8月為夏季,9~11月為秋季,12~2月為冬季。三逐時(shí)總輻照量預(yù)報(bào)模型建立的時(shí)次1太陽(yáng)總輻照量的季節(jié)和日變化圖1是武漢站2007~2008年四季逐時(shí)平均太陽(yáng)總輻照量變化曲線?？梢?jiàn)這兩年太陽(yáng)輻射的季節(jié)、日變化趨勢(shì)基本相似,即夏季最多,冬季最少,春秋居中,一天中以12:00左右最大,這是由地球公轉(zhuǎn)和自轉(zhuǎn)造成與太陽(yáng)的相對(duì)位置(太陽(yáng)高度角)的季節(jié)變化引起的。2各季逐時(shí)太陽(yáng)總輻照量與其他氣象要素的相關(guān)分析選取武漢市2007~2008年逐日8~16時(shí)8個(gè)時(shí)次的氣象要素及太陽(yáng)總輻照量進(jìn)行相關(guān)分析(表1),對(duì)四季地面太陽(yáng)總輻照量和各季氣象要素值進(jìn)行相關(guān)性分析,發(fā)現(xiàn)水汽壓與總輻照量相關(guān)性最差,且沒(méi)有通過(guò)顯著性檢驗(yàn)。氣溫、相對(duì)濕度、云量(低、總)和風(fēng)速均通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn),從物理角度來(lái)看風(fēng)與總輻照量關(guān)系不大,而風(fēng)速均通過(guò)了0.01的顯著性檢驗(yàn)的結(jié)論可能與統(tǒng)計(jì)樣本個(gè)數(shù)較少有關(guān),相對(duì)濕度及云量(低、總)與總輻照量負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步分季節(jié)看,春夏總輻照量與相對(duì)濕度、氣溫的相關(guān)性較其他兩季更顯著,而與云量(低、總)的相關(guān)性則在春冬兩季更好。3各季逐時(shí)太陽(yáng)總輻照量預(yù)報(bào)方程的建立以2007年武漢地區(qū)四季逐時(shí)總輻照量與氣象要素資料為例,選取(10:00~15:00)時(shí)段,對(duì)影響太陽(yáng)總輻照量逐時(shí)的氣象要素進(jìn)行篩選,建立回歸模型,得到武漢地區(qū)各季逐時(shí)總輻照量預(yù)報(bào)模型,表2~表5是各季某些時(shí)次逐步回歸方程中各要素回歸系數(shù)的估計(jì)值及總輻照量與各要素的復(fù)相關(guān)系數(shù)(R)?？偟膩?lái)看,總輻照量y與各季建立的逐時(shí)回歸方程的復(fù)相關(guān)系數(shù)均在0.7以上,相關(guān)性較好。分季節(jié)看,春季總輻照量與相對(duì)濕度、氣溫和總云量關(guān)系較密切。夏季總體上總輻照量與相對(duì)濕度、總云量關(guān)系密切,但氣溫對(duì)總輻照量的貢獻(xiàn)不大。秋季總輻照量與氣溫、總云量、相對(duì)濕度、水汽壓有關(guān)。冬季的情況較復(fù)雜,由于太陽(yáng)高度角及日照時(shí)數(shù)的影響,總輻照量值顯著下降,總輻照量與總云量及低云量的關(guān)系都較密切,這與其他季節(jié)不同。經(jīng)過(guò)檢驗(yàn),各季建立的擬合方程F統(tǒng)計(jì)量均大于信度為0.05時(shí)的3.86,因此這些方程可用來(lái)估計(jì)或預(yù)報(bào)總輻照量強(qiáng)度。表2~表5中*均表示該時(shí)次建立回歸方程中該項(xiàng)因子回歸系數(shù)為空,即經(jīng)過(guò)計(jì)算此項(xiàng)因子對(duì)方程沒(méi)有貢獻(xiàn)。4誤差分析本文采用平均絕對(duì)百分比誤差(MAPE)進(jìn)行誤差分析,其計(jì)算公式如下:首先根據(jù)已建立的逐步多元回歸方程,選取2007年10時(shí)、11時(shí)、12時(shí)、13時(shí)、14時(shí)及15時(shí)5個(gè)時(shí)段,對(duì)方程進(jìn)行擬合效果檢驗(yàn),結(jié)果(見(jiàn)表6)表明:秋季誤差最小,冬季最大,其次是夏季、春季。然后用同樣的方法對(duì)2008進(jìn)行預(yù)報(bào)效果檢驗(yàn)(表7),其計(jì)算得到的理論值與樣本實(shí)際值誤差較穩(wěn)定,基本維持在約20%,秋季(9~11月)誤差最小,其次是春季(3~5月)和夏季(6~8月),冬季(12~2月)的誤差最大。四季中,冬季總輻照量的值較其他三季小得多,且在陰天即低云量(9~10)成,或總云量10成,或兩者同時(shí)出現(xiàn)的情況下,總輻照量多為0值,這些因素導(dǎo)致冬季的總輻照量誤差較大。夏季的百分比誤差也不小,直接原因可能是夏季武漢地區(qū)陰雨天氣較多,影響太陽(yáng)輻射的因素更為復(fù)雜。四氣溫、總云量、濕度、天氣影響總輻照量的關(guān)系(1)對(duì)武漢逐時(shí)太陽(yáng)總輻照量與氣象要素分季節(jié)做相關(guān)分析發(fā)現(xiàn),其與氣溫、相對(duì)濕度、水汽壓及云量(低、總)有關(guān)系,其中相對(duì)濕度及云量(低、總)與總輻照量呈負(fù)相關(guān)。進(jìn)一步以季節(jié)來(lái)分析,春夏總輻照量與相對(duì)濕度、氣溫的相關(guān)性較其他兩季更密切,與云量(低、總)在春夏兩季的相關(guān)性較好。(2)選取武漢四季每天(10:00~15:00)5個(gè)時(shí)段,用逐步回歸方法對(duì)各氣象要素及總輻照量資料進(jìn)行擬合,剔除次要因子可發(fā)現(xiàn),四季每日逐時(shí)影響因子不盡相同,春季總輻照量與相對(duì)濕度、氣溫和總云量關(guān)系較密切。夏季總體上總輻照量與與相對(duì)濕度、總云量關(guān)系密切,但氣溫對(duì)總輻照量的貢獻(xiàn)不大。秋季總輻照量與氣溫、總云量、相對(duì)濕度、水汽壓有關(guān)。冬季總輻照量值顯著下降,總輻照量與總云量及低云量的關(guān)系都較密切,這與其他季節(jié)不同。(3)氣溫與總輻照量的相關(guān)不大,實(shí)際觀測(cè)與理論計(jì)算都表明,大氣的加熱主要是通過(guò)地表對(duì)大氣的長(zhǎng)波輻射、湍流熱交換及潛熱交換過(guò)程實(shí)現(xiàn)。夏天氣溫最高,但分析發(fā)現(xiàn),基本上每天10:00~15:00時(shí)建立的逐步回歸方程都將氣溫剔除。風(fēng)速其實(shí)對(duì)總輻照量沒(méi)有直接影響,但間接體現(xiàn)了天氣狀況的影響,比如冬季由于偏北大風(fēng)天氣發(fā)生頻率最高,降水偏少而使武漢的空氣常常較混濁,自然對(duì)太陽(yáng)輻射有一定影響。描述水汽含量時(shí)常用相對(duì)濕度和地面水汽壓作為大氣中水汽含量表征?；貧w方程都表明,相對(duì)濕度是影響總輻照量的重要因子,水汽壓也對(duì)總輻照量有影響,兩者都體現(xiàn)了水汽影響太陽(yáng)輻射的大氣傳輸。一般而言,云量的增加(減少)會(huì)引起地面太陽(yáng)輻射的減少(增加)。從回歸方程看,總云量較低時(shí)云量對(duì)總輻照量的影響大。但值得一提的是,云量和太陽(yáng)輻射之間關(guān)系很復(fù)雜,難以解釋的。研究表明,我國(guó)大部分地區(qū)的總云量在過(guò)去幾十年間都呈減少的趨勢(shì),然而此結(jié)論同樣無(wú)法用于完全解釋期間地面太陽(yáng)輻射的變化。(4)本文資料僅限于武漢站每日逐時(shí)的太陽(yáng)總輻照量和氣象要素的