甘肃省酒泉市肃北县太阳能资源分析

甘肃省酒泉市肃北县太阳能资源分析

1.1 区域太阳能资源概况

1.1.1 我国太阳能资源及分布特点

我国的太阳能资源十分丰富，我国陆地表面每年接收的太阳能就相当于17000亿吨标准煤。根据气象部门的调查、测算：我国太阳能年总辐射量最大值在青藏高原，高达10100MJ/m2，最小值在四川盆地，仅3300MJ/m2。从大兴安岭南麓向西南穿过河套，向南沿青藏高原东侧直至西藏南部，形成一条等值线。此线以西为太阳能丰富地区，年日照小时数>3000h，这是由于这些地区位于内陆，全年气候干旱、云量稀少所致；此线以东地区（即我国东北、华北、长江中下游地区）以四川最小，由此向南、北增加，广东沿海较大；内蒙古东部、华北较大，至东北北部又趋减小。由于丰富和较丰富区占国土面积2/3以上，因而我国是一个太阳能源丰富的国家，开发、利用前景看好。我国太阳能资源的分布，见下图1.1。

图1.1 我国太阳能辐射量分布图

1.1.2 甘肃省太阳能资源分布特点

甘肃省位于中国地理中心，地处黄河上游，地域辽阔，介于32°11′N～42°57′N、92°13′E～108°46′E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，年太阳能总辐射量在4800MJ/m2～6400MJ/m2

之间，年资源理论储量67万亿kWh，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。甘肃省太阳能总辐射空间变化分布图如图1.2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5800MJ/m2和6400MJ/m2；陇南地区相对较低，年太阳总辐射量仅4800MJ/m2～5200MJ/m2；其余地区为5200MJ/m2～5800MJ/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560MJ/m2～740MJ/m2；1月为260 MJ/m2～380MJ/m2；4月为480MJ/m2～630MJ/m2；10月为300MJ/m2～480MJ/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1700h～3320h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2000h～3000h之间。

酒泉市位于河西走廊西端，西汉设郡，为河西四郡之一。因传说霍去病倒御酒于金泉，与将士共饮而得名，隋曾置肃州。酒泉地区北接蒙古国，东接张掖，南连青海，西邻新疆，东西约680km，南北约550km；辖酒泉、敦煌、玉门三市，安西、肃北、阿克赛、金塔四县，总面积19.12万km2，有85万人口。全区地处内陆，属典型的暖温带干旱性气候。气候干燥，降雨量少，蒸发量大，昼夜温差大，四季分明，光照充足。太阳能资源较为丰富，年日照时数3033.4～3316.5小时，日照百分率平均69%，多年平均太阳能年辐射总量在6055～6861kJ/m2之间，介于我国太阳能资源一类和二类区域之间，非常适合建设太阳能光伏发电场。

图1.2 甘肃省太阳能总辐射空间变化分布图

1.1.3 场址区概况

本项目位于甘肃省酒泉市肃北县境内，项目拟建设规模为100MWp。

1.2 代表气象站

1.2.1 气象站基本情况

距离本光伏电站最近的气象站为玉门镇气象站，直线距离约51km，距离本光伏电站较近且有太阳辐射观测要素的气象站为酒泉气象站，直线距离约149km。

玉门镇气象站：

玉门市境内有玉门镇气象站，该气象站为国家基本气象站，始建于1952年7月，站址曾先后几次变动，1953年7月迁至玉门市玉门镇郊外至今，地理坐标为40°16′N、97°02′E，观测海拔高度为1526m。该站主要承担天气观测、预报服务、资料积累、为全市工农业生产提供气象防灾减灾服务。主要观测要素有：云、能见度、天

气现象、降水、风、气压、地温、冻土等要素，但没有太阳辐射量观测业务。

酒泉气象站：

酒泉地区记录太阳辐射观测要素的只有气象部门，且仅有酒泉、敦煌2家气象站进行太阳辐射要素观测。敦煌气象站距离场址较远，约202km，酒泉气象站距离场址相对较近，约132km。酒泉气象站始建于1934年7月，1957年1月迁建于现站址，位于酒泉市肃州区果园乡小坝沟村四组，周围是农田和村庄，距酒泉城区约5km，拔海高度1477.1米，经度98°29′，纬度39°46′。该站主要业务有地面观测、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。

一般来说，到达地面的太阳辐射量主要受大气透明度、地理纬度、日照时数及海拔高度等因素的影响。

(1)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。根据甘肃省气候特点，酒泉与本工程拟建场址同处河西走廊温带大陆性荒漠气候区，气候特征类似，大气透明度比较接近。

(2)地理纬度

太阳高度角的变化以及大气透明度的分布都与纬度有关。我国北方地区高纬度的太阳高度角小，光线穿过的大气量多，云量也较多，因此一般我国北方太阳辐射能量随着纬度增加而减少。场址区的纬度在N39°43′附近，而酒泉气象站纬度为N39°46′。本工程场址与酒泉气象站纬度接近，太阳辐射量也很相近。

(3)海拔高度

海拔高度越高，空气就越稀薄，太阳光线在大气中的光程就越短。太阳辐射被吸收、散射的就越少，并且大气中的水汽和尘埃的含量也越少，大气的透明度就越佳，接收到的太阳辐射能量也就越大。场址区平均海拔高度比酒泉气象站海拔高度高约670m，从海拔高度方面，场址区辐射应略大于酒泉气象站。酒泉地区的降雨量比较低，大气中的水汽含量少，影响光衰减的主要因素影响较小。因此，酒泉气象站与场址区海拔高度差可以忽略。

综上所述，玉门镇气象站距离场址最近且有长期完整的气象要素资料，所以本阶段采用玉门镇气象站提供的基本气象要素资料为设计依据；场址区与酒泉气象站地理位置接近，属同一气候区域，大气透明度、地理纬度、日照时数很接近，场址区与酒泉气象站的太阳辐射情况类似，因此本阶段采用酒泉气象站提供的太阳辐射资料作为设计依据。

1.2.2 基本气象要素情况

玉门地区属典型的温带大陆性荒漠气候，全市冬季严寒，夏季酷热。冬、夏季室外大气压力分别为85233.3Pa、84200.0Pa；玉门地区昼夜温差大，多年平均气温为7.1℃，多年最热月（7月）和最冷月（1月）的平均气温分别为21.7℃、-9.8℃；历史极端最高气温36.0℃、最低-35.1℃；多年最大冻土深度2.2m，多年最大积雪厚度18cm。

玉门市也是全国降水量稀少、蒸发量大的地区之一，玉门镇年平均降水量为66.7mm，降水主要集中在6月～8月，5月开始增多，7、8月份达高峰，占全年降水量的38～46%，9月开始减少，1月和12月是全年降水的最少时段，月降水量一般只有1mm～2mm。夏季6月～8月多雷阵雨，降水时间短，强度大。每年的第一场好雨（日降水量≥5mm）出现在5月中下旬，连阴雨天气多出现在7月中下旬和9月中下旬，持续时间5天～8天。玉门东镇降水日数较少，年降水日数不足100天。年平均蒸发量2952mm；由于受地理环境和大气环流的影响。降水量空间分布不均，且年际变化也很大，因而干旱出现频率高。

玉门地区光照条件优越，光照充足，日照时间长。年平均太阳总辐射量在6000MJ/m2以上，从随季节的变化量看，夏季最大，冬季最小；从月际变化来看，5、6、7三个月太阳总辐射量最大，基本在700MJ/m2以上；1月和12月太阳辐射量最小，在300MJ/m2左右。日照时数的变化是夏秋季最大，冬季最小。一年中日照时数从2月份开始逐月增多，5月份达到最高值，伏期和秋季维持次高状况，直到冬季的12月至2月降到最低值。

玉门镇气象站气象要素统计表见表1.1。

表1.1 玉门镇气象站气象要素统计表（1971～2000年）

1.2.3 特殊气侯影响分析

1）气温状况

该地区多年极端最高气温为36.0℃，多年极端最低气温为-35.1℃，多年平均气温为7.1℃。本项目主要在光伏组件串并联方案、电气设备选择、系统效率折减三方面考虑温度对整个光伏电站的影响。

1、在进行光伏组件串并联方案设计时，要考虑在极端温度下，组件串联后的最大开路电压不能超过组件的最大系统电压，不能超过逆变器的最大允许电压；工作电压要在逆变器工作电压的跟踪范围之内，见“5.1.5光伏组件的串并联方案”。

2、本工程所选逆变器的工作环境温度范围为-25℃～+55℃，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-35.1℃，极端最高气温36.0℃，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）风速情况

根据玉门镇气象站提供数据，当地10m高的50年一遇最大风速为25m/s。本项目场址平坦开阔，四周无遮挡，太阳能光伏组件迎风面积较大，一方面，光伏组件之间要留一定的间隙，另一方面组件支架设计必须考虑风荷载的影响。

3）雨、雪、沙尘天气影响分析

玉门镇多年平均降水量为66.7mm，降雨量较少，多年沙尘暴日数为8.2天，多年降雪日数较少。降雨对电池组件的发电效率影响不大；由于支架有一定倾角，阵列下沿离地面0.3m，积雪对电池组件的发电效率影响较小。因此，对电池组件发电效率造成影响的的主要是沙尘的天气。在电池板清洗方案中应考虑降雪及沙尘天气的影响，降雪、沙尘天气后应及时清扫电池板。

4）冰雹、雷暴影响分析

该地区多年冰雹日数为1天，多年雷暴日数为7.7天，冰雹和雷暴日数较少。本项目将选择具有严格的抗冰雹实验的产品，满足野外安装使用要求；在光伏阵列支架的设计时，应做相应的防雷保护装置设计，以保证光伏组件安全。

5）冻土影响分析

该地区最大冻土深度为2.2m。本项目在支架基础设计及施工期设计时应充分考虑冻土的影响，避开冻土时间，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。

1.3 太阳能辐射观测资料

1.3.1 气象站辐射资料分析

1）年际变化分析

根据酒泉气象站提供的总辐射资料，1993-2008年的太阳能年总辐射量的值为5881.98MJ/m2～6362.56MJ/m2之间，见表1.2。

表1.2 酒泉气象站1993-2008年太阳能年总辐射量数据表（单位：MJ/m2）

年份 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 年总辐

6125.15 6297.66 6362.56 5959.47 6190.99 5881.98 6000.79 6102.84 射量

年份 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008

年总辐

6015.36 6307.04 6122.19 6236.14 6286.14 5986.87 5941.17 6263.06 射量

图1.5 酒泉气象站1993-2008年太阳能年总辐射量直方图 从以上图表可以看出，酒泉地区太阳能年总辐射量的年际变化特点如下：酒泉气象站最近16年间太阳辐射分布年际变化比较稳定，基本维持在平均值6129.96上下波动，其数值区间5881.98MJ/m2～6362.56MJ/m2之间。其中，最高值出现在1995年，达到6362.56MJ/m2；最低值出现在1998年，为5881.98MJ/m2。

本项目采用最近16年1993～2008年的太阳辐射资料作为本阶段研究和计算的依据。

2）月际变化分析

根据酒泉气象站提供的1994～2008年近15年的实测数据，统计分析得到酒泉气象站多年平均月总辐射量、月总辐射量日均值，如以下图表所示。

对酒泉气象站1994～2008年月总辐射量数据进行分析可以看出：平均月总辐射量在257.3～728.8MJ/m2之间；其中，最高值出现在5月份，次高值为6月份，最低值出现在12月份，次低值为1月份；太阳总辐射量主要集中在4~8月，占全年总辐射量的56%，是太阳能利用最佳月份，这与理论计算结果相似，这也印证了内陆干旱性气候太阳能辐射的典型性，夏季最多，冬季最少，春秋季接近。

表1.3 酒泉气象站多年平均月总辐射量、月总辐射量日均值

月总辐射量（MJ/m 2

）

月份 日均值（MJ/m 2

）

1月 283.2 9.1 2月 346.3 12.4 3月 488.8 15.8 4月 597.4 19.9 5月 728.8 23.5 6月 721.7 24.1 7月 713.7 23.0 8月 672.9 21.7 9月 553.1

18.4 10月 452.2 14.6 11月 315.4 10.5 12月 257.3 8.3 合计/平均

6130.8

16.8

图1.6 酒泉气象站总辐射量月际变化图

图1.7 酒泉气象站月总辐射量日均值变化图

3）日照小时数年际变化分析

根据酒泉气象站提供的近31年1976～2006日照时数资料，酒泉地区的年日照时数在3000h～3200h之间，年平均日照时数为3061.22h；最低值出现在1983年，为2627.80h；最高值出现在1980年，为3261.90h。这31年年太阳日照时数绝大多数都在3000h以上。从全国太阳能资源分布情况来看，酒泉地区的日照时数属于日照时间较长地区。日照时数年际月际变化如图1.8所示。

图1.8 1976~2006年酒泉年日照时数折线图

4）日照小时数月际变化分析

根据酒泉气象站辐射站提供的日照时数资料，1976-2006年间酒泉地区的平 均月日照时数如图1.9所示。4月～10月日照时数长，11月～翌年2月日照时数短。

图1.9 1976～2006年酒泉月日照时数折线图

1.3.2 气象站和NASA数据的对比分析

表1.4 酒泉气象站和NASA数据多年逐月辐射量统计表

月总辐射量（MJ/m2）

气象站/NASA

月份

NASA

酒泉气象站

1月 283.2 321.4 0.88

2月 346.3 384.0 0.90

3月 488.8 532.3 0.92

4月 597.4 622.1 0.96

5月 728.8 684.1 1.07

6月 721.7 640.4 1.13

7月 713.7 630.5 1.13

8月 672.9 594.8 1.13

9月 553.1 515.2 1.07

10月 452.2 455.3 0.99

11月 315.4 330.5 0.95

12月 257.3 277.9 0.93

合计 6130.8 5988.5 1.02

图1.10 酒泉气象站与NASA辐射数据对比分析图 由以上图表可以看出，气象站多年逐月辐射量和NASA统计的逐月辐射量变化趋势基本一致，全年总辐射量相差很小，说明酒泉气象站具有一定的代表性。

1.3.3 辐射数据订正

酒泉气象站近16年间的平均太阳能辐射量为6129.96MJ/m2，符合甘肃省酒泉市太阳能资源分布图显示的资源分布情况。本阶段未收集到实测站的太阳辐射数据，故无法对辐射数据进行订正，待下阶段收集到相关数据后再对该结果进行复核。

1.3.4 场址区太阳能辐射量计算

酒泉气象站多年年内逐月辐射量和38°倾角上的辐射量见下表。

表25 酒泉气象站多年年内逐月辐射量和38°倾角上的辐射量

辐射量（MJ/m2）

月份

水平面 38°倾斜面

1月 283.2 520.9

2月 346.3 529.4

3月 488.8 593.8

4月 597.4 622.1

5月 728.8 678.7

6月 721.7 640.9

7月 713.7 647.4

辐射量（MJ/m2）

月份

水平面 38°倾斜面

8月 672.9 667.9

9月 553.1 636.5

10月 452.2 629.6

11月 315.4 545.8

12月 257.3 504.4

平均 510.9 601.5

合计 6130.8 7217.4

经计算，项目所在地水平面年太阳总辐射量为6130.8MJ/m2，属于太阳能资源丰富区，具有开发利用价值，适合建设大型并网光伏电站。

1.4 太阳能资源综合评价

拟建光伏电站的地理位置与酒泉气象站比较接近，应属同一气候环境区域，两地的太阳高度角、天气状况、日照时数及海拔高度均相差不大，因此，本项目拟选的场址与气象站的太阳辐射情况相似，选择酒泉气象站作为本项目的代表气象站是合理的。

根据酒泉气象站（1994～2008年）太阳辐射量、（1976～2006年）日照时数的数据可知，其变化规律基本一致，可以认为酒泉气象站太阳辐射量的数据基本能够反应场址区的太阳能资源情况，以其作为本项目设计计算的基础数据是合理的。

根据酒泉气象站太阳总辐射量的年际变化趋势可以看出，近16年太阳辐射分布年际变化较稳定，基本维持在平均值6129.96MJ/m2上下波动，在5881.98MJ/m2～6362.56MJ/m2范围内变化。16年间的年太阳能辐射量最大值（6362.56MJ/m2）出现在1995年，而最小值（5881.98MJ/m2）出现在1998年。年内最高值出现在5月份，最低值出现在12月份，太阳总辐射量主要集中在4~8月，具有较明显的季节变化特点：夏季最多，冬季最少，春秋季接近。从太阳能资源利用角度来说，本地区属全国太阳能资源Ⅱ类地区，太能能资源丰富，在本场址建设大型太阳能光伏电站是可行的。

通过分析，本光伏电站光伏组件阵列的最佳倾角为38°，此时光伏组件阵列表面全面接受到的辐射总量达到最大值7217.4MJ/m2，较水平面上辐射总量高17.7%。

为了更为准确的评估场址区域太阳能辐射情况，建议业主尽快在场区内设立1座测光站。