建筑光伏发电关键气象环境因子影响机理及综合评估体系研究

Grid-connected Photovoltaic (PV) for urban building application is an important part of the civil economic- social sustainable development and environmental protection under urbanization. The research on key problems of building grid-connected PV, to reduce the negative impact of the uncertainty on the grid and backup capacity, will provide important theoretical basis for high efficiency and more economic building PV utilization, and have important practical significance for promoting the large-scale process by the national level and market. The project selects Wuhan, Shanghai and Beijing as the representative for central, eastern and North China with abundant solar resources and more developed economics, respectively. The project focuses on the accurate model of the total radiation on inclined surfaces and optimum tilt angle with distribution for building PV system, the influence principle analysis of critical meteorological-environmental factors on building PV efficiency and the coupling relationship between multiple variables to obtain the quantitative description of the mathematical model, the establishment of comprehensive performance evaluation system and the standard indicting regional differences based on the solar sources inherent characteristic and the process of meteorological power generation , and the power generation potential calculation method. Through the above investigation, it is expected that the refined evaluation and prediction theory for building grid-connected PV system can be achieved preliminary, also with the promotion the integration between energy electricity and meteorological technology.

基于城市建筑的光伏并网发电将是处于城镇化高潮期的我国经济社会可持续发展和环境保护的重要组成部分。研究建筑光伏并网发电的基础技术问题，降低不确定性对电网的负面影响，减少备用容量，将为高效和更经济的建筑光伏利用提供重要的理论基础，对国家层面及市场作用推动建筑光伏利用的规模化进程具有重要的现实意义。本项目选取资源较为丰富、经济较发达的中东部和京津冀地区代表城市武汉、上海和北京，研究光伏阵列斜面辐射的精确模型、给出三地的最佳倾角及其分布规律；分析典型气象环境要素对建筑光伏发电各环节效率（或发电量）的影响机制和多变量间耦合关系，并最终得到定量描述的数学模型；整合太阳能资源禀赋和建筑光伏气象-发电物理原理，建立一套综合的性能评估指标体系和体现地区差异的标准、推导三地建筑光伏发电潜能计算方法。通过上述研究，初步实现城市建筑光伏并网发电的精细化评估及预报理论指标体系，促进能源电力及气象技术领域的融合。

研究建筑光伏并网发电的基础技术问题，降低不确定性对电网的负面影响，减少备用容量，将为高效和更经济的建筑光伏利用提供重要的理论基础，对国家层面及市场作用推动建筑光伏利用的规模化进程具有重要的现实意义。本项目收集了京沪汉三地近10a辐射观测资料，对三地太阳能资源的多寡、直射比、稳定性等方面做资源评估及特征分析。对Page、Liu&Jordan和Erbs三种经典的“直散分离”模型进行分析与计算，获得了三地的本地化修正系数；考虑近年来我国城市大气污染加重，引入PM2.5作为影响因子，新建了不同尺度下多种“直散分离”预测模型，提高了预测准确率，并结合结合总云量、降水及能见度数据，分别对晴天、阴天和雨天等典型天气类型进行误差分析；最终解决了我国广大无直、散射观测地区的斜面辐射推算问题。针对斜面辐射与最佳倾角问题，利用多种各向同性及各向异性斜面辐射模型，进行理论计算，再通过武汉湖北省气象局多倾角光伏组件观测试验系统进行验证，对影响实际工况下光伏电站的最佳倾角的气象要素进行分析与探讨，获得了不同地区建筑光伏利用的最佳模型与最佳倾角，以及不同安装调整方式下最佳倾角辐射理论收益与光伏实际发电量收益的定量分析结果。研究了京沪汉三地垂直墙面的月平均日辐射值变化规律以及墙面辐射预测模型，发现空气污染严重会导致各向异性模型预测结果趋于各向同性模型预测结果。提出了光伏资源精细化评估指标体系及与评估预报的技术路线，对武汉地区一个多倾角直流离网光伏系统和两座分布式运行的并网光伏发电系统分别进行了全方位的评估，推导出光伏发电潜能估算方法。结合物理原理过程和统计方法（采用相关、偏相关、主成分分析），揭示气象环境因子对光伏发电量的影响机理，并基于主成分分析，提出了光伏发电量的线性、非线性以及组合预测模型，降低了因子维度，解除了耦合关系，最终使实际气象条件下预报准确率大幅提高。通过上述研究，初步实现了城市建筑光伏并网发电的精细化评估及预报理论指标体系，促进能源电力及气象技术领域的融合。