河北省太陽能資源開發利用現狀及其氣象服務分析

崔海華 河北省氣象行政技術服務中心

1 河北省太陽能資源分布

河北省位于北緯36°05′至42°40′、東經113°27′至119°50′之間，地形地貌復雜多樣，是我國唯一兼有高原、山地、丘陵、平原、湖泊和海濱的省份，主要由壩上高原、山地丘陵、河北平原三部分組成，形成了由西北向東南逐級降低的地勢。因為云量的多寡、日照豐富與否，直接影響著地面和大氣的輻射平衡和熱量平衡，從而影響太陽能資源分布。本文從河北省年平均云總量、年平均日照時數和太陽總輻射三個方面詳細分析河北省太陽能資源分布情況。

1.1 總云量的空間分布

本文利用河北省142 個國家氣象臺站1991—2020年總云量的日觀測數據，統計了1991—2020年30年累年各站總云量的平均值。全省年平均總云量為5.2 成，年總云量為3.9～7.3 成，最大值在衡水的安平，最小值在承德的圍場和張家口的懷來。利用克里金插值法繪制了1991—2020年河北省年平均總云量分布圖，如圖1 所示。河北省屬于多云地區，年平均總云量的總體分布趨勢是南部多、北部少。在冀中南地區可達五成以上，尤其是在石家莊、邢臺、衡水和滄州等部分地區的總云量可達5.6 成以上；保定地區的總云量相對較少，約在5 成左右；張家口、承德、秦皇島、唐山四地市的總云量均低于5 成，承德是總云量最少的地方，大部分地區低于4.5 成?？梢?，在承德、張家口、唐山、秦皇島和保定的總云量相對較少，適宜太陽能資源開發利用。

圖1 1991—2020年河北省年平均總云量分布圖

1.2 日照時數的空間分布

本文利用河北省142 個國家氣象臺站1991—2020年日照時數日觀測數據，統計了1991—2020年30年累年各站日照時數的平均值。全省年平均日照時數為2417h，利用克里金插值法得到142 個站的年平均日照時數分布圖，如圖2 所示，河北省屬于我國日照較為豐富的地區。河北省年平均日照時數的空間分布呈現出北部多，南部少，沿海地區多，山麓平原少。冀西北壩上高原地區是河北省年平均日照時數最多的地區，為2800～2969h，主要是因為該地區與蒙古高原相連，海拔較高，地勢較平坦且開闊，晴朗天氣多；太行山南段及其山麓平原地區日照時數最少，主要是受太行山地形影響，造成暖濕氣流在迎風坡抬升，易形成陰雨天氣，再加之霧霾天氣影響，導致該地區年平均日照時數偏少?？梢?，在張家口、承德、秦皇島是我省日照較豐富的地區。

圖2 1991—2020年河北省日照時數分布圖

1.3 太陽總輻射的空間分布

2023年4月4日，中國氣象局風能太陽能中心發布了《中國風能太陽能資源年景公報（2022年）》，公報顯示，河北省太陽總輻射量的空間分布呈北部年值高于南部，中部東西橫向由邊緣區域中間時遞減趨勢。（5040 MJ/m2≤GHR ＜6300 MJ/m2）。在中國風能太陽能資源年景公報（2022年）附錄5 中查得河北省2022年水平面總輻照量平均值為1537.5 kWh/m2，折合為5535 MJ/m2。

綜上所述，河北省各地云量、日照時數、太陽總輻射分布各異，但總體上張家口、承德和保定的太陽能資源相對豐富，具備地面電站、農光互補、光電建筑一體化等多種形式的開發條件，適宜開展光伏電站建設。

2 河北省太陽能資源開發利用

河北省太陽能資源優越，非常適宜發展光伏發電產業，也一直是光伏投資商關注的重點地區。河北省“十四五”規劃和二〇三五年遠景目標綱要中明確提出，“十四五”期間，河北省將在張家口、承德、唐山、滄州、沿太行山區重點建設光伏發電應用基地，到2025年光伏發電裝機容量達到5400 萬kW。本文從光伏發電累計裝機容量、空間分布和結構變化三個方面詳細分析河北省太陽能資源開發利用情況。

2.1 光伏發電累計裝機容量變化情況

據國家能源局統計數據，2014年河北省累計裝機容量150 萬kW，2022年累計裝機容量達到3885 萬kW，居全國第二位，2022年累計裝機容量是2014年的26 倍?？梢?，近10年來河北的光伏發電產業得到了突飛猛進的發展。從新增裝機容量看，隨著分布式光伏發電逐步推廣，2020年全省新增光伏發電裝機容量呈現爆發式增長。

2.2 光伏發電裝機容量空間分布情況

河北省山地面積占全省總面積的48.1%，這些山地的土地性質多為未利用荒地，具有植被稀少，光照條件良好，適宜建設山地式光伏電站。河北省雖然太陽能資源豐富，但市縣光伏產業資源、需求和條件情況不一，存在自身特點所生產的差異性。據河北省能源局統計，截止2022年底，河北省累計光伏裝機容量排名前五的地市分別是張家口、保定、邢臺、石家莊、滄州，分別占全省的21%、15%、14%、12%、12%，由此可見，各地市均借助太陽能資源豐富且土地利用條件較好的優勢，尤其是借助農光互補、光電建筑一體化等多種形式大力推進分布式光伏發電項目。

2.3 光伏發電裝機結構變化情況

光伏發電主要包括集中式光伏發電和分布式光伏發電兩類。集中式光伏發電一般為大型地面光伏電站，所發電能夠直接并網到主干電網；分布式光伏發電主要是指小型分散式光伏電站，主要有屋頂分布式光伏發電。隨著分布式光伏電站的推進，河北省光伏裝機結構發生了巨大的變化。2014—2016年，河北省光伏發電裝機結構以集中式光伏電站為主，占80%以上。2017—2022年，各地因地制宜大力推進分布式光伏發電項目，太陽能新增裝機向分布式傾斜，河北省分布式光伏發電的占比呈逐年增加趨勢。截至2022年，河北省集中式光伏電站累計裝機容量為1994 萬kW，占光伏電站總裝機容量的52%；分布式光伏電站累計裝機容量為1861萬kW，占總裝機容量的48%。

3 太陽能資源開發利用的氣象服務需求

隨著河北省光伏發電裝機容量的迅速擴大，集中式光伏電站和分布式光伏電站均步入大規模并網發展階段，為做好“碳達峰、碳中和”目標愿景下河北省新能源氣象服務，通過實地調研光伏發電企業（場站），綜合考了河北地理環境和氣候條件，在目前我國太陽能資源開發利用氣象服務現狀的基礎上，科學分析了河北省太陽能資源開發利用的氣象服務需求。下面從太陽能資源監測與評估、太陽能光伏發電功率預報、災害性天氣預報預警三個方面詳細闡述河北省太陽能資源開發利用的氣象服務需求。

3.1 太陽能資源監測與評估

到2022年底，河北省累計完成光伏發電裝機容量3885 萬kW，已完成2025年預期目標5400 萬kW 的72%，在未來3年如何科學合理布局光伏電站的建設，是能源管理部門和場站建設部門在選址建設中亟需解決的科學問題。需要有專業人員，結合土地利用、生態保護、城鄉建設等，根據太陽能資源特性進行深入分析和研究，為建站選址、光伏板排布、選型、建設規模等提供詳實的應用氣象學依據。

3.2 太陽能光伏發電功率預報

太陽輻射隨地理、季節、白晝、天氣狀況而變化，這就決定了光伏發電具有間歇性和不確定性，增加了電網計劃和調度的難度。光伏發電大規模并網對電網安全、可靠、經濟運行帶來了巨大挑戰。

準確預測光伏電站輸出功率可提高電網的安全性和可靠性，為調度運行部門調整和優化常規電源的發電計劃提供決策支撐，還可以增強光伏發電在電力市場中的競爭力，有助于光伏發電企業合理安排檢修計劃、減少棄光，提高企業的盈利。

按照國家政策要求，目前國內光伏項目基本上都有一套基于天氣預報的功率預測系統，但在操作層面上仍存在較大的波動性，急需利用天氣數據和數值預報模式降低功率預測的誤差和風險，尤其是在轉折性天氣預報的準確率上。太陽能光伏發電功率預報準確率的提高，有利于國家電網公司的電網平穩調度調峰和光伏發電場站做出合理交易策略，還可為其做出科學決策提供科技支撐。

3.3 災害性天氣預報預警

光伏電站大多建設在偏遠山區或丘陵地帶，該地區天氣復雜多變、惡劣天氣頻繁發生，且光伏電站對災害性天氣非常敏感。比如，高溫熱浪致使光伏組件發電效率下降、電池壽命縮短，大風冰雹致使建構筑物或發電設備損壞，雷擊致使電子元器件損壞，沙塵天氣降低發電效率，冰凍則會使輸電線路覆冰倒塌，山洪地質災害會損毀光伏場站基礎設施等。新能源發電管理部門為保障光伏場站安全運行，急需在大風、強對流、山洪、沙塵、山火等方面的精細化災害性天氣預警和氣象災害風險預報等氣象服務，為其提高防災減災能力，降低災害損失。

4 思考與建議

4.1 強化太陽能資源監測能力

河北省氣象部門目前有一級輻射站7個、二級輻射站1 個，太陽總輻射和紫外輻射觀測站13 個，遠遠不能滿足數值預報所需要的精度，需在光伏電站、分布式光伏較集中區域增加太陽輻照度觀測，開展河北省太陽能資源月、季、年等不同時間尺度的年景評估，為開展太陽能資源精細化監測評估和預報服務奠定基礎，有效支撐全省太陽能資源的合理開發和高效利用。

4.2 提升太陽能預報預測能力

利用多源資料融合技術、多源數值預報模式、機器學習技術等，優化預報預測模型，提高氣象預報預測精度、準確性和時效性。加強在大風、沙塵暴、覆冰、霧等災害性天氣對太陽能發電設施和電力輸送設施的影響機理的研究，提升基于太陽能場站的災害性天氣和極端氣候事件風險預警和災害防御能力。

4.3 提高太陽能氣象服務能力

充分對接河北省能源電力行業的發展需求，形成面向政府決策、規劃布局、發電生產、能源安全、電網消納及防災減災的全鏈條氣象服務能力，建立河北省太陽能開發利用全流程的精細化氣象服務。針對河北省農村新能源發展特點與能源安全，加強農村太陽能監測、預報、預警及評估，助力鄉村振興。