河北省太阳能资源开发利用现状及其气象服务分析

崔海华 河北省气象行政技术服务中心

河北省位于北纬36°05′至42°40′、东经113°27′至119°50′之间，地形地貌复杂多样，是我国唯一兼有高原、山地、丘陵、平原、湖泊和海滨的省份，主要由坝上高原、山地丘陵、河北平原三部分组成，形成了由西北向东南逐级降低的地势。因为云量的多寡、日照丰富与否，直接影响着地面和大气的辐射平衡和热量平衡，从而影响太阳能资源分布。本文从河北省年平均云总量、年平均日照时数和太阳总辐射三个方面详细分析河北省太阳能资源分布情况。

1.1 总云量的空间分布

本文利用河北省142 个国家气象台站1991—2020年总云量的日观测数据，统计了1991—2020年30年累年各站总云量的平均值。全省年平均总云量为5.2 成，年总云量为3.9～7.3 成，最大值在衡水的安平，最小值在承德的围场和张家口的怀来。利用克里金插值法绘制了1991—2020年河北省年平均总云量分布图，如图1 所示。河北省属于多云地区，年平均总云量的总体分布趋势是南部多、北部少。在冀中南地区可达五成以上，尤其是在石家庄、邢台、衡水和沧州等部分地区的总云量可达5.6 成以上；
保定地区的总云量相对较少，约在5 成左右；
张家口、承德、秦皇岛、唐山四地市的总云量均低于5 成，承德是总云量最少的地方，大部分地区低于4.5 成。可见，在承德、张家口、唐山、秦皇岛和保定的总云量相对较少，适宜太阳能资源开发利用。

图1 1991—2020年河北省年平均总云量分布图

1.2 日照时数的空间分布

本文利用河北省142 个国家气象台站1991—2020年日照时数日观测数据，统计了1991—2020年30年累年各站日照时数的平均值。全省年平均日照时数为2417h，利用克里金插值法得到142 个站的年平均日照时数分布图，如图2 所示，河北省属于我国日照较为丰富的地区。河北省年平均日照时数的空间分布呈现出北部多，南部少，沿海地区多，山麓平原少。冀西北坝上高原地区是河北省年平均日照时数最多的地区，为2800～2969h，主要是因为该地区与蒙古高原相连，海拔较高，地势较平坦且开阔，晴朗天气多；
太行山南段及其山麓平原地区日照时数最少，主要是受太行山地形影响，造成暖湿气流在迎风坡抬升，易形成阴雨天气，再加之雾霾天气影响，导致该地区年平均日照时数偏少。可见，在张家口、承德、秦皇岛是我省日照较丰富的地区。

图2 1991—2020年河北省日照时数分布图

1.3 太阳总辐射的空间分布

2023年4月4日，中国气象局风能太阳能中心发布了《中国风能太阳能资源年景公报（2022年）》，公报显示，河北省太阳总辐射量的空间分布呈北部年值高于南部，中部东西横向由边缘区域中间时递减趋势。（5040 MJ/m2≤GHR ＜6300 MJ/m2）。在中国风能太阳能资源年景公报（2022年）附录5 中查得河北省2022年水平面总辐照量平均值为1537.5 kWh/m2，折合为5535 MJ/m2。

综上所述，河北省各地云量、日照时数、太阳总辐射分布各异，但总体上张家口、承德和保定的太阳能资源相对丰富，具备地面电站、农光互补、光电建筑一体化等多种形式的开发条件，适宜开展光伏电站建设。

河北省太阳能资源优越，非常适宜发展光伏发电产业，也一直是光伏投资商关注的重点地区。河北省“十四五”规划和二〇三五年远景目标纲要中明确提出，“十四五”期间，河北省将在张家口、承德、唐山、沧州、沿太行山区重点建设光伏发电应用基地，到2025年光伏发电装机容量达到5400 万kW。本文从光伏发电累计装机容量、空间分布和结构变化三个方面详细分析河北省太阳能资源开发利用情况。

2.1 光伏发电累计装机容量变化情况

据国家能源局统计数据，2014年河北省累计装机容量150 万kW，2022年累计装机容量达到3885 万kW，居全国第二位，2022年累计装机容量是2014年的26 倍。可见，近10年来河北的光伏发电产业得到了突飞猛进的发展。从新增装机容量看，随着分布式光伏发电逐步推广，2020年全省新增光伏发电装机容量呈现爆发式增长。

2.2 光伏发电装机容量空间分布情况

河北省山地面积占全省总面积的48.1%，这些山地的土地性质多为未利用荒地，具有植被稀少，光照条件良好，适宜建设山地式光伏电站。河北省虽然太阳能资源丰富，但市县光伏产业资源、需求和条件情况不一，存在自身特点所生产的差异性。据河北省能源局统计，截止2022年底，河北省累计光伏装机容量排名前五的地市分别是张家口、保定、邢台、石家庄、沧州，分别占全省的21%、15%、14%、12%、12%，由此可见，各地市均借助太阳能资源丰富且土地利用条件较好的优势，尤其是借助农光互补、光电建筑一体化等多种形式大力推进分布式光伏发电项目。

2.3 光伏发电装机结构变化情况

光伏发电主要包括集中式光伏发电和分布式光伏发电两类。集中式光伏发电一般为大型地面光伏电站，所发电能够直接并网到主干电网；
分布式光伏发电主要是指小型分散式光伏电站，主要有屋顶分布式光伏发电。随着分布式光伏电站的推进，河北省光伏装机结构发生了巨大的变化。2014—2016年，河北省光伏发电装机结构以集中式光伏电站为主，占80%以上。2017—2022年，各地因地制宜大力推进分布式光伏发电项目，太阳能新增装机向分布式倾斜，河北省分布式光伏发电的占比呈逐年增加趋势。截至2022年，河北省集中式光伏电站累计装机容量为1994 万kW，占光伏电站总装机容量的52%；
分布式光伏电站累计装机容量为1861万kW，占总装机容量的48%。

随着河北省光伏发电装机容量的迅速扩大，集中式光伏电站和分布式光伏电站均步入大规模并网发展阶段，为做好“碳达峰、碳中和”目标愿景下河北省新能源气象服务，通过实地调研光伏发电企业（场站），综合考了河北地理环境和气候条件，在目前我国太阳能资源开发利用气象服务现状的基础上，科学分析了河北省太阳能资源开发利用的气象服务需求。下面从太阳能资源监测与评估、太阳能光伏发电功率预报、灾害性天气预报预警三个方面详细阐述河北省太阳能资源开发利用的气象服务需求。

3.1 太阳能资源监测与评估

到2022年底，河北省累计完成光伏发电装机容量3885 万kW，已完成2025年预期目标5400 万kW 的72%，在未来3年如何科学合理布局光伏电站的建设，是能源管理部门和场站建设部门在选址建设中亟需解决的科学问题。需要有专业人员，结合土地利用、生态保护、城乡建设等，根据太阳能资源特性进行深入分析和研究，为建站选址、光伏板排布、选型、建设规模等提供详实的应用气象学依据。

3.2 太阳能光伏发电功率预报

太阳辐射随地理、季节、白昼、天气状况而变化，这就决定了光伏发电具有间歇性和不确定性，增加了电网计划和调度的难度。光伏发电大规模并网对电网安全、可靠、经济运行带来了巨大挑战。

准确预测光伏电站输出功率可提高电网的安全性和可靠性，为调度运行部门调整和优化常规电源的发电计划提供决策支撑，还可以增强光伏发电在电力市场中的竞争力，有助于光伏发电企业合理安排检修计划、减少弃光，提高企业的盈利。

按照国家政策要求，目前国内光伏项目基本上都有一套基于天气预报的功率预测系统，但在操作层面上仍存在较大的波动性，急需利用天气数据和数值预报模式降低功率预测的误差和风险，尤其是在转折性天气预报的准确率上。太阳能光伏发电功率预报准确率的提高，有利于国家电网公司的电网平稳调度调峰和光伏发电场站做出合理交易策略，还可为其做出科学决策提供科技支撑。

3.3 灾害性天气预报预警

光伏电站大多建设在偏远山区或丘陵地带，该地区天气复杂多变、恶劣天气频繁发生，且光伏电站对灾害性天气非常敏感。比如，高温热浪致使光伏组件发电效率下降、电池寿命缩短，大风冰雹致使建构筑物或发电设备损坏，雷击致使电子元器件损坏，沙尘天气降低发电效率，冰冻则会使输电线路覆冰倒塌，山洪地质灾害会损毁光伏场站基础设施等。新能源发电管理部门为保障光伏场站安全运行，急需在大风、强对流、山洪、沙尘、山火等方面的精细化灾害性天气预警和气象灾害风险预报等气象服务，为其提高防灾减灾能力，降低灾害损失。

4.1 强化太阳能资源监测能力

河北省气象部门目前有一级辐射站7个、二级辐射站1 个，太阳总辐射和紫外辐射观测站13 个，远远不能满足数值预报所需要的精度，需在光伏电站、分布式光伏较集中区域增加太阳辐照度观测，开展河北省太阳能资源月、季、年等不同时间尺度的年景评估，为开展太阳能资源精细化监测评估和预报服务奠定基础，有效支撑全省太阳能资源的合理开发和高效利用。

4.2 提升太阳能预报预测能力

利用多源资料融合技术、多源数值预报模式、机器学习技术等，优化预报预测模型，提高气象预报预测精度、准确性和时效性。加强在大风、沙尘暴、覆冰、雾等灾害性天气对太阳能发电设施和电力输送设施的影响机理的研究，提升基于太阳能场站的灾害性天气和极端气候事件风险预警和灾害防御能力。

4.3 提高太阳能气象服务能力

充分对接河北省能源电力行业的发展需求，形成面向政府决策、规划布局、发电生产、能源安全、电网消纳及防灾减灾的全链条气象服务能力，建立河北省太阳能开发利用全流程的精细化气象服务。针对河北省农村新能源发展特点与能源安全，加强农村太阳能监测、预报、预警及评估，助力乡村振兴。

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