基于量維波動(dòng)的風(fēng)光年內(nèi)日尺度互補(bǔ)特性分析

楊紫薇，王現(xiàn)勛，段 凱，何明皇，姚華明,3,4

(1. 長(zhǎng)江大學(xué)資源與環(huán)境學(xué)院 油氣地球化學(xué)與環(huán)境湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 武漢 430100；2. 中山大學(xué)土木工程學(xué)院，廣東 廣州 510275； 3. 中國(guó)長(zhǎng)江電力股份有限公司，湖北 宜昌 443000；4.智慧長(zhǎng)江與水電科學(xué)湖北省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖北 宜昌 443000)

高效開(kāi)發(fā)利用風(fēng)、光等清潔可再生能源能為雙碳愿景目標(biāo)的實(shí)現(xiàn)提供綠色動(dòng)力和長(zhǎng)效支持[1]。利用風(fēng)、光資源的互補(bǔ)特性，可減緩風(fēng)、光電隨機(jī)波動(dòng)出力對(duì)電力系統(tǒng)的沖擊，降低棄風(fēng)、棄光率，進(jìn)而提高資源利用率。

風(fēng)、光資源的互補(bǔ)性通常表現(xiàn)為日內(nèi)晝夜互補(bǔ)和年內(nèi)季節(jié)互補(bǔ)[2]。近年來(lái)諸多學(xué)就此開(kāi)展研究并取得了一些進(jìn)展。Yi Liu等[3]指出在小時(shí)時(shí)間尺度下，中國(guó)北方和東部沿海的風(fēng)光互補(bǔ)性較好。Lanjing Xu等[4]研究表明我國(guó)風(fēng)光互補(bǔ)空間分布由強(qiáng)到弱分為四類(lèi)依次為：西北地區(qū)；北部、西部及部分海岸地區(qū)；東部、西南部及西北地區(qū)；中部及中南地區(qū)。劉振宇等[5]指出山西省11個(gè)市可以實(shí)現(xiàn)月尺度下的風(fēng)光互補(bǔ)。常見(jiàn)的互補(bǔ)刻畫(huà)方法有相關(guān)系數(shù)法和波動(dòng)互補(bǔ)法，Yanmei Zhu等[6]用Person相關(guān)性分析研究風(fēng)電、光電、水電的互補(bǔ)性。Hengxu Zhang等[7]利用爬坡率來(lái)刻畫(huà)波動(dòng)，并提出風(fēng)光協(xié)同系數(shù)。已知波動(dòng)既體現(xiàn)在縱向數(shù)量的變化(量維波動(dòng))，又體現(xiàn)在橫向形狀的變化(形維波動(dòng))[8]，現(xiàn)有的研究大多從縱向數(shù)量的變化入手刻畫(huà)波動(dòng)值，且多使用標(biāo)準(zhǔn)差。經(jīng)調(diào)研，電力系統(tǒng)備用容量安排和日前發(fā)電計(jì)劃制定多取決于風(fēng)、光電出力的日均值，尤其是在我國(guó)風(fēng)、光電占比最高的西北地區(qū)，而目前風(fēng)光互補(bǔ)研究大多聚焦于小時(shí)、月等時(shí)間尺度。因此，亟需深入探究日時(shí)間尺度下風(fēng)光資源的波動(dòng)互補(bǔ)特性。

鑒于此，本文針對(duì)風(fēng)、光資源年內(nèi)日尺度互補(bǔ)特性進(jìn)行研究?；诔Ｒ?jiàn)的刻畫(huà)量維波動(dòng)的指標(biāo)——標(biāo)準(zhǔn)差(Standard Deviation，簡(jiǎn)稱SD)提出互補(bǔ)率(Complementarity Rate，簡(jiǎn)稱CR)，采用1961～2016年全國(guó)范圍內(nèi)風(fēng)速和太陽(yáng)輻射日時(shí)間序列數(shù)據(jù)，從多種時(shí)空角度分析風(fēng)、光資源年內(nèi)日尺度波動(dòng)互補(bǔ)的演變特征，以期對(duì)風(fēng)光互補(bǔ)特性有新的認(rèn)識(shí)，為新能源的開(kāi)發(fā)利用提供參考依據(jù)。

1 研究對(duì)象與方法

1.1 研究對(duì)象與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)

本文采用中國(guó)氣象局提供的資料，對(duì)全國(guó)風(fēng)光資源互補(bǔ)特性展開(kāi)研究。風(fēng)速和日照時(shí)數(shù)具體數(shù)據(jù)來(lái)自“中國(guó)地面氣候日數(shù)據(jù)集(V3.0)”。該數(shù)據(jù)集包含1961～2016年726個(gè)地面氣象站的10 m高度風(fēng)速資料和日照時(shí)數(shù)逐日資料，風(fēng)速、日照時(shí)數(shù)記錄的間隔為1 d。

由于我國(guó)沒(méi)有廣泛測(cè)量輻射通量，本研究使用日照時(shí)數(shù)的數(shù)據(jù)來(lái)計(jì)算太陽(yáng)輻射量[9]：

(1)

式中：Rs為太陽(yáng)輻射量，W/m2；S為日照時(shí)數(shù)，h；n為1 d中最大可能日照時(shí)數(shù)，h；Ra為每日的地外輻射，MJ·m-2·d-1；as為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，取值范圍[0.12,0.29]，本文參考文獻(xiàn)[10]取0.25；bs為取值范圍[0.45,0.73]，本文參考文獻(xiàn)[11]取0.50。

鑒于風(fēng)速和太陽(yáng)輻射的量綱不同，先將風(fēng)速轉(zhuǎn)換為風(fēng)能密度。風(fēng)能密度(W)是評(píng)價(jià)風(fēng)能潛力大小的重要指標(biāo)，是氣流垂直通過(guò)單位面積的風(fēng)能，其計(jì)算公式為[12]

(2)

(3)

式中：W為風(fēng)能密度，W/m2；v為日均風(fēng)速，m/s；ρ為空氣密度，kg/m3；t為氣溫，℃；P為氣壓，mm；e為絕對(duì)濕度，mm。

1.2 研究方法

本文提出互補(bǔ)率CR以定量刻畫(huà)兩個(gè)時(shí)間序列的波動(dòng)互補(bǔ)特性。首先計(jì)算時(shí)間序列A和B各自的波動(dòng)值(即互補(bǔ)前的波動(dòng)值)，再計(jì)算兩個(gè)序列加和后的波動(dòng)值(即互補(bǔ)后的波動(dòng)值)，互補(bǔ)前、后的波動(dòng)值差值(即波動(dòng)互補(bǔ)值)與互補(bǔ)前兩個(gè)時(shí)間序列的波動(dòng)值之和的比值，計(jì)為兩個(gè)時(shí)間序列的互補(bǔ)率。

1.2.1 單類(lèi)資源波動(dòng)值

風(fēng)能、光能波動(dòng)的計(jì)算過(guò)程為：將單類(lèi)資源時(shí)間序列計(jì)為{xi,yi}，其中xi為時(shí)間值，yi為單類(lèi)資源，i為時(shí)段編號(hào)，i=1，2，…，N，N為時(shí)間序列時(shí)段總數(shù)，代入算式(4)中即可得到對(duì)應(yīng)的波動(dòng)值。

(4)

式中：SD為標(biāo)準(zhǔn)差，其量綱與yi相同，其數(shù)值越大，表示時(shí)間序列的波動(dòng)性越大，反之亦然。時(shí)間序列A的波動(dòng)值計(jì)為SD(A)。

1.2.2 風(fēng)光資源互補(bǔ)率

如前所述，風(fēng)光互補(bǔ)率CR為波動(dòng)互補(bǔ)值與互補(bǔ)前波動(dòng)值之和的比值，如式(5)所示。

(5)

式中：TSW為風(fēng)能密度時(shí)間序列；TSRs為太陽(yáng)輻射量時(shí)間序列；TSWRs為風(fēng)能密度和太陽(yáng)輻射量加和后時(shí)間序列(注：二者量綱均為W/m2，可直接相加)。時(shí)間序列A和時(shí)間序列B的互補(bǔ)率計(jì)為CR(A,B)。

2 結(jié)果與分析

2.1 風(fēng)光波動(dòng)互補(bǔ)多年平均特征

圖1為風(fēng)能密度與太陽(yáng)輻射量時(shí)間序列波動(dòng)值多年平均結(jié)果的空間分布圖。由圖1可知，風(fēng)能密度的波動(dòng)整體上呈現(xiàn)北高南低，全國(guó)范圍波動(dòng)平均值約為43.61 W/m2，其中新疆東部、內(nèi)蒙古北部和東北三省波動(dòng)值較大。太陽(yáng)輻射量的波動(dòng)整體上呈現(xiàn)中東部大于西部的特征，全國(guó)范圍波動(dòng)平均值約為78.37 W/m2，其中新疆北部、長(zhǎng)江中下游流域波動(dòng)值較大。風(fēng)能密度波動(dòng)北高南低和太陽(yáng)輻射量波動(dòng)南高北低的整體趨勢(shì)現(xiàn)象說(shuō)明了兩類(lèi)資源在空間上具備一定的互補(bǔ)條件。

圖2為風(fēng)光互補(bǔ)率多年平均值的空間分布圖。由圖2可知，風(fēng)光互補(bǔ)率較高的地區(qū)集中在內(nèi)蒙古自治區(qū)、東北三省、華北地區(qū)、西北地區(qū)的北部和中部，以及沿海地區(qū)；全國(guó)范圍互補(bǔ)率平均值約為0.181，最高值出現(xiàn)在廣西壯族自治區(qū)北海市(0.373)，最低值出現(xiàn)在云南省西雙版納傣族自治州(0.015)。該結(jié)果與文獻(xiàn)[4]關(guān)于北方和沿海地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)的論述較為一致。中國(guó)地形類(lèi)型復(fù)雜多樣，地形地勢(shì)是影響風(fēng)、光的重要因子。從地形地勢(shì)的角度來(lái)看，四川盆地、云貴川高原地區(qū)的風(fēng)光互補(bǔ)率顯著較低。該結(jié)果與文獻(xiàn)[5]從秩相關(guān)的角度研究中國(guó)風(fēng)光互補(bǔ)的結(jié)論較為一致。受地形影響，四川盆地夏季盛行下沉氣流風(fēng)力小，冬季形成逆溫層；受盆地屏障作用，平均風(fēng)速小且長(zhǎng)期處于穩(wěn)定層中，冬季從高原南下的冷干空氣與盆地內(nèi)的暖濕空氣相遇形成多云多霧天氣，太陽(yáng)能資源匱乏，可能一定程度上影響了風(fēng)光互補(bǔ)效果。

圖2 風(fēng)光互補(bǔ)率多年平均值空間分布特征圖

依據(jù)資源特性，全國(guó)的風(fēng)能、太陽(yáng)能進(jìn)行了三級(jí)區(qū)劃(朱瑞兆)[13]。位于第一階梯青藏高原風(fēng)光互補(bǔ)效果相對(duì)較好，互補(bǔ)率最高達(dá)0.251。內(nèi)蒙古位于第二階梯，屬于區(qū)劃中的風(fēng)能、太陽(yáng)能均豐富的地區(qū)，風(fēng)光互補(bǔ)率達(dá)到0.198～0.332左右。夏半年太陽(yáng)輻射豐富，受熱低壓控制，風(fēng)速??；冬半年太陽(yáng)輻射匱乏，西伯利亞高壓強(qiáng)勢(shì)，風(fēng)速大，該區(qū)域兩種能源豐富和匱乏的時(shí)間呈現(xiàn)明顯的互補(bǔ)特征，是互補(bǔ)性利用潛力較強(qiáng)的區(qū)域。山東省、江蘇省等區(qū)域位于第三階梯，屬于區(qū)劃中太陽(yáng)能可利用、風(fēng)能豐富區(qū)，互補(bǔ)率最高達(dá)到0.407，為風(fēng)光互補(bǔ)發(fā)電提供了有利條件。

2.2 不同時(shí)期風(fēng)光波動(dòng)互補(bǔ)特征

鑒于已有研究指出以1990年為拐點(diǎn)中國(guó)地面太陽(yáng)輻射近50年來(lái)呈現(xiàn)先減后增的趨勢(shì)[14]；風(fēng)速整體呈現(xiàn)減小趨勢(shì)，90年后風(fēng)速的下降速率變小。因此，以1990年為界分析研究時(shí)間范圍內(nèi)前后兩個(gè)時(shí)期的風(fēng)光互補(bǔ)效果，如圖3所示。對(duì)比可知，1961～1990年間風(fēng)光互補(bǔ)率的空間分布與1961～2016年間的空間分布特征整體差異相對(duì)較小，均呈現(xiàn)西南小、北方大的現(xiàn)象；然而在互補(bǔ)率數(shù)值方面有明顯差異，1991～2016年間風(fēng)光互補(bǔ)率(平均值0.002)明顯小于1961～1990年間的互補(bǔ)率(平均值0.204)。從局部來(lái)看，新疆北部、內(nèi)蒙古自治區(qū)、東北三省和西北地區(qū)中部，這些區(qū)域互補(bǔ)效果下降更明顯。

考慮時(shí)間研究跨度較大，選取本研究基礎(chǔ)數(shù)據(jù)的時(shí)間范圍的首、末年份(1961年、2016年)和前述拐點(diǎn)年份(1990年)，進(jìn)一步分析風(fēng)光互補(bǔ)率的分布特征。

從圖4可以明顯看出三個(gè)年份的年互補(bǔ)率有明顯的差異。由1961年全國(guó)風(fēng)光互補(bǔ)率空間分布來(lái)看(圖4a)，華北地區(qū)、華東地區(qū)、華中地區(qū)局部、沿海地區(qū)和西北地區(qū)的風(fēng)光互補(bǔ)效果較好。1990年的分布(圖4b)與1961年相比華東地區(qū)和新疆部分區(qū)域風(fēng)光互補(bǔ)率下降。2016年的分布(圖4c)與1990年相比內(nèi)蒙古區(qū)域、華北地區(qū)、華東地區(qū)風(fēng)光互補(bǔ)率明顯下降。三個(gè)年份之間，西北地區(qū)西部和華東地區(qū)的變化較明顯，例如浙江省湖州市的互補(bǔ)率呈現(xiàn)先升后降，1961、1990、2016年互補(bǔ)率分別為0.273、0.315、0.003；西南地區(qū)仍然沒(méi)有明顯的差異。

圖4 不同年份風(fēng)光互補(bǔ)率空間分布圖

1990年后氣候變暖速率增加，城市化進(jìn)入快速發(fā)展時(shí)期，氣溫、人類(lèi)活動(dòng)等因子都在不同程度上影響著風(fēng)光資源的波動(dòng)變化。整體來(lái)看，在本文研究時(shí)間范圍內(nèi)，中國(guó)1961～2016年中國(guó)風(fēng)光互補(bǔ)率呈整體下降的趨勢(shì)。

2.3 部分地區(qū)風(fēng)光波動(dòng)互補(bǔ)特征

為更具體地從時(shí)間的角度分析風(fēng)光互補(bǔ)的變化情況，這里選取部分互補(bǔ)率較高且具有空間差異的站點(diǎn)開(kāi)展相關(guān)研究。選取的6個(gè)沿海、內(nèi)陸站點(diǎn)的具體地理坐標(biāo)如表1所示，下文分析其時(shí)間變化特征。

表1 各站點(diǎn)的地理位置

圖5是前述站點(diǎn)各年的互補(bǔ)率折線圖，可以從圖5中看出沿海、內(nèi)陸的年際變化差異。由圖5可知，山東省、江蘇省、上海市等地呈明顯的下降趨勢(shì)；新疆維吾爾族自治區(qū)、甘肅省、內(nèi)蒙古自治區(qū)等地變化趨勢(shì)不明顯。

風(fēng)、光資源屬于自然資源，氣候變化與能源利用之間有顯著聯(lián)系。沿海地區(qū)受季風(fēng)影響氣候敏感性較強(qiáng)，內(nèi)陸地區(qū)氣候敏感性較弱，一定程度上解釋了圖5所示現(xiàn)象。以上海為例，由于我國(guó)夏季風(fēng)自1850年來(lái)經(jīng)歷了強(qiáng)-弱-強(qiáng)-弱四個(gè)階段的變化，在海陸氣壓差和季風(fēng)的影響下，其風(fēng)能密度波動(dòng)變化較大。隨著極端暖事件增多，熱持續(xù)指數(shù)明顯偏高，太陽(yáng)輻射波動(dòng)變化顯著，其風(fēng)光互補(bǔ)率不穩(wěn)定。位于內(nèi)陸的新疆阿勒泰地區(qū)距海遙遠(yuǎn)，有較穩(wěn)定的盛行風(fēng)向，北部為阿爾泰山，南部為天山山脈，冬春季節(jié)阻隔了冷空氣南下，盆地成為了冷空氣的天然通道，風(fēng)光資源穩(wěn)定，風(fēng)光互補(bǔ)率變化幅度小。

圖5 沿海內(nèi)陸互補(bǔ)率年際變化折線圖

3 結(jié) 語(yǔ)

本文從空間和時(shí)間角度，研究了中國(guó)56年間風(fēng)能、光能互補(bǔ)的多年平均分布特征、不同時(shí)期分布特征、部分地區(qū)變化特征，得到以下結(jié)論：

1)中國(guó)東北地區(qū)、華北地區(qū)、華東地區(qū)、西北地區(qū)中部、南部沿海地區(qū)年內(nèi)日尺度下的風(fēng)光互補(bǔ)率較高，四川盆地、云貴高原、橫斷山區(qū)等地形區(qū)的互補(bǔ)性相對(duì)最弱；

2)以1990年為界，1990年前后的風(fēng)光互補(bǔ)空間分布整體特征差異相對(duì)較小，東北三省、內(nèi)蒙古自治區(qū)、新疆北部呈現(xiàn)顯著下降趨勢(shì)；1961年至2016年間整體呈現(xiàn)下降的趨勢(shì)；

3)沿海、內(nèi)陸地區(qū)差異分析表明，位于山東、江蘇、上海等地區(qū)的站點(diǎn)呈明顯的下降趨勢(shì)，位于新疆、甘肅、內(nèi)蒙古等地區(qū)的站點(diǎn)變化趨勢(shì)不明顯。

本研究為風(fēng)能、光能的互補(bǔ)開(kāi)發(fā)利用提供了參考。在未來(lái)研究中，將分析季節(jié)、小時(shí)等不同尺度下的風(fēng)光互補(bǔ)性，進(jìn)而研究風(fēng)、光、水聯(lián)合發(fā)電的互補(bǔ)特性。