临夏地区太阳能资源特征分析及评估

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  摘要 利用临夏地区6个站点1968—2013年逐日日照时数、月日照百分率数据,根据太阳辐射气候学公式,基于天文辐射的方法计算各站逐日、月、季节、年总太阳辐射,综合分析出临夏地区太阳辐射的年、季节变化特征,依据2014年中华人民共和国新国标《GB/T 31155—2014 太阳能资源等级总辐射》《GB/T 31155—2014 太阳能资源测量总辐射》标准,对临夏地区太阳能资源进行评估。结果表明:临夏地区太阳总辐射为5 157.3~6 161.2 MJ/m2,属于太阳能资源较丰富地区,整体趋势从中部向四周扩散,逐步减小,北部大于南部;最有利的使用季节为夏季和春季;可利用天数最少月份为11月至次年1月;太阳能利用率潜力最大值在广河县,最小在和政县南部阴湿高寒区域、积石山县西部和康乐县南部;太阳能资源很稳定,开发利用价值很高。
  關键词 太阳能资源;特征;评估;甘肃临夏
  中图分类号 P422.1 文献标识码 A 文章编号 1007-5739(2016)11-0282-03
  随着经济社会的快速发展,人们对能源的需求将持续增长。在增加能源供应的同时,保护生态环境、促进经济可持续发展,是经济社会发展的一项重大任务。太阳能和石油、煤炭等矿物燃料不同,不会导致“温室效应”和全球性气候变化,也不会造成环境污染。正因为如此,太阳能的利用受到许多国家的重视,大家正在竞相开发各种光电新技术和光电新型材料,以扩大太阳能利用的应用领域。特别是在近10余年来,在石油可开采量日渐见底和生态环境日益恶化这两大危机的夹击下,越来越企盼着“太阳能时代”的到来。临夏地区属于太阳能很丰富的区域,但由于地处西北边陲,经济欠发达,各方面的因素导致该地区的太阳能利用仅局限于太阳能热水器、太阳能路灯等方面。2015年临夏地区委州政府“十三五”规划中也将太阳能资源开发利用作为重点能源开发项目提上日程。该文根据2014年9月由中华人民共和国国家质量监督检验检疫局正式发布的新国标《GB/T 31155—2014太阳能资源等级总辐射》和《GB/T 31155—2014 太阳能资源测量总辐射》标准[1]进行临夏地区太阳能资源的光热特征分析及评估,为临夏太阳能开发利用提供科学依据,对利用清洁能源、可再生能源、促进地方经济协调发展具有十分重要的意义。
  1 区域概况与研究方法
  1.1 研究区概况
  临夏回族自治州位于黄河上游、甘肃省中部西南部,位于中国大陆版图的几何中心。介于北纬34°57′~36°12′,东经102°41′~103°40′之间,总面积为8 169 km2,占甘肃省总面积的1.78%。共辖临夏市、永靖县、广河县、临夏县、和政县、康乐县、东乡族自治县、积石山保安族东乡族撒拉族自治县8个县、市[2]。
  临夏回族自治州深居内陆,地势西南高,东北低,由西南向东北递降,呈倾斜盆地状态,属高原浅山丘陵区。临夏地区气候的最显著特征是气温日较差大,日照时数时间长,降水少,太阳辐射强。南部太子山区阴湿多雨,气温低,无霜期短。中北部日照充足,蒸发强烈,昼夜温差大,全年日照时数达2 300~2 600 h,无霜期260~280 d,属太阳辐射资源很丰富地区[3]。
  1.2 资料来源
  收集了临夏地区6个站点1968—2013年逐月、年日照时数资料,根据气候学计算方法推算1968—2013年全地区所有站点的逐日太阳辐射及月年总量,并根据太阳能资源分级标准进行评估。
  1.3 太阳辐射计算方法
  由于我国太阳总辐射观测站点稀疏,太阳辐射资料缺乏,目前,国内外有关太阳总辐射的气候学计算方法有多种,本文采用基于天文辐射的方法进行计算[4-6],其计算公式如下:
  式(1)中,ag和bg为回归常数;G为日太阳总辐射(单位为MJ/m2·d);Ra为天文辐射(单位为MJ/m2·d),由太阳常数、日地平均距离订正项、太阳赤纬、纬度、日没时角和该日在1年中的序数来估计;n为实际日照时数(单位为h);N为可能日照时数(单位为h);n/N为日照百分率。
  式(3)中,Gsc为太阳常数,取值0.082 0(单位为MJ/m2·min)。
  式(4)中,dx为日地平均距离订正项,δ为太阳赤纬(rad)。
  式(5)中,J为日序,1月1日为1,取值范围为1~365或366(闰年),φ为当地纬度(rad),ωs为日落时角(rad)。
  ag和bg为随大气状况和太阳赤纬而变化的参数,当没有实际的太阳辐射资料和经验参数可以利用时,联合国粮农组织(FAO)推荐ag=0.25,bg=0.50[7],利用6个站点(1968—2013年)逐日日照时数、月日照百分率,根据(1)~(6)式计算各站逐日太阳总辐射,月、季节、年总太阳辐射。将春季(3—5月)、夏季(6—8月)、秋季(9—11月)、冬季(12月至次年2月)四季和年内逐日太阳总辐射求和即可计算出四季和年的太阳总辐射。
  1.4 太阳能资源评估方法
  根据太阳辐射的变化特征,依据中华人民共和国新国标《GB/T 31155—2014 太阳能资源等级 总辐射》,对临夏地区太阳能资源进行评估。
  2 结果与分析
  2.1 太阳能资源的空间分布特征
  2.1.1 年太阳总辐射分布特征。临夏地区各地年太阳总辐射平均值在5157.3~6 161.2 MJ/m2范围内,最高值与最低值相差1 003.9 MJ/m2。其中,广河1994年出现最多为6161.2 MJ/m2,临夏地区1989年最少为5157.6 MJ/m2。与全省相比,临夏地区总辐射属中等水平(河西最多)。
  临夏地区北部干旱和半干旱地区,包括永靖、东乡县年总辐射随海拔高度的升高而递增成幂函数关系(表1)。临夏地区南部湿润和半湿润地区,年总辐射随海拔高度的变化表现在2 200~2 400 m以下地区由于随海拔高度升高降水迅速增多,日照减少,年总辐射随海拔高度的升高而递减,积石山、太子山2 200~2 400 m沿山地区、康乐南部阴湿区域总辐射最小,在5 100 MJ/m2左右。2 400 m以上地区,总辐射又随高度的升高而递增(图1)。整体趋势从中部向四周扩散,逐步减小,北部大于南部。   2.1.2 各季太阳总辐射分布特征。冬季,由于太阳高度角小,日照时间短,是一年中太阳总辐射最小的季节[8],太阳总辐射量在930~990 MJ/m2,占全年总辐射量的17%左右(表2)。
  春季,由于太阳高度角变大[9],雨季尚未到来,太阳总辐射量迅速增大,为1 600~1 700 MJ/m2,占全年总辐射量的29%左右。夏季,太阳高度角最大,日照时间长,是全年中太阳总辐最多的季节,为1 800~2 000 MJ/m2,占全年总辐射量的35%左右。秋季,太阳高度角变小,日照时间缩短,降水量较大,太阳总辐射量减少,为1 100~1 200 MJ/m2,占全年总辐射量的19%左右。临夏地区年总辐射的季节变化为夏季大、冬季小。1—6月逐月增大,7—8月达极值,9—12月逐月减小。
  2.2 太阳能资源评估
  2.2.1 太阳能资源丰富程度评估。太阳能资源利用实质上是太阳辐射量的能量转化。根据太阳年总辐射量理论计算资料,参照中国太阳能利用分级标准(表3),临夏地区年总辐射量为5 300~6 100 MJ/m2,整体属于资源很丰富的区域,开发利用价值很高。
  2.2.2 太阳能可利用天数。以日照时数≥6 h的天数表示太阳能实际可利用天数。这种天数越多,太阳能资源利用的有效性越好。临夏地区≥6 h的天数在280~300 d之间,日照时数≥6 h天数分布情况与太阳能资源分布相吻合,即中部最多,北部偏多,东南和西部相对偏少。
  全州日照时数≥6 h可利用天数的最多月份,即太阳能利用的有利月份为5—7月,其次为8月、4月、3月。9月因多阴雨天气,太阳辐射减少很快,太阳能利用率甚至低于3月、4月。全州日照时数≥6 h可利用天数的最少月份为11月至次年1月。
  由于温度条件的限制,太阳能利用率潜力最大值在广河县,最小在南部阴湿高寒区域、积石山县西部和康乐县南部。冬季各月温度在0 ℃以下,目前利用率低,建议在蔬菜区建造日光温室种植蔬菜,能充分利用冬季光能资源。
  2.2.3 太阳能资源最佳利用时段评估分析。在太阳能资源的利用中,了解日照时数的日变化,便可掌握太阳能资源利用的日内最佳利用时段[10]。为了解决这个问题,以地方太阳时间9:00—11:00代表上午,12:00—14:00代表中午,15:00—17:00代表下午的日照变化。分析得出,临夏地区上午日照时数较少,中午和下午时段的年平均日照时数相当,该时段的太阳能可利用价值最大,为日内最佳利用时段。
  因时值资料没有信息化,以临夏地区2005—2013年日照时数为例进行分析。由图2可知,临夏地区平均逐时日照时数在12:00—16:00较大,为0.69~0.73 h,11:00、17:00分别为0.60、0.69 h,9:00、10:00、18:00 分别为0.36、0.54、0.42 h,其他时段少于0.3 h。由此看出,临夏地区日照时数在11:00—17:00最大,具有较高的利用价值,9:00—10:00、17:00也有较大的利用价值。临夏地区北京时间9:00—11:00的年平均日照时数为0.52 h,北京时间12:00—14:00的年平均日照时数为0.72 h,北京时间15:00—17:00的年平均日照时数为0.67 h,因此中午是临夏地区最有利太阳能资源利用的时段,但由于临夏地区上午、下午的年平均日照时数均较高且与中午的数值差异不大,可以说上午、下午也是临夏地区太阳能资源利用的较好时段。
  2.2.4 太阳能资源稳定程度(Rw)分析。太阳能资源稳定程度(Rw)表示太阳能资源年内变化的状态和幅度,用全年中各月平均日辐照量的最小值与最大值的比值表示,可以反映当地太阳能资源全年变幅,比值越大且越接近于1,说明太阳能资源全年变化越稳定,越利于太阳能资源利用(表4)。
  太阳能资源稳定程度计算公式如下:
  Rw=Min(Day1,Day2^Day12)/Max(Day1,Day2^Day12)(7)
  式(7)中,Rw为太阳能资源稳定程度指标,无量纲数;Day1,Day2^Day12为1—12月各月平均日辐照量,Max()为求最大值的标准函数;Min()为求最小值的标准函数。
  利用临夏地区历年各月平均日辐照量平均值中最小值与最大值的比值(表5)进行分析发现:各月平均日辐照量的值比较接近,Rw值在0.55~0.83,平均为0.7,远远大于很稳定的分级阈值0.47。说明临夏地区的太阳能资源很稳定,适于太阳能资源的开发利用。
  2.2.5 太陽能资源利用条件评估。根据太阳能资源丰富程度等级评估标准和临夏地区太阳能资源综合分布,将全州分为4个区:Ⅰ区(G≥5 700 MJ/m2),太阳能利用条件最有利区;Ⅱ区(5 600 MJ/m2≤G<5 700 MJ/m2),太阳能利用条件有利区;Ⅲ区(5 500 MJ/m2≤G<5 600 MJ/m2),太阳能利用条件中等区;Ⅳ区(G<5 500 MJ/m2),太阳能利用条件一般区。
  Ⅰ区(条件最有利区)为广河县的官坊、城关、祁家集、东乡县果园、百合、关卜、和政县三十里铺、大浪、新营,永靖县的三条岘,最有利开展太阳能综合利用实验和示范,属于太阳能资源最丰富区。
  Ⅱ区(条件有利区)为永靖县的东北部、西南部,东乡县的中南大部,广河县的东北部、临夏市全部,和政县大部。当地为气候半干旱、半湿润区,为太阳能资源很丰富区,应积极开展太阳能利用试验工作。
  Ⅲ区(条件中等区)为永靖县的王台、杨塔,临夏县,积石山县的东部、南部,康乐县北部,临夏县,积石山县的北部。该区太阳能资源丰富区,气候干燥,可开展太阳能利用试验。
  Ⅳ区(条件一般区)为太子山、积石山北坡及沿山阴湿地区以及康乐县南部,为太阳能资源一般区,可以扬长避短开展太阳能利用研究。   3 结论
  (1)年太阳总辐射分布特征:整体趋势从中部向四周扩散,逐步减小,北部大于南部;季节分布为夏季最多,春季次之,冬季最少;1—6月逐月增大,7—8月达极值,9—12月逐月减小。
  (2)太阳能可利用天数分布情况与太阳能资源分布相吻合,即中部最多,北部偏多,东南和西部相对偏少;有利月份为5—7月,其次为8月、4月、3月、9月,最少月份为11月至次年1月。
  (3)临夏各地的太阳能资源属于很丰富区,上午和下午为最佳利用时段,且很稳定,适于太阳能资源的开发利用[11]。
  4 参考文献
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