范亞明

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福建地區(qū)太陽能資源特征及光熱利用分析

范亞明

福建工程學(xué)院環(huán)境與設(shè)備工程系

分析福建典型氣象年數(shù)據(jù)，結(jié)果表明：（1）福建地區(qū)太陽輻射和日照時(shí)數(shù)的空間分布由沿海城市向內(nèi)陸西北地區(qū)減少；（2）太陽輻射和日照時(shí)數(shù)時(shí)間分布為夏秋季較大，冬春季較??；（3）采暖季節(jié)的氣候環(huán)境溫度較高，熱狀況較為優(yōu)越。由此可見福建地區(qū)具有太陽總輻射量大、直接輻射較多、太陽能可利用日數(shù)較多，氣候環(huán)境溫度高等自然氣候條件，太陽能資源豐富，可開發(fā)條件優(yōu)越，綜合利用太陽能的潛力巨大。并結(jié)合分析福建地區(qū)太陽能熱利用的現(xiàn)狀，提出了促進(jìn)太陽能熱利用的措施。

福建 太陽輻射 太陽能熱利用

全球范圍內(nèi)的非再生能源大量消耗引起了一系列的問題，如：全球能源危機(jī)、環(huán)境污染和氣候變暖。太陽能作為一種取之不盡、用之不竭、能量巨大的自然能源，成為最引人注目、開發(fā)研究最多、應(yīng)用最廣的清潔能源?！吨袊履茉春涂稍偕茉窗l(fā)展綱要(1996 年～2010 年) 》中明確指出,要把推廣應(yīng)用節(jié)能型太陽能建筑、太陽能熱水器和光伏發(fā)電系統(tǒng)作為新能源和可再生能源、減少環(huán)境污染的有效途徑,并被列為國家九五計(jì)劃和2010 年長遠(yuǎn)規(guī)劃優(yōu)先發(fā)展項(xiàng)目主要內(nèi)容之一。福建地區(qū)地處中低緯度,四季陽光充足,太陽能資源較豐富,但太陽能的利用程度較低。本文分析了福建地區(qū)太陽輻射分布特征和太陽資源的利用現(xiàn)況，并對促進(jìn)福建地區(qū)太陽能光熱開發(fā)利用的措施進(jìn)行了探討。

1 資料來源

資料選用中國氣象局信息中心氣象資料室根據(jù)全國270個(gè)地面氣象站1971年~2003年的實(shí)測氣象數(shù)據(jù)整理出的典型氣象年數(shù)據(jù)[1] [2]。

2 福建地區(qū)太陽能資源分布及其特征

據(jù)相關(guān)氣象資料統(tǒng)計(jì)，福建地區(qū)年日照時(shí)數(shù)1300～2500小時(shí)，年輻射總量為4200～5000 MJ/m2。隨著近年來氣候及環(huán)境的變化，福建地區(qū)太陽能資源呈逐漸上升的趨勢，以下具體針對福建地區(qū)太陽輻射分布特點(diǎn)進(jìn)行分析。

2.1 太陽輻射分布特點(diǎn)

2.1.1福建地區(qū)太陽總輻射的時(shí)空分布特征 表1分析表明，福建地區(qū)各地太陽總輻射年平均值最高值在崇武，為5089MJ/m2；最低值出現(xiàn)在永安，為4223.4MJ/m2。從圖1可知，太陽總輻射遞減速率明顯體現(xiàn)出由沿海城市向內(nèi)陸西北地區(qū)減少（圖1a）。從太陽輻射的成分看，福建地區(qū)的直接輻射年總量為1817.16 MJ/m2～2707.45 MJ/m2，占太陽總輻射量的28.24％～53.1％，其中最低值在永安，最高值在崇武。太陽直射的分布主要受氣候和地形的影響，分布形勢為由東至西、由南至北減弱（圖1b），與降水量分布相反，與日照分布相一致。太陽散射等值線的走向接近東西向（圖1c），表現(xiàn)其空間分布以經(jīng)向差異為主。在東西方向上分布形勢呈兩高一低型。除沿海半島、島嶼小面積高值區(qū)外,年平均散射輻射有隨高度升高而增大的趨勢[3]，閩中大山帶南段和沿海東山島、廈門等地，散射輻射年平均輻照度超過2500 MJ/m2。由于目前的太陽能利用裝置主要利用的是直接輻射，而福建除少數(shù)內(nèi)陸西北地區(qū)外，大部分地區(qū)的直接輻射比例大于40%，因此福建地區(qū)的太陽輻射分布特征對于太陽能的利用十分有利。

表1　福建地區(qū)各地月太陽總輻射量（MJ/m2 ）

（接上表1）

1月2月3月4月5月6月7月8月9月10月11月12月總量 上杭總輻射252.3226.2236.5280.5380.2462.2535.2481.4438.2423.7325.4274.54316.3 直射108.579.460.546.2150.6250.7258.8163.0168.7232.3180.1120.31819.0 散射143.8146.8176.0234.3229.6211.5276.4318.5269.5191.4145.4154.22497.2 南平總輻射230.5258.3326.8404.1431.7437540.9506.4401.8371.2271.7213.84394.2 直射60.852.483.494.3124.0126.6270.8176.2122.0133.578.259.11381.3 散射169.7205.9243.5309.8307.7310.4270.1330.2279.8237.8193.5154.73013.0 福州總輻射221234.4277.1349.9449.2466.9568.1512.6421.6367264.1212.44344.3 直射95.0101.9123.8189.1205.9241.8288.9277.3178.0212.0121.5118.42153.7 散射126.0132.5153.3160.8243.3225.1279.2235.3243.6155.0142.794.02190.7 建甌總輻射237235372.4387.8512.8492.1628.3572.8547.4424.8311.9226.74949 直射133.3123.8202.8185.3209.2215.7390.1293.9303.5271.0179.9119.22627.5 散射103.7111.2169.6202.5303.6276.5238.3278.9243.9153.8132.0107.52321.4 崇武總輻射296.7256.7308.1348.1477.6509.1631.9606.5481.1455.9327.2390.35089.2 直射164.795.890.477.0298.7326.6399.9349.2224.9252.3148.2275.32703.2 散射131.9160.9217.7271.1178.9182.5232.0257.3256.2203.5178.9115.02386.0

2.1.2太陽輻射的月分布特點(diǎn)。各地太陽總輻射的月平均輻射，均以7月為總輻射最多月，8月次之。太陽總輻射至12月至2月期間逐月降低,其中以9月至12月之間降低最明顯。12月至次年2月,總輻射值變化不大。南部多以2月，北部多以12月為太陽輻射最少月。自2月至7月,總輻射值逐月增大。6月至7月間總輻射值增多最明顯。直接輻射隨季節(jié)變化明顯，一般以7月或6月最多，2月最少，并且最多月直射量是最少月的3～5倍。在12月或1月散射輻射最少，在5月～6月或8月為最多。因?yàn)?2月和1月的福建地區(qū)為少雨季節(jié)，云量少,大氣透明度高, 5～6月為降水最多月，而夏秋之交多臺風(fēng)和暴雨。

圖1 福建沿海地區(qū)太陽輻射分布圖

2.1.3太陽輻射的季節(jié)分布。福建地區(qū)太陽輻射季節(jié)分布較均勻，以夏季（6—8月）的輻射量最多，約占全年的34%；再次是秋季（10—11月），約占25%，其次是春季（3—5月），約占全年的24%；冬季（12—2月）最少，約占17%。

2.2 日照分布特點(diǎn)

2.2.1日照時(shí)數(shù)空間分布特點(diǎn)。分析表2數(shù)據(jù)可以看出福建東南沿海崇武地區(qū)是年日照時(shí)數(shù)的高值區(qū)，福州、建甌地區(qū)高達(dá)1900小時(shí)以上，廈門等地1800小時(shí)以上，永安和上杭地區(qū)達(dá)到1700小時(shí)以上，南平日照時(shí)數(shù)最少，不足1500小時(shí)，日照時(shí)數(shù)由閩南沿海地區(qū)向內(nèi)陸西北地區(qū)減少。

表2　福建地區(qū)各地日照時(shí)數(shù)（h）

2.2.2日照時(shí)數(shù)月分布特點(diǎn)。由圖2可以看出，日照時(shí)數(shù)逐月變化與氣溫大體相當(dāng)。日照時(shí)數(shù)2月最小，從2月起逐漸增加，7月為峰值，后又急降至最低點(diǎn)。絕大部分地區(qū)從4月起，月日照時(shí)數(shù)可達(dá)100小時(shí)以上，廈門、福州和建甌地區(qū)可達(dá)130小時(shí)以上，唯上杭地區(qū)不足100小時(shí)。

圖2 福建地區(qū)月平均日照分布情況

2.2.3日照時(shí)數(shù)的季節(jié)分布。從圖2數(shù)據(jù)得出福建地區(qū)日照季節(jié)分布是夏多冬少，春季略多于秋季，但總體比較均勻。各地冬季（12～2月）日照為349小時(shí)，占年總?cè)照諘r(shí)數(shù)的19%左右；春季（3～5月）日照為389 小時(shí)，約占日照總數(shù)的21%左右。各地夏季日照約占全年日照時(shí)數(shù)的33%左右；秋季日照約占全年日照時(shí)數(shù)的27%左右。

2.3 氣溫變化與太陽能利用的關(guān)系[4-6]

環(huán)境溫度是影響太陽能利用的因子之一,當(dāng)環(huán)境溫度較低時(shí)不利于太陽能的利用[4]。福建地區(qū)年平均氣溫為17～21.6 ℃,且80％的年份介于18～23℃，最冷月(1 月) 平均氣溫為7℃～13℃；最熱月(7月) 平均氣溫28～30℃；秋春季月平均氣溫17～18℃。其供暖季節(jié)的氣候環(huán)境溫度較高水平,熱狀況較為優(yōu)越,太陽能利用效率也較高。

總的來說，在福建地區(qū)利用太陽能資源最有利的地區(qū)是閩南及沿海島嶼地區(qū)，因地理緯度較低、太陽高度角較高、總雨量較少、陰天日數(shù)少和日照時(shí)數(shù)多等原因,而成為全省太陽年總輻射的高值區(qū)；最有利的季節(jié)是春、夏兩季，但在秋季和冬季太陽的日照時(shí)數(shù)相對較多，因此充分利用全年的太陽能資源具有較大的潛力。

3 太陽能光熱利用分析[7-11]

太陽能熱利用技術(shù)是指把太陽能轉(zhuǎn)化為熱能并加以利用。其中太陽能熱水器技術(shù)是最成熟、光熱轉(zhuǎn)換效率最高（全玻璃真空管的光熱轉(zhuǎn)換效率已高達(dá)90%以上）、應(yīng)用最廣泛、產(chǎn)業(yè)化發(fā)展最迅速的方式。

3.1 現(xiàn)狀和前景分析

截至2000年,我省太陽能熱水器保有量為513 萬m2,相當(dāng)于年提供0.1636 萬t 標(biāo)煤的能源,其中2000年度新增213 萬m2。目前，我國共有太陽能熱水器生產(chǎn)企業(yè)3000余家，其中具有一定規(guī)模的生產(chǎn)企業(yè)1000余家。太陽能熱水器目前的一次性投資比常規(guī)（電、燃?xì)猓崴鞲?，每m2約1500元，但是日常消耗比常規(guī)熱水器少，每m2集熱器每年可節(jié)約用電700～800kWh，節(jié)約標(biāo)準(zhǔn)煤500kg，無SO2和CO2廢氣排放，且使用壽命達(dá)10年以上。2007年福建地區(qū)常住人口為3581萬人，居民人均純收入為4453.85元，這是太陽能利用的巨大市場。但與市場的高需求和高發(fā)展形成極大反差的是，消費(fèi)者對太陽能熱水器整體滿意度低，僅為53.9％。原因主要有以下幾個(gè)：一熱水器價(jià)格貴，初投資較高；二是大部分太陽能熱水器性能不穩(wěn)定；三是缺乏熱水器與建筑一體化設(shè)計(jì)安裝；四是在春季梅雨季節(jié)，使用電加熱時(shí)間長，導(dǎo)致電耗大。

3.2 實(shí)施措施分析

促進(jìn)太陽能熱利用的推廣實(shí)施需要在技術(shù)保證前提下，發(fā)揮政府和市場的雙重作用，其中針對新的節(jié)能技術(shù)，政府的調(diào)控作用日益重要。

3.2.1技術(shù)保障。提供高性能的集熱器和穩(wěn)定的太陽能熱水器管路配件；考慮采用可考慮和空氣源熱泵熱水系統(tǒng)聯(lián)供系統(tǒng)方式，改善陰雨天氣電加熱時(shí)間過長問題，達(dá)到最佳的節(jié)能效果。

3.2.2政策法規(guī)建設(shè)。福建省建設(shè)廳已發(fā)布《居住建筑與太陽能熱水系統(tǒng)一體化設(shè)計(jì)、安裝及驗(yàn)收規(guī)程》，有利于促進(jìn)我省居住建筑與太陽能熱水系統(tǒng)的推廣利用。

3.2.3經(jīng)濟(jì)杠桿。政府對開發(fā)與推廣太陽能應(yīng)用產(chǎn)品實(shí)行優(yōu)惠貸款政策、特別折舊和稅收減免措施,對太陽能利用推廣和示范項(xiàng)目實(shí)行補(bǔ)貼制度,同時(shí)對太陽能開發(fā)利用給予財(cái)政補(bǔ)貼。

3.2.4信息宣傳。大力宣傳太陽能科普知識,讓社會(huì)各界更多地了解太陽能、利用太陽能。同時(shí),做好技術(shù)咨詢、技術(shù)培訓(xùn)、技術(shù)服務(wù)工作,協(xié)調(diào)行業(yè)關(guān)系、拓展太陽能市場。

4 結(jié)論

4.1 福建地區(qū)太陽輻射的空間分布由沿海城市向內(nèi)陸西北地區(qū)減少，年平均值最高值在崇武，為5089MJ/m2；最低值出現(xiàn)在永安，為4223.4MJ/m2。但除少數(shù)內(nèi)陸西北地區(qū)外，大部分地區(qū)的太陽總輻射大于4300 MJ/m2，直接輻射比例大于40%。

4.2 福建地區(qū)的太陽能資源具有明顯的月變化，夏秋季較大，冬春季較小，其中7月為總輻射最多，562.1MJ/m2；2月最小，241.3 MJ/m2。

4.3 福建地區(qū)日照時(shí)數(shù)的空間分布由東至西、由南至北減弱，東南沿海崇武地區(qū)是年日照時(shí)數(shù)的高值區(qū)高達(dá)2291小時(shí)以上，南平日照時(shí)數(shù)最少，不足1500小時(shí)，大部分地區(qū)大于1700小時(shí)。

4.4 福建地區(qū)日照時(shí)數(shù)的時(shí)間分布夏多冬少，春季略多于秋季，但總體比較均勻，7月為峰值，233小時(shí)；2月最少，83小時(shí)。

由此可見福建地區(qū)具有太陽總輻射量大、直接輻射較多、太陽能可利用日數(shù)較多，氣候環(huán)境溫度高等自然氣候條件，太陽能資源豐富，可開發(fā)條件優(yōu)越，綜合利用太陽能的潛力巨大。針對福建地區(qū)太陽能熱利用的現(xiàn)狀，加強(qiáng)技術(shù)保障、政策法規(guī)、經(jīng)濟(jì)激勵(lì)和信息宣傳方面工作以促進(jìn)太陽能熱利用在福建地區(qū)推廣。

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