西昌太陽能資源評(píng)估研究

謝運(yùn)華，楊 華，馬全濤
(西南電力設(shè)計(jì)院，四川 成都 610021)

太陽能是地球生命的能源。本文通過調(diào)研，第一次在我國對(duì)光熱發(fā)電的西昌太陽能電站的太陽能資源進(jìn)行了評(píng)估。評(píng)價(jià)了廠址的氣候特點(diǎn)和地理環(huán)境；根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算了廠址太陽總輻射；分析了廠址太陽總輻射、直接輻射、日照時(shí)數(shù)、日照百分率等的年內(nèi)變化；提出了光熱電站的兩個(gè)重要參數(shù)：直接輻射總量和直接輻射不同量級(jí)分布小時(shí)數(shù)；分析了日照時(shí)數(shù)的年際變化；指出了西昌太陽能光熱電站廠址太陽能資源屬太陽總輻射資源很豐富帶和太陽能資源穩(wěn)定程度為較穩(wěn)定。

太陽能；新能源；資源評(píng)估。

新能源是21世紀(jì)世界經(jīng)濟(jì)發(fā)展中最具決定力的五大技術(shù)領(lǐng)域之一。太陽能是地球生命的一種清潔、高效和永不衰竭的新能源。美國新能源規(guī)劃在2025年太陽能的市場規(guī)模約占整個(gè)能源的70%，我國預(yù)計(jì)2020年的太陽能裝機(jī)總量將達(dá)到18000 MWP。因而合理進(jìn)行太陽能資源分析、準(zhǔn)確確定太陽能電站地點(diǎn)處的光能指標(biāo)，對(duì)太陽能資源的利用意義重大。

太陽能光熱發(fā)電技術(shù)是太陽能發(fā)電最環(huán)保的方法，即把將太陽能聚集起來，加熱工質(zhì)，驅(qū)動(dòng)汽輪發(fā)電機(jī)發(fā)電。

通過與天威新能源公司合作，多次和太陽能電站開發(fā)較先進(jìn)的西班牙、美國和以色列等國家的專家進(jìn)行技術(shù)交流，基本了解了太陽能光熱發(fā)電資源評(píng)估的基本指標(biāo)；我院組織專家到西班牙進(jìn)行太陽能電站開發(fā)考察，并成立太陽能專題研究小組，收集了太陽輻射觀測儀器及其測試原理、氣象部門多年太陽輻射觀測與研究的成果、國家相關(guān)規(guī)程規(guī)范，在我國第一次對(duì)光熱發(fā)電的西昌太陽能電站的太陽能資源進(jìn)行了評(píng)估。

1 氣候特點(diǎn)

四川省西南高原，屬川西高原氣候，具冬暖夏涼、四季如春的特點(diǎn)。冬季主要受南支西風(fēng)急流控制，西風(fēng)急流中常有從亞洲西部移來的高空槽脊越過，北方寒潮時(shí)有侵入，造成寒冷、少雨、多風(fēng)的冬季氣候。春季太陽幅射增強(qiáng)，氣溫升高較快，常造成旺盛的對(duì)流。這時(shí)高空仍盛行西風(fēng)急流，因氣流高度較低，風(fēng)速大，成為一年中大風(fēng)最多的季節(jié)，從五月末到六月初，西風(fēng)南支急流北躍，大陸蒙古高壓已不存在，代之而來的是印度低壓，并伴隨西南季風(fēng)，由于西南季風(fēng)屬來自印度洋的暖濕氣流，帶來較多降水。10月印度低壓突然消失，印度高壓開始出現(xiàn)，西南季風(fēng)退出，雨季也就基本結(jié)束。

2 氣象參證站

距站址最近的氣象站為西昌氣象站。

西昌氣象站位于西昌市北郊的臺(tái)地上，東經(jīng)102°16′，北緯27°54′，觀測場海拔1590.9 m，氣象站建于1950年1月，實(shí)測項(xiàng)目齊全，資料系列較長，觀測、整編規(guī)范，資料可靠。

擬選電站站址位于距西昌氣象站約25 km的安寧河河谷比較開闊的平壩區(qū)，氣象站與站址之間無高山阻擋，基本屬同一氣候區(qū)。因此，西昌氣象站可作為西昌太陽能電站的氣象參證站。氣象站與站址的太陽輻射都受南北走向的安寧河河谷兩岸海拔較高山地的影響。

3 太陽能資源

太陽輻射資源受氣候、地理等環(huán)境條件的影響，其分布具有明顯的地域性，并不遵循隨緯度的增加而逐漸減少，就在同一緯度上的不同區(qū)域也差異懸殊。因此，為了所建太陽能電站能夠商業(yè)運(yùn)行，就必須對(duì)待建電站區(qū)域的太陽輻射資源進(jìn)行評(píng)估。

3.1 太陽總輻射的年內(nèi)變化

西昌氣象站沒有太陽輻射觀測項(xiàng)目，太陽能電站的太陽輻射量采用《中華人民共和國氣候圖集》中的經(jīng)驗(yàn)公式⑴式計(jì)算：

式中：Q為總輻射量，kW·h/m2；Q0為理想大氣總輻射量，kW·h/m2；S為平均日照百分率；En為平均水汽壓，hPa。

通過調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)H社區(qū)承擔(dān)了許多基層政府的工作任務(wù)。 比如，環(huán)保局的環(huán)標(biāo)車淘汰任務(wù)。 只要車輛的注冊(cè)地是在H社區(qū)所屬的轄區(qū)范圍之內(nèi)，H社區(qū)就要負(fù)責(zé)完成環(huán)標(biāo)車淘汰的指標(biāo)。 由于沒有執(zhí)法權(quán)，社區(qū)工作人員在處理這些問題時(shí)只能曉之以情、動(dòng)之以理地被動(dòng)處理，常常陷入一個(gè)尷尬的境地。

理想大氣總輻射量據(jù)平均氣壓及所在緯度可線性內(nèi)插查表獲得。

依據(jù)西昌氣象站逐月氣象特征值計(jì)算站址逐月太陽總輻射量見表1。該表表明，計(jì)算月太陽總輻射最高值621 MJ/m2，出現(xiàn)在4月；次高值602 MJ/m2，出現(xiàn)在5月；最低值373 MJ/m2，出現(xiàn)在12月。

涼山州氣象局于2002年和2003年在西昌市瑯環(huán)鄉(xiāng)五星村七組建有一個(gè)日射觀測站。該站位于安寧河邊，背靠高山，導(dǎo)致該站日照比開闊地帶偏少2小時(shí)，年總輻射值偏小。月太陽總輻射最高值602 MJ/m2，出現(xiàn)在4月；次高值531 MJ/m2，出現(xiàn)在3月；最低值254 MJ/m2，出現(xiàn)在10月。

涼山州氣象臺(tái)在西昌市政府的支持下，從2008年9月進(jìn)行了太陽直接輻射、散射輻射、紫外輻射、總輻射的觀測。氣象站最近1年實(shí)測逐月太陽總輻射量見表1，但實(shí)測月太陽總輻射最高值570 MJ/m2，出現(xiàn)在5月，次高值560 MJ/m2，出現(xiàn)在3月；最低值290 MJ/m2，出現(xiàn)在12月。實(shí)測年總輻射量在5400 MJ/m2以上。

表1 西昌太陽總輻射量成果 單位：MJ/m2

圖1 西昌太陽總輻射量年內(nèi)變化圖

表2 西昌太陽直接輻射量成果

圖2 西昌太陽直接輻射量年內(nèi)變化圖

表2和圖2表明，西昌實(shí)測太陽直接輻射年總量為4020 MJ/m2，即1120 kwh/ m2。月太陽直接輻射最高值480 MJ/m2，出現(xiàn)在3月；次高值460 MJ/m2，出現(xiàn)在2月；最低值160 MJ/m2，出現(xiàn)在7月。雨季使直接輻射削弱。因此西昌太陽能光熱電站發(fā)電能力最差的季節(jié)就是5月～10月的雨季，特別是降水持續(xù)時(shí)間最多的7月。

西昌氣象站近1年實(shí)測的總輻射與直接輻射的年內(nèi)變化見圖3。

圖3 實(shí)測的總輻射與直接輻射的年內(nèi)變化對(duì)比圖

圖3表明，在雨季5月～10月直接輻射量與

西昌站址區(qū)域均屬川西南高原地區(qū)。表1和圖1表明，實(shí)測與計(jì)算的太陽總輻射量在逐月分配上基本吻合，4月～8月的總輻射量較大。

3.2 直接輻射年內(nèi)分布

西昌氣象站最近1年逐月實(shí)測太陽直接輻射見表2和圖2?？傒椛淞康牟町愝^大，比總輻射量小得較多，說明云層對(duì)直接輻射影響很大。

3.3 直接輻射量級(jí)分布

直接輻射量級(jí)分布是決定光熱電站設(shè)備選型、電廠規(guī)模和占地面積等的關(guān)鍵參數(shù)。

西昌氣象站最近1年實(shí)測直接輻射量大于等于某一指定值的小時(shí)數(shù)見表3。

表3 直接輻射量大于等于某一指定值的小時(shí)數(shù)

3.4 日照時(shí)數(shù)和日照百分率年內(nèi)變化

西昌氣象站多年逐月日照時(shí)數(shù)和日照百分率分別見表4、表5。日照時(shí)數(shù)和日照百分率年內(nèi)變化分別見圖4、圖5。

圖4 西昌氣象站日照時(shí)數(shù)年內(nèi)變化圖

表4 逐月日照時(shí)數(shù)成果 單位：h

表4和圖4表明，西昌1961年～1990年和1999年～2008年兩個(gè)時(shí)段的多年年平均日照時(shí)數(shù)分別為2445 h和2161 h。月日照時(shí)數(shù)最高值分別為263 h和244h，出現(xiàn)在3月；最低值分別為141 h和130 h，分別出現(xiàn)在9月和6月。

表5 逐月日照百分率成果 單位：%

圖5 西昌氣象站日照百分率年內(nèi)變化圖

表5和圖5表明，西昌1961年～1990年和1999年～2008年兩個(gè)時(shí)段的多年平均日照百分率分別為56%和50%。月日照時(shí)數(shù)最高值分別為72%和68%，分別出現(xiàn)在1月、2月和3月；最低值分別為36%和32%，出現(xiàn)在6月。

表4、表5和圖4、圖5表明，近10年的太陽日照時(shí)數(shù)和日照百分率較1961年～1990年有所減少。

3.5 站址區(qū)域太陽能資源豐富程度

根據(jù)《太陽能資源評(píng)估方法》，以太陽總輻射的年總量為指標(biāo)，進(jìn)行太陽能資源豐富程度評(píng)估。具體的資源豐富程度等級(jí)見表6。

四川太陽能資源分布極不平衡，大致以龍門山脈、邛崍山脈和大涼山為界，東部太陽能極少，川西高原是四川省太陽能的主要分布區(qū)。四川省年總輻射分布圖見圖6。

圖6 四川省年總輻射分布圖

≥6300MJ/(m2.a) 資源最豐富5040～6300MJ/(m2.a) 資源很豐富3780～5040MJ/(m2.a) 資源豐富＜3780MJ/(m2.a) 資源一般

西昌太陽能光熱電站位于川西高原。依據(jù)四川省年總輻射分布圖，西昌太陽能站址年總輻射量在5500 MJ/m2～6000 MJ/m2之間；由表1可見，西昌太陽能站址計(jì)算多年年平均總輻射量為5774 MJ/m2；最近1年實(shí)測年總輻射量在5400 MJ/m2以上，由此可見，西昌太陽能站址位于太陽總輻射資源很豐富區(qū)域。

3.6 站址區(qū)域太陽能資源穩(wěn)定程度

根據(jù)西昌氣象站的總輻射量和日照時(shí)數(shù)，計(jì)算年內(nèi)變化最大差值見表7。

表7 西昌總輻射量和日照時(shí)數(shù)年內(nèi)變化

根據(jù)近10年西昌氣象站的日照時(shí)數(shù)和日照百分率，計(jì)算年際變化最大差值見表8。2009年的日照時(shí)數(shù)2121 h比近10年均值2161 h稍小。

表8 西昌日照時(shí)數(shù)和日照百分率年際變化

根據(jù)西昌氣象站近10年逐年逐月日照時(shí)數(shù)統(tǒng)計(jì)，選擇與近10年均值最接近的一年為太陽輻射典型年。太陽輻射典型年2000年各月日照時(shí)數(shù)≥6小時(shí)的天數(shù)見表9，計(jì)算出站址太陽能資源穩(wěn)定系數(shù)見表10。

表9 典型年逐月日照時(shí)數(shù)≥6小時(shí)的天數(shù)

表10 太陽能資源穩(wěn)定系數(shù)

根據(jù)《太陽能資源評(píng)估方法》，太陽能資源穩(wěn)定系數(shù)為各月的日照時(shí)數(shù)大于6 h的天數(shù)的最大值與最小值的比值。穩(wěn)定系數(shù)小于2，穩(wěn)定程度為穩(wěn)定；穩(wěn)定系數(shù)大于等于2小于等于4，穩(wěn)定程度為較穩(wěn)定；穩(wěn)定系數(shù)大于4，穩(wěn)定程度為不穩(wěn)定。由表9可知，西昌站址穩(wěn)定系數(shù)等于3.1，太陽能資源穩(wěn)定程度為較穩(wěn)定。

4 結(jié)語

⑴西昌太陽能電站屬太陽總輻射資源很豐富區(qū)域。

⑵昌太陽能電站太陽能資源穩(wěn)定程度為較穩(wěn)定。

⑶昌實(shí)測太陽直接輻射總量大于4000 MJ/m2，即在1100 kwh/m2以上。月太陽直接輻射最高值出現(xiàn)在3月；次高值出現(xiàn)在2月；最低值出現(xiàn)在7月。雨季的云層使直接輻射顯著削弱。西昌太陽能光熱電站發(fā)電能力最差的季節(jié)就是5～10月的雨季，特別是降水時(shí)間最多的7月。

⑷近1年實(shí)測直接輻射量大于等于500 W/ (m2. min)的小時(shí)數(shù)為1225.5 h。

⑸2009年日照時(shí)數(shù)約低于近十年的均值。近10年日照時(shí)數(shù)年際最大差值為387.4 h。近10年的太陽日照時(shí)數(shù)和日照百分率較1961年－1990年有所減小。

⑹山州氣象臺(tái)直接輻射觀測不是全自動(dòng)觀測，其觀測值應(yīng)比實(shí)際值小。本文所使用的近一年太陽輻射實(shí)測值僅供揭示其變化規(guī)律，工程應(yīng)用所需準(zhǔn)確值可從當(dāng)?shù)貧庀蟛块T收資。

⑺射輻射對(duì)太陽能光熱電站發(fā)電也會(huì)有一定貢獻(xiàn)，考慮太陽能電站規(guī)模和占地面積時(shí)可對(duì)直接輻射總量適當(dāng)增加。

⑻熱發(fā)電的重要參數(shù)：直接輻射總量及其不同量級(jí)分布小時(shí)數(shù)。由于作該項(xiàng)觀測的氣象站極少，需探討用常規(guī)氣象資料、氣象衛(wèi)星資料和地理信息系統(tǒng)資料等進(jìn)行較科學(xué)的評(píng)估；在一些太陽能資源很豐富和最豐富區(qū)域，建議盡快建立一些直接輻射觀測站，為準(zhǔn)確進(jìn)行該地區(qū)太陽能資源評(píng)估積累必要的基礎(chǔ)資料。

[1] 編委會(huì).中華人民共和國氣候圖集[K].北京：氣象出版社，2002.

[2] QX/T89-2008太陽能資源評(píng)估方法.

[3] 朱瑞兆，等.中國太陽能、風(fēng)能資源及其利用[M].北京：氣象出版社，1988.

[4] 陳世訓(xùn)，等.氣象學(xué)[M].北京：農(nóng)業(yè)出版社，1981.

[5] 譚冠日，等.應(yīng)用氣候[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985.

Evaluation of Solar Energy Resources in Xichang

XIE Yun-hua, YANG Hua, MA Quan-tao
(SWEPDI, Chengdu 610021, China)

Solar energy is the energy of life on Earth. Based on the investigation, we evaluate the solar energy resources of Xichang solar thermal power station. First, we simply introduce the climatic and geographical environment in the site; and then calculate the solar total radiation using the empirical formula, analysis the annual variation of the solar total radiation, the direct solar radiation, the sunshine hours, and the percentage of sunshine. We put forward that the total and the hours of different magnitude of the direct solar radiation are two important parameters of solar thermal power plant. At last, we indicate that site of the Xichang solar thermal power station is belong to the Resource-richer zone, and the stability of the solar energy resources is more stable.

solar energy; new energy; resources; evaluation.

K81

B

1671-9913(2010)06-0072-05

2010-07-27

謝運(yùn)華(1965-)，男，重慶人，高級(jí)工程師，從事導(dǎo)線覆冰災(zāi)害的評(píng)價(jià)和防治及太陽能研究應(yīng)用工作。