袁小康，谷曉平，王濟(jì)

(1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550001;2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550002;3.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002)

中國(guó)太陽能資源評(píng)估研究進(jìn)展

袁小康1，2，谷曉平2，3，王濟(jì)1

(1.貴州師范大學(xué)地理與環(huán)境科學(xué)學(xué)院，貴州 貴陽 550001;2.貴州省山地氣候與資源重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，貴州 貴陽 550002;3.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002)

從太陽能資源估算、利用價(jià)值、穩(wěn)定度和日最佳利用時(shí)段幾個(gè)方面回顧了我國(guó)在太陽能資源評(píng)估方面的主要研究成果，提出國(guó)內(nèi)太陽能資源評(píng)估存在的問題，并展望其發(fā)展趨勢(shì)，為深入展開太陽能資源研究提供參考。

太陽能資源;評(píng)估;進(jìn)展

太陽是一個(gè)碩大的能量寶庫(kù)，其每年輻射到達(dá)地球表面的能量高達(dá)4×1015MW，相當(dāng)于3.6×105億tce(ton of standard coal equivalent，1噸標(biāo)準(zhǔn)煤當(dāng)量)，約為全球能耗的2 000倍［1］。在化石能源日益枯竭的今天，太陽能無疑將是一筆巨大的財(cái)富，各國(guó)政府都非常重視太陽能資源的開發(fā)和利用，如美國(guó)、德國(guó)、日本早在20世紀(jì)90年代就開始實(shí)施“百萬屋頂光伏計(jì)劃”，意大利1998年開始實(shí)行“全國(guó)太陽能屋頂”計(jì)劃［2］。我國(guó)也在2006年出臺(tái)了《可再生能源法》，明確將太陽能、風(fēng)能等可再生能源列入“國(guó)家能源發(fā)展的優(yōu)先領(lǐng)域”［3］。本文總結(jié)歸納了國(guó)內(nèi)太陽能資源評(píng)估的研究成果，分析了現(xiàn)階段太陽能資源評(píng)估研究存在的問題，并展望其發(fā)展趨勢(shì)，為今后太陽能研究提供參考。

1 太陽能資源估算及區(qū)劃

太陽時(shí)時(shí)刻刻在向地球傳遞能量，但是到達(dá)地表的太陽能資源的數(shù)量是很難計(jì)算的。目前國(guó)內(nèi)表征太陽能資源數(shù)量通常用太陽總輻射和日照時(shí)數(shù)這兩個(gè)指標(biāo)。

1.1 太陽總輻射

到達(dá)地表的太陽總輻射受很多因素影響，包括天文因子(日地距離、太陽赤緯、時(shí)角等)、地理因子(經(jīng)度、海拔高度等)、物理因子(純大氣的消光、大氣中的含水量、臭氧含量等)、氣象因子(日照百分率、天空云量等)等。而我國(guó)的太陽總輻射觀測(cè)站較少，分布不均勻，對(duì)于無太陽輻射站觀測(cè)的地區(qū)，通常利用數(shù)學(xué)方法對(duì)太陽總輻射進(jìn)行估算。目前國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)太陽輻射的估算方法大體可歸納為3種，即：①利用氣候?qū)W方法計(jì)算太陽總輻射;②利用衛(wèi)星遙感資料反演太陽總輻射;③利用數(shù)字高程模型(DEM)結(jié)合GIS技術(shù)模擬太陽輻射。

國(guó)內(nèi)太陽輻射的氣候?qū)W計(jì)算方法可統(tǒng)一用下式表示：

Q=Q0f(s，n)。

式中：Q為地表受到的太陽總輻射;Q0為起始數(shù)據(jù)(或稱背景值)，可以是天文輻射、晴天大氣總輻射或理想大氣總輻射;f(s，n)是以日照百分率和總云量表示的天空遮蔽度函數(shù)。左大康［4］等采用睛天大氣輻射Q1為基數(shù)值，得出了全國(guó)太陽總輻射的計(jì)算式：

Q=Q1(0．248+0．752 s1)

式中s1為日照百分率。

翁篤鳴［5］以天文總輻射 Q2為基數(shù)值，給出國(guó)內(nèi)太陽總輻射的計(jì)算式：

Q=Q2(0．130+0625 s1)(華南地區(qū))

Q=Q2(0．205+0．475 s1)(華中地區(qū))

Q=Q2(0．105+0．708 s1)(華北地區(qū))

Q=Q2(0．344+0．390 s1)(西北地區(qū))

王炳忠［6］等利用理想大氣總輻射Q3作為基數(shù)值，擬合出國(guó)內(nèi)太陽總輻射的計(jì)算式：

Q=Q3(0．29+0．557 s1)(干旱地區(qū))

31區(qū))

式中E為實(shí)際水汽壓。國(guó)內(nèi)其他學(xué)者也利用此方法計(jì)算了太陽總輻射［7-13］。

在無測(cè)站地區(qū)，運(yùn)用氣候?qū)W計(jì)算方法不失為一種可行的方法，且在國(guó)內(nèi)外都經(jīng)過較長(zhǎng)時(shí)間的研究，該方法計(jì)算簡(jiǎn)單，精度較高。但是該方法缺乏對(duì)地形的考慮，因?yàn)槿丈湔就ǔＪ墙ㄔ诒容^平坦的地方，不存在地形遮蔽的問題。該方法中經(jīng)驗(yàn)系數(shù)的確定依賴于地面臺(tái)站的輻射觀測(cè)值，在日射站點(diǎn)稀疏而地形又比較復(fù)雜或者云和大氣狀況的時(shí)空變化較大的地區(qū)，采用內(nèi)插方法得到的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)可能會(huì)給計(jì)算結(jié)果帶來較大誤差。

近年來，隨著遙感技術(shù)的發(fā)展，很多學(xué)者利用衛(wèi)星探測(cè)資料計(jì)算太陽總輻射。周允華［14］等最先利用TIROS-N衛(wèi)星可見光云圖計(jì)算了1979年夏季青藏高原地表總輻射，得出候平均總輻射計(jì)算式;鐘強(qiáng)［15］等利用1982年8月—1983年7月期間Nimbus-7行星反射率的月平均資料，用物理模式方法估算了青藏高原及臨近地區(qū)的月平均總輻射;翁篤鳴［16］等利用國(guó)際衛(wèi)星云氣候計(jì)劃(ISCCP)的云量資料，討論了青藏高原地面總輻射場(chǎng)的氣候反演問題，給出了青藏高原太陽總輻射擬合公式;陳金娥等［17］利用日本靜止氣象衛(wèi)星提取的云量資料，借助云量與日照百分率之間的非線性關(guān)系以及后者與總?cè)丈溟g的線性關(guān)系，對(duì)西藏地區(qū)的太陽能輻射進(jìn)行了計(jì)算。利用衛(wèi)星遙感資料反演太陽總輻射，這是方法和手段上的一大創(chuàng)新，隨著時(shí)間分辨率和空間分辨率的提高，該方法的利用前景越來越好。但衛(wèi)星遙感影像資料受天氣和地形影響較大，計(jì)算結(jié)果依賴于衛(wèi)星傳感器的性能以及掃描地球的時(shí)空分辨率。且該方法通過擬合衛(wèi)星測(cè)值與實(shí)際值的線性關(guān)系來反演，而統(tǒng)計(jì)方法本身有很大局限性，所以其反演結(jié)果與實(shí)際值可能有較大差距。

氣象站一般都建在開闊的平地上，其觀測(cè)資料代表了水平面的觀測(cè)結(jié)果，難以反映實(shí)際起伏地形中太陽輻射的空間分布。在實(shí)際起伏地形下，到達(dá)地表的太陽輻射除受坡度、坡向影響外，還受周圍地形起伏造成的地形遮蔽的影響。我國(guó)學(xué)者繆啟龍、邱新法、袁淑杰、谷曉平等［18-23］利用數(shù)字高程(DEM)結(jié)合GIS技術(shù)模擬太陽輻射，計(jì)算方法主要通過轉(zhuǎn)換因子將水平面上的太陽輻射值轉(zhuǎn)換到傾斜面上。這種計(jì)算方法充分考慮了地形的影響，能比較準(zhǔn)確地計(jì)算地形起伏較大地區(qū)的太陽總輻射，但是計(jì)算復(fù)雜，工作量較大，難以推廣。

1.2 日照時(shí)數(shù)

日照時(shí)數(shù)是指太陽的實(shí)照時(shí)數(shù)，通常日照時(shí)數(shù)受云量、地理緯度、地形的影響。李柯［24］繪制了中國(guó)年日照時(shí)數(shù)分布圖，并對(duì)全國(guó)各地區(qū)日照時(shí)數(shù)的分布進(jìn)行了分析;楊淑群［13］等分析了四川省的年日照時(shí)數(shù)的分布特征和變化特征，指出四川省日照時(shí)數(shù)西部大于東部，日照時(shí)數(shù)的年變化東西部存在明顯差異;桑建人［25］等通過對(duì)寧夏日照時(shí)數(shù)的分析，指出寧夏年日照時(shí)數(shù)在空間分布上呈現(xiàn)南少北多，在時(shí)間分布上表現(xiàn)為季節(jié)變化較大，以夏季最多，春秋兩季次之，冬季最少。我國(guó)年日照時(shí)數(shù)的分布格局可分為東部和西部，大致以黑龍江哈爾濱至西藏拉薩連線為界。東部不僅日照強(qiáng)度弱且日照時(shí)間也短。相對(duì)而言，東部北方日照時(shí)數(shù)要多于南方，黃河以北日照時(shí)數(shù)基本保持在2 400 h/a上下，而淮河以南的大部分地區(qū)日照時(shí)數(shù)低于2 000 h/a。西部地區(qū)有兩個(gè)日照時(shí)數(shù)的高值區(qū)，一為青藏高原西部，一為內(nèi)蒙西部和新疆、甘肅、青海3省的交界地帶，年日照時(shí)數(shù)都在3 200 h以上［24］。

各地氣象站都有日照實(shí)數(shù)的觀測(cè)數(shù)據(jù)，與太陽總輻射比較起來，觀測(cè)數(shù)據(jù)比較充足。眾多學(xué)者利用各地實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來分析太陽能資源的時(shí)空分布和變化特征，方法比較科學(xué)和可行，結(jié)果也很可靠。但是對(duì)于無測(cè)站地區(qū)的日照時(shí)數(shù)，尚沒有人提出可靠的計(jì)算方法。

1.3 太陽能資源區(qū)劃

我國(guó)幅員廣大，有著十分豐富的太陽能資源。據(jù)估算，我國(guó)陸地表面每年接受的太陽輻射能約為50×1015MJ，全國(guó)各地太陽輻射總量為3 350～8 370 MJ/m2，中值為 5 860 MJ/m2［26］。按接受太陽能輻射量的大小，全國(guó)大致上可分為5類地區(qū)，見表1。王炳忠(1983年)最早對(duì)我國(guó)太陽能資源進(jìn)行區(qū)劃，提出三級(jí)區(qū)劃指標(biāo)：將太陽能資源的年總量作為第一級(jí)區(qū)劃指標(biāo)，將日照時(shí)數(shù)＞6 h的天數(shù)出現(xiàn)最多和最少的月份分布作為第二級(jí)區(qū)劃指標(biāo)，將日間太陽能利用的有利時(shí)段作為第三級(jí)區(qū)劃指標(biāo)［28］。之后，許多研究者基于氣象站觀測(cè)資料對(duì)部分省市太陽能資源的時(shí)空分布及區(qū)劃做了許多工作。戴志松和鄧先瑞［29］于1988年提出了湖北省太陽能資源利用的二級(jí)區(qū)劃，第一級(jí)區(qū)劃的任務(wù)主要是反映太陽能資源的豐富程度，劃分的主要指標(biāo)是太陽輻射的年總量和日照百分率，第二級(jí)區(qū)劃的任務(wù)主要是反映各地太陽能資源的利用條件;馮剛［30］等采用三級(jí)區(qū)劃指標(biāo)對(duì)新疆太陽能資源進(jìn)行了區(qū)劃，第一級(jí)區(qū)劃采用太陽能資源年總量;第二級(jí)區(qū)劃采用水平表面直達(dá)輻射量與總輻射量的比值;第三級(jí)區(qū)劃采用環(huán)境溫度和日照時(shí)數(shù)＞6 h的天數(shù)。通過三級(jí)區(qū)劃劃分了太陽能資源帶、區(qū);朱飆［9］按照國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)［31］將甘肅省太陽能資源劃分為豐富區(qū)、較豐富區(qū)和可利用區(qū);龔強(qiáng)［32］根據(jù)遼寧各地年均太陽總輻射量，將太陽能資源劃分為豐富區(qū)、較豐富區(qū)、一般區(qū)、較少區(qū)4個(gè)區(qū)域。只有對(duì)太陽能資源進(jìn)行區(qū)劃，明確劃分出太陽能資源豐貧的地區(qū)，才能方便各行各業(yè)對(duì)太陽能進(jìn)行充分利用。我國(guó)學(xué)者對(duì)全國(guó)和各地太陽能資源做了大量區(qū)劃，這對(duì)于太陽能資源的開發(fā)利用大有裨益。

表1 我國(guó)太陽能分布狀況［27］

2 太陽能資源評(píng)估

2.1 太陽能資源利用價(jià)值評(píng)估

國(guó)內(nèi)外一般利用各月日照時(shí)數(shù)＞6 h的天數(shù)為指標(biāo)，反映一天中太陽能資源的利用價(jià)值。該值越大，說明該地區(qū)日照越充裕、越穩(wěn)定，受天氣變化影響越小，越有利于太陽能資源的開發(fā)利用。韓世濤［8］等統(tǒng)計(jì)分析了寧夏19個(gè)縣(區(qū))日照時(shí)數(shù)＞6 h的天數(shù)，指出寧夏各地日照時(shí)間多于6 h每月在13.3～25.7 d，全年在 215 ～292.6 d;朱飆［9］等通過對(duì)甘肅省80站1971—2008年實(shí)測(cè)的日照時(shí)數(shù)資料得到各地每年太陽日照時(shí)數(shù)＞6 h的天數(shù)在150～320 d之間，指出河西走廊的酒泉、張掖、嘉峪關(guān)，每年日照時(shí)數(shù)＞6 h的天數(shù)在290 d以上，非常有利于太陽能的開發(fā);周揚(yáng)［11］等統(tǒng)計(jì)出西北區(qū)10 a(1999—2008年)163個(gè)氣象觀測(cè)站日照時(shí)數(shù)＞6 h的天數(shù)并求平均，結(jié)果表明太陽能資源可利用價(jià)值最高的地區(qū)位于甘肅與新疆的交界地帶，其次是敦煌、蘭州、寶雞、西安、安康及漢中等地區(qū)，其近10 a平均每年中＞6 h的天數(shù)均在300 d以上。

2.2 太陽能資源穩(wěn)定度評(píng)估

穩(wěn)定程度也是評(píng)價(jià)太陽能資源一個(gè)重要指標(biāo)，一個(gè)地區(qū)即使太陽能資源很豐富，但是不穩(wěn)定的話，就會(huì)導(dǎo)致太陽能利用設(shè)備很難正常工作，或者經(jīng)濟(jì)效益不明顯，所以也會(huì)致使太陽能資源很難利用。國(guó)內(nèi)通用1 a中各月日照時(shí)數(shù)＞6 h的天數(shù)最大值與最小值的比值來表征太陽能資源的穩(wěn)定程度，它可以反映當(dāng)?shù)靥柲苜Y源全年變幅。比值越小，說明太陽能資源全年變化越穩(wěn)定，就越利于太陽能資源的利用。朱飆通過對(duì)甘肅省80個(gè)氣象站該比值的計(jì)算，按照中國(guó)氣象局對(duì)太陽能資源溫度程度劃分的標(biāo)準(zhǔn)，得出甘肅省太陽能資源穩(wěn)定的有25個(gè)站，較穩(wěn)定的有50個(gè)站，不穩(wěn)定的有4個(gè)站的結(jié)論［19］;周揚(yáng)［11］對(duì)西北地區(qū) 1999—2008 年 163 個(gè)氣象站該比值的計(jì)算，得到各站點(diǎn)10 a平均值，得出陜西中部及南部、新疆烏魯木齊周邊地區(qū)是西北地區(qū)太陽能資源最不穩(wěn)定的地區(qū)，而太陽能資源穩(wěn)定的地區(qū)是青海北部、甘肅北部、新疆東北部和青、甘、新三省交界地帶的結(jié)論;占明錦通過計(jì)算得到江西1971—2000年太陽能資源穩(wěn)定程度評(píng)估圖，指出江西省贛北和贛中大部地區(qū)屬于較穩(wěn)定區(qū)域，贛西北和贛東南部分地區(qū)屬于穩(wěn)定地區(qū)［7］;陳巧計(jì)算得到商丘市各月日照時(shí)數(shù)＞6 h的天數(shù)最大值與最小值的比值為3.2，商丘太陽能資源較穩(wěn)定［33］。

2.3 太陽能資源日最佳利用時(shí)段評(píng)估

對(duì)太陽能資源最佳利用時(shí)段進(jìn)行評(píng)估，可以為相關(guān)行業(yè)的生產(chǎn)及人們?nèi)粘Ｉ钐峁﹨⒖?。?guó)內(nèi)對(duì)這方面的研究較少，近幾年才開始有這方面的報(bào)道。韓世濤等以一天中某一時(shí)間段的年平均日照時(shí)數(shù)為指標(biāo)，即哪一時(shí)間段年平均日照時(shí)數(shù)長(zhǎng)，則表示該段時(shí)間是一天中太陽能資源的最佳利用時(shí)段，對(duì)銀川市太陽能資源最佳利用時(shí)段進(jìn)行了評(píng)估，得出中午是銀川市最有利太陽能資源利用的時(shí)段的結(jié)論［8］。楊勇等也用這個(gè)方法對(duì)博州地區(qū)的太陽能資源日最佳利用時(shí)段進(jìn)行了分析［34］。

3 存在的問題及展望

太陽能資源是自然界賦予人類的重要資源，對(duì)太陽能資源進(jìn)行評(píng)估是太陽能資源開發(fā)利用的前提和基礎(chǔ)。多年來，我國(guó)學(xué)者對(duì)太陽能資源評(píng)估開展了大量富有成果的研究，主要體現(xiàn)在：對(duì)全國(guó)、省、市不同空間范圍的太陽能資源從豐富度、利用價(jià)值、穩(wěn)定度、日最佳利用時(shí)段等方面進(jìn)行了評(píng)估，做了大量區(qū)劃，這為我國(guó)充分利用太陽能提供科學(xué)依據(jù)。但是也存在如下問題：①對(duì)太陽總輻射估算的方法、手段雖然越來越多，但估算結(jié)果的精度還不是很高;②僅用各月日照時(shí)數(shù)＞6 h的天數(shù)這個(gè)指標(biāo)來評(píng)估太陽能資源的利用價(jià)值，不是很科學(xué)，尤其不能滿足一些特殊行業(yè)的生產(chǎn)需要;③對(duì)太陽能資源日最佳利用時(shí)段的研究還很少，需加強(qiáng)這方面的研究。

評(píng)估是一個(gè)很復(fù)雜很有難度的工作，任何評(píng)估方法都有缺陷和不足之處。對(duì)于太陽能資源評(píng)估，今后應(yīng)加強(qiáng)理論研究，提出更科學(xué)的太陽總輻射的估算的理論和方法;同時(shí)，也需要緊密結(jié)合生產(chǎn)生活實(shí)際，找出符合實(shí)際需要的太陽能資源利用價(jià)值、穩(wěn)定度等的評(píng)估方法。

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1003-6598(2011)05-0001-04

2011-06-27

袁小康(1987-)，男，在讀碩士，主要研究方向?yàn)樽匀毁Y源開發(fā)與保護(hù)。