李丹丹，何 昊，仇恒帥，吳 澤，潘非凡, 楊書運, 2*

安徽省太陽輻射能資源的時空分布特征與可利用潛力評估

李丹丹1，何 昊1，仇恒帥1，吳 澤1，潘非凡1, 楊書運1, 2*

(1. 安徽農(nóng)業(yè)大學資源與環(huán)境學院，合肥 230036；2. 農(nóng)業(yè)農(nóng)村部合肥農(nóng)業(yè)環(huán)境科學觀測實驗站，合肥 230036)

為了明確安徽省太陽能資源的時空分布特征與可利用潛力，基于安徽省20個氣象站臺1970—2020逐日日照時數(shù)數(shù)據(jù)，以亳州、合肥和黃山作為安徽的代表站點，分析安徽省太陽輻射能的時空變化及可利用潛力。結(jié)果表明：安徽省太陽輻射空間分布呈北多南少，太陽輻射量近51年來呈下降趨勢。皖北地區(qū)太陽輻射量最大、波動也較大，皖中以及皖南太陽輻射量在一定范圍內(nèi)波動。各代表站點太陽輻射量具有11年左右周期變化，與太陽活動周期具有一致性。安徽省總體處于太陽能資源豐富區(qū)，利用期較長，日照穩(wěn)定。安徽省屋頂可裝光伏電池面積為1 277.51 km2，集中于安徽省中部及北部，占全省面積的0.9%，發(fā)電潛力約為2.05×1014kJ。

太陽能資源；安徽省；資源評估；時空分布特征

煤炭和石油等化石燃料的大量使用是全球變暖的主要原因之一，諸多國家為追求經(jīng)濟的發(fā)展，能源需求持續(xù)上升，同時嚴重的環(huán)境與氣候問題危及人類自身的生存[1-2]。中國人口基數(shù)與經(jīng)濟發(fā)展規(guī)模決定了能源消費總量大，但中國作為負責的大國，主動提出了碳達峰、碳中和的目標，推動能源結(jié)構(gòu)進行重大迅速的轉(zhuǎn)變，尋求清潔高效的新能源[3-4]。太陽能作為一種總量巨大的氣候能源，對其高效合理的開發(fā)與利用是解決能源危機的有效途徑[5-7]。然而太陽能能量具有密度低、時空分布不均的特點，有必要明確中國地表太陽輻射量時空分布，對太陽能開發(fā)潛力進行評估[8-9]。

目前中國各地陸續(xù)進行太陽輻射能開發(fā)潛力評估，其中太陽能資源豐富的西北地區(qū)是研究的熱 點[10-13]。已有研究討論了太陽輻射能的分布特征和變化規(guī)律，并且基于太陽能豐富度、穩(wěn)定度、利用價值等指標對太陽能資源可利用潛力進行評估[14-16]。除此之外，郝玉珠等對內(nèi)蒙古進行太陽能資源評估時還加入了影響太陽輻射的因子研究[10]；顧瑋等考慮到新疆天氣特點與人口分布特征，結(jié)合了沙塵天氣頻次、人口豐富度、陸路交通可達性及土地利用情況進行太陽能資源開發(fā)利用評估[17]；周揚等針對江蘇省的土地利用現(xiàn)狀，估算了屋頂可裝光伏電池面積并估計了發(fā)電量[13]。然而，現(xiàn)階段太陽能資源的利用與發(fā)展還存在許多局限，中東部電力供應無法滿足其經(jīng)濟發(fā)展，而西北地區(qū)太陽能發(fā)電的穩(wěn)定性和輸送技術(shù)還需提升，電力資源的長穩(wěn)供應將是未來影響中國中東部地區(qū)經(jīng)濟社會發(fā)展的關(guān)鍵問題，因此加強中東部太陽能的開發(fā)和利用對支持中國經(jīng)濟的發(fā)展具有重要意義[18-20]。安徽位于中國亞熱帶核心地區(qū)，是中國南北分界線秦嶺-淮河所在地的代表地區(qū)，地形起伏導致輻射差異較大，并且安徽省在政策上大力支持太陽能產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，光伏研發(fā)實力雄厚，光伏生產(chǎn)鏈初具雛形，具有優(yōu)越的發(fā)展條件與前景[21-23]。明確安徽省的太陽輻射能發(fā)展?jié)摿?，有利于太陽能的利用和開發(fā)。已有學者對安徽省的太陽輻射時空變化進行了研究，并對地形與日照時數(shù)之間的關(guān)系進行了討論[22-23]。然而對于安徽地區(qū)太陽能資源穩(wěn)定度評估缺乏系統(tǒng)性的研究，并且需要根據(jù)安徽省土地開發(fā)現(xiàn)狀進行太陽輻射開發(fā)潛力的分析。

本研究將安徽省劃分為皖北、皖中以及皖南地區(qū)，分別以亳州、合肥和黃山作為代表性站點，進行太陽輻射能的變化趨勢、突變與周期的研究；利用20個氣象站臺1970—2020逐日數(shù)據(jù)，分析輻射空間變化特征，在此基礎(chǔ)上分析太陽輻射進行穩(wěn)定度和可利用潛力，以期為安徽省太陽輻射能資源開發(fā)與利用提供依據(jù)。

1 數(shù)據(jù)來源與研究方法

研究基于安徽省20個氣象站臺1970—2020 年的逐日氣象要素觀測數(shù)據(jù)，氣象數(shù)據(jù)來源于“中國氣象科學數(shù)據(jù)共享服務(wù)網(wǎng)”（http://cdc.cma.gov.cn）。從皖北、皖中和皖南地區(qū)（淮河流域以北為皖北，長江水系以南為皖南）選取代表站點，分別為亳州、合肥和黃山進行太陽輻射量變化規(guī)律的研究。安徽省土地利用情況來自于Esri對外公布全球10 m土地覆蓋數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)利用歐洲航天局（ESA）的Sentinel-2衛(wèi)星影像繪制而成。

1.1 太陽總輻射計算模型

本研究采用安徽省20個氣象臺1970—2020 年的逐日日照時數(shù)估算太陽輻射量，并通過反距離權(quán)重法獲得安徽省太陽能資源空間分布情況。采用盧燕宇等基于理想天文輻射下，將合肥和屯溪兩個站點的輻射數(shù)據(jù)進行合并所得到的太陽總輻射計算公式[23]：

=Q(0.1538+0.5372) （1）

其中為太陽總輻射量，單位為MJ·m-2·d-1；Q為天文總輻射，單位為MJ·m-2·d-1；為日照百分率，根據(jù)安徽省20個氣象站觀測的日照時數(shù)計算所得。

1.2 趨勢分析

通過一元線性回歸分析代表站點1970—2020 年太陽輻射量的多年變化趨勢[17]，斜率為正代表變化趨勢為增加，斜率為負代表變化趨勢為減少。

1.3 突變檢驗分析

主要對長時序的數(shù)據(jù)突變性進行檢驗，可明確數(shù)據(jù)的突變時間及區(qū)域并進行顯著性檢驗。曲線按時間順序呈正態(tài)分布，組成一條UF曲線，經(jīng)信度檢驗可以得出序列是否有明顯變化趨勢，將該方法運用到反序列之中可以得到一條逆序曲線(UB曲線)，突變點為兩條曲線在臨界值線內(nèi)的交點。在顯著水平=0.05的水平下(兩條曲線的臨界值為±1.96)，＞0則表示序列呈上升趨勢，反之則下降；當大于臨界值(＞1.96)時，則表示上升趨勢明顯，反之則下降趨勢明顯[10]。

1.4 小波分析

小波分析可以將太陽輻射要素與時間序列相聯(lián)系，反映太陽總輻射的周期變化和時域分布，本研究對安徽省年輻射總量進行小波分析。

1.5 可利用潛力分析

根據(jù)中國氣象局頒布的“太陽能資源評估方法”，本試驗分別通過豐富度、穩(wěn)定度和利用價值評估安徽省太陽能資源總體狀況[12]。其中豐富度根據(jù)太陽年累計平均輻射量分為：一般(<3 780 MJ·m-2)、豐富(3 780～5 040 MJ·m-2)、很豐富(5 040～6 300 MJ·m-2)和極豐富(>6 300 MJ·m-2)4個等級；以年平均日照時數(shù)大于6 h的天數(shù)作為太陽能資源利用價值評估，將≥280 d評估為利用期極長、280～240 d為很長、<240 d為長；日照穩(wěn)定程度利用每月日照時數(shù)最大值與最小值的比值大于6 h天數(shù)表示，以< 2為穩(wěn)定、2～4為較穩(wěn)定、≥4為不穩(wěn)定作為劃分標準。

針對安徽省土地開發(fā)現(xiàn)狀，參考周揚等太陽能應用潛力分析，估算安徽省屋頂光伏發(fā)電潛力[13]。安裝光伏電池屋頂面積(W)及年光伏發(fā)電量(H)計算公式如下：

W為可利用屋頂面積，單位：m2；設(shè)可用屋頂全部用于光伏發(fā)電，α光伏普及率設(shè)定為100%；J為人造地表面積，單位：m2；根據(jù)安徽省地方標準《安徽省保障性住房建設(shè)標準》[24]，房屋密度為25%；為我國屋頂占居住區(qū)面積45%。H為年有效發(fā)電量，單位：kWh；W為光伏發(fā)電總峰值功率，單位：W；η為蓄電池庫倫效率，本研究取0.86；η為逆變器效率，本研究取0.93；為衰變系數(shù)約為0.89；D年峰值日照時數(shù)為輻射量除系數(shù)3.6，單位：h;W為單晶硅電池的峰值功率，取240 W；為單晶硅電池面積4.47 m2。

2 結(jié)果與分析

2.1 太陽輻射空間分布特征

由圖1可知，安徽省太陽年累計平均輻射量在空間上呈現(xiàn)北多南少，從北到南逐漸遞減的趨勢。皖北地區(qū)以亳州、宿州和蚌埠太陽年累計平均輻射量最高，分別達到4 669.4、4 662.3和4 576.1 MJ·m-2。皖中地區(qū)太陽輻射空間分布情況較為復雜，大部分地區(qū)太陽年累計平均輻射量處于4 000～4 500 MJ·m-2的范圍內(nèi)，但合肥太陽年累計平均輻射量高于其他地區(qū)，其值達到4 535.1 MJ·m-2；東部金寨、霍山太陽年累計平均輻射量較低，分別為3 608.4和3 962.6 MJ·m-2。皖南地區(qū)太陽年累計平均輻射量最低，以屯溪為最低僅達到3 568.8 MJ·m-2。

圖1 安徽省年均太陽輻射空間分布(a)和資源分區(qū)情況(b)

Figure 1 Spatial distribution of annual mean solar radiation (a) and resource zoning (b) in Anhui

表 1 代表站點季節(jié)和年累計平均太陽輻射量

注：采用氣象劃分法劃分四季（陽歷3-5月為春季；6-8月為夏季；9-11月為秋季；12-次年2月為冬季）。

2.2 太陽輻射時間分布特征

安徽省太陽年累計平均輻射量由北向南遞減。由表1可知，皖北地區(qū)亳州年累計平均輻射量可達4 669.4 MJ·m-2·a-1，其次為皖中地區(qū)合肥年累計平均輻射量達到4 535.1 MJ·m-2·a-1，皖南地區(qū)黃山為最小僅達到3 974.1 MJ·m-2·a-1。夏季太陽輻射量為全年中的最大值，其次是春季、秋季，冬季輻射量最少。

圖2 安徽代表站點年均太陽輻射變化和M-K檢驗

Figure 2 Annual average solar radiation variation of representative stations in Anhui and M-K test

對3個代表站點1970—2020年太陽年累計輻射量變化趨勢進行分析，亳州、合肥和黃山都呈下降趨勢，每年分別以4.472、3.998與4.292 MJ·m-2的速度減小。亳州1995年前波動幅度較小，于1995年后波動幅度明顯增大，且于2017年達到峰值（5 188.3 MJ·m-2），2003年為最低值（3 982.0 MJ·m-2）。合肥與黃山太陽輻射量近51年來波動幅度一致無明顯變化趨勢，合肥太陽輻射量波動范圍為4 250～5 500 MJ·m-2，黃山站波動范圍為3 500～4 500 MJ·m-2。

亳州UF線自1980年起持續(xù)低于0水平線，且存在下降趨勢，2008年前后降至臨界值水平線以下，于2013年前后回到置信區(qū)間內(nèi)，且UF線、UB線存在多個突變點。合肥UF線呈先下降后上升、最后逐漸下降趨勢，除1970—1971年與1983—1995年UF線都處于0水平之下，太陽輻射量總體呈下降趨勢，2016—2018年突破臨界值水平線，此時下降趨勢十分明顯，UF線與UB線的交點出現(xiàn)在1996年，出現(xiàn)負突變，與年均輻射量趨勢變化一致。黃山UF線處于置信區(qū)間內(nèi)圍繞0上下波動，于2016年后呈下降趨勢。

圖3 安徽代表站點太陽輻射小波等值線圖

Figure 3 Solar radiation wavelet contour map of representative stations in Anhui

2.3 太陽輻射周期

利用小波分析對3個代表站點1970—2020年年累計太陽輻射量進行周期分析，同一時間尺度下，數(shù)值正負和大小分別代表輻射的增減過程和周期變化的顯著性。由圖 2可知，亳州太陽輻射存在8～12 年和22～27 年兩個不同時間尺度的周期變化。其中8～12 年時間尺度僅在1996—2018 年存在，22～27 年時間尺度具有全域性，經(jīng)歷了增-減-增的變化，閉合線在該周期聚集，振蕩周期顯著約為2～4 年。合肥太陽輻射存在4～9 年和16～20 年兩個周期變化。4～8 年的周期變化僅分布于1970—1990 年，16～20 年的時間尺度具有全域性且經(jīng)歷了增-減的變化，該時間尺度下振蕩周期約為2～4 年。黃山在8～15 年有一個小的變化周期，經(jīng)歷了增-減的變化，振蕩周期比較紊亂約為2～3 年。太陽活動具有11年和22年兩個周期，以小周期11年最為顯著[25-26]。亳州和合肥太陽輻射量具有11年和22年周期變化，黃山太陽輻射量則存在11年周期變化，3個代表站點的周期變化均與太陽活動11 年周期具有一致性。

2.4 可利用潛力分析

安徽省太陽輻射量處于3 568.8～4 669.4 MJ·m-2的范圍內(nèi)，總體資源分區(qū)情況為豐富（3 780～5 040 MJ·m-2），僅西部及南部少數(shù)地區(qū)為一般（＜3 780 MJ·m-2）（圖 1）。安徽省利用價值與日照穩(wěn)定度呈現(xiàn)由北向南遞減的趨勢。由表 2，年平均日照時數(shù)大于6 h的天數(shù)均大于140 d且小于240 d，表明安徽省太陽能利用期長。亳州年均日照時數(shù)大于6 h的天數(shù)為最高達到206 d，黃山為最少僅147 d。安徽省日照穩(wěn)定度處于2～4 d較穩(wěn)定的范圍內(nèi)，其中以亳州地區(qū)日照穩(wěn)定為最高，屯溪日照穩(wěn)定度為最低。

表2 安徽省太陽能資源利用價值及日照穩(wěn)定度情況

圖4 安徽省土地利用情況(a)及可開發(fā)用地情況(b)

Figure 4 Land use (a) and developable land (b) in Anhui Province

土地利用情況對太陽能發(fā)展影響關(guān)鍵，基于下墊面類型對安徽省太陽能資源利用潛力進行討論，圖4為安徽省2020年10 m×10 m分辨率土地利用情況及可開發(fā)用地情況。皖北地區(qū)以耕地為主，皖中地區(qū)有水體、耕地和森林的存在，下墊面復雜，皖南地區(qū)森林面積占比較大。為了保護環(huán)境和耕地，將耕地、森林、草地、濕地和水體設(shè)定為禁止開發(fā)區(qū)，其中人造地表面積（可開發(fā)用地）為14 194.61 km2，而安徽省的裸地主要分布于西部及南部山區(qū)中，由于交通的不可達性，不予考慮。本研究假設(shè)屋頂面積全部可裝光伏電池進行發(fā)電，并進行發(fā)電潛力的計算。計算結(jié)果如下：屋頂可裝光伏電池面積為1 277.51 km2，集中于安徽省中部及北部，占全省面積的0.9%，發(fā)電潛力約為2.05×1014kJ。

3 討論與結(jié)論

利用安徽省20個氣象站點逐日日照時數(shù)，進行太陽輻射時空分布特征的研究。結(jié)果表明安徽省太陽輻射呈下降趨勢，這與四川、湖南以及華南等地區(qū)研究結(jié)果一致[12,14,16]。何彬方等[27]認為安徽省日照時數(shù)的下降與氣溶膠粒子濃度增加、水汽壓和降水增加等顯著相關(guān)，與胡景波等[28]和徐夢春等[29]關(guān)于氣溶膠粒子影響日照時數(shù)的研究結(jié)果一致，這可能是本研究中太陽輻射呈下降趨勢的原因。相關(guān)研究多為氣象因素對日照時數(shù)或太陽輻射的影響，忽略了太陽周期活動的作用，肖子牛等研究表明太陽活動的周期變化與地球的氣候變化具有相關(guān)性[30]；王剛等發(fā)現(xiàn)地球所接受的太陽輻射周期變化與太陽活動周期相符[31]。本研究中，經(jīng)小波分析發(fā)現(xiàn)，安徽省代表站點太陽輻射量變化具有一定的周期性，均顯示出了 11年左右變化周期。郝玉珠等在進行內(nèi)蒙古太陽輻射量變化研究時發(fā)現(xiàn)存在11年的完整波動周期[10]。馬金玉等對全中國近50年的太陽總輻射時空變化特征進行了研究，發(fā)現(xiàn)各地區(qū)均存在10～13 年和20～23 年的周期變化特征，與太陽活動周期具有一致性，以上研究均與本研究結(jié)果一致[32]。

本研究利用日照時數(shù)與經(jīng)驗公式分析安徽省太陽輻射空間分布。相關(guān)研究表明，局地地形對太陽輻射空間分布影響明顯[33-34]。理論上太陽輻射應該與緯度成反比，但安徽省的輻射分布情況總體呈現(xiàn)北多南少，西部少數(shù)地區(qū)輻射量也較低。此現(xiàn)象應與安徽省地形有聯(lián)系，皖南及西部少數(shù)地區(qū)日照時數(shù)少于皖北地區(qū)是由于多山地。安徽整體處于太陽能資源豐富區(qū)，可利用天數(shù)大于140 d，日照穩(wěn)定度較穩(wěn)定，太陽能發(fā)展可利用土地占全省面積的0.9%，集中于安徽省中部及北部，具有良好的光伏發(fā)展?jié)摿Α?/p>

安徽省太陽輻射量近51年來呈下降趨勢。其中皖北地區(qū)太陽輻射總量大但變化也劇烈；皖中地區(qū)和皖南地區(qū)輻射量均在一定范圍內(nèi)波動。經(jīng)小波分析發(fā)現(xiàn)，皖北地區(qū)亳州存在8～12年和22～27年兩個周期變化，皖中地區(qū)合肥存在4～9年和16～20 年兩個周期變化，皖南地區(qū)黃山在8～15年有一個變化周期。3個代表站點輻射變化具有周期性，均存在11年左右的周期變化，與太陽活動周期具有一致性。

安徽省總體太陽年均輻射量處于3 568.8～ 4 669.4 MJ·m-2·a-1的范圍內(nèi)，夏季輻射量最大?？臻g分布呈現(xiàn)北多南少的特征，亳州地區(qū)太陽年累計平均輻射量最多，安徽西部金寨地區(qū)與南部屯溪、祁門地區(qū)太陽年累計平均輻射量最少。太陽能資源程度評估如下：安徽省總體處于太陽能資源豐富區(qū)，僅西部和南部少數(shù)地區(qū)為資源一般區(qū)；從資源利用價值來看，安徽省太陽能資源可利用天數(shù)均大于140 d，利用期較長，日照穩(wěn)定度處于2～4 d較穩(wěn)定的范圍內(nèi)。

安徽省太陽能可開發(fā)用地集中于皖北及皖中地區(qū)，屋頂可裝光伏電池面積為1 277.51 km2，集中于安徽省中部及北部，占全省面積的0.9%，發(fā)電潛力約為2.05×1 014kJ。

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Spatial and temporal distribution characteristics and evaluation of solar energy resources in Anhui Province

LI Dandan1, HE Hao1, QIU Hengshuai1, WU Ze1, PAN Feifan1, YANG Shuyun1, 2

(1. School of Resources and Environment, Anhui Agricultural University, Hefei 230036; 2. Hefei Agricultural Environmental Science Observation and Experimental Station, Ministry of Agriculture and Rural Affairs, Hefei 230036)

In order to clarify the spatial and temporal distribution characteristics and utilization of solar energy resources in Anhui Province, this study analyzed the spatial and temporal variation and utilization potential of solar radiation energy in Anhui Province based on the daily sunshine hours data of 20 meteorological stations from 1970 to 2020, with Bozhou, Hefei and Huangshan as representative stations in Anhui Province. The results showed that the spatial distribution of solar radiation in Anhui Province was more in the north and less in the south. The solar radiation in northern Anhui fluctuated greatly, while the solar radiation in central Anhui and southern Anhui fluctuated within a certain range. The 11-cycle variation of each representative station was consistent with the solar activity cycle. Anhui Province is generally in the area of abundant solar energy resources, with a long utilization period and stable sunshine. The area of photovoltaic cells that could be installed on the roofs of Anhui Province was 1 277.51 km, concentrated in the central and northern parts of Anhui Province, accounting for 0.9% of the province's area, with a power generation potential of about 2.05×1014kJ.

solar energy resources; Anhui Province; resource assessment; temporal and spatial distribution characteristics

TK511

A

1672-352X (2022)06-0990-07

10.13610/j.cnki.1672-352x.20230106.019

2023-01-10 13:28:30

[URL] https://kns.cnki.net/kcms/detail//34.1162.S.20230109.1150.003.html

2021-12-07

國家重點研發(fā)項目(2017YFD0301301-1)資助。

李丹丹，碩士研究生。E-mail：1104813422@qq.com.com

楊書運，博士，教授。E-mail：yangshy@ahau.edu.cn