袁小康，谷曉平，王濟

(1.貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院，貴州 貴陽 550001;2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，貴州 貴陽 550002;3.貴州省山地環(huán)境氣候研究所，貴州 貴陽 550002)

中國太陽能資源評估研究進展

袁小康1，2，谷曉平2，3，王濟1

(1.貴州師范大學地理與環(huán)境科學學院，貴州 貴陽 550001;2.貴州省山地氣候與資源重點實驗室，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、利用價值、穩(wěn)定度和日最佳利用時段幾個方面回顧了我國在太陽能資源評估方面的主要研究成果，提出國內(nèi)太陽能資源評估存在的問題，并展望其發(fā)展趨勢，為深入展開太陽能資源研究提供參考。

太陽能資源;評估;進展

太陽是一個碩大的能量寶庫，其每年輻射到達地球表面的能量高達4×1015MW，相當于3.6×105億tce(ton of standard coal equivalent，1噸標準煤當量)，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富，各國政府都非常重視太陽能資源的開發(fā)和利用，如美國、德國、日本早在20世紀90年代就開始實施“百萬屋頂光伏計劃”，意大利1998年開始實行“全國太陽能屋頂”計劃［2］。我國也在2006年出臺了《可再生能源法》，明確將太陽能、風能等可再生能源列入“國家能源發(fā)展的優(yōu)先領域”［3］。本文總結歸納了國內(nèi)太陽能資源評估的研究成果，分析了現(xiàn)階段太陽能資源評估研究存在的問題，并展望其發(fā)展趨勢，為今后太陽能研究提供參考。

1 太陽能資源估算及區(qū)劃

太陽時時刻刻在向地球傳遞能量，但是到達地表的太陽能資源的數(shù)量是很難計算的。目前國內(nèi)表征太陽能資源數(shù)量通常用太陽總輻射和日照時數(shù)這兩個指標。

1.1 太陽總輻射

到達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。而我國的太陽總輻射觀測站較少，分布不均勻，對于無太陽輻射站觀測的地區(qū)，通常利用數(shù)學方法對太陽總輻射進行估算。目前國內(nèi)學者對太陽輻射的估算方法大體可歸納為3種，即：①利用氣候學方法計算太陽總輻射;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)結合GIS技術模擬太陽輻射。

國內(nèi)太陽輻射的氣候學計算方法可統(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，得出了全國太陽總輻射的計算式：

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，給出國內(nèi)太陽總輻射的計算式：

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，擬合出國內(nèi)太陽總輻射的計算式：

Q=Q3(0．29+0．557 s1)(干旱地區(qū))

31區(qū))

式中E為實際水汽壓。國內(nèi)其他學者也利用此方法計算了太陽總輻射［7-13］。

在無測站地區(qū)，運用氣候學計算方法不失為一種可行的方法，且在國內(nèi)外都經(jīng)過較長時間的研究，該方法計算簡單，精度較高。但是該方法缺乏對地形的考慮，因為日射站通常是建在比較平坦的地方，不存在地形遮蔽的問題。該方法中經(jīng)驗系數(shù)的確定依賴于地面臺站的輻射觀測值，在日射站點稀疏而地形又比較復雜或者云和大氣狀況的時空變化較大的地區(qū)，采用內(nèi)插方法得到的經(jīng)驗系數(shù)可能會給計算結果帶來較大誤差。

近年來，隨著遙感技術的發(fā)展，很多學者利用衛(wèi)星探測資料計算太陽總輻射。周允華［14］等最先利用TIROS-N衛(wèi)星可見光云圖計算了1979年夏季青藏高原地表總輻射，得出候平均總輻射計算式;鐘強［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］等利用國際衛(wèi)星云氣候計劃(ISCCP)的云量資料，討論了青藏高原地面總輻射場的氣候反演問題，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系以及后者與總日射間的線性關系，對西藏地區(qū)的太陽能輻射進行了計算。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，計算結果依賴于衛(wèi)星傳感器的性能以及掃描地球的時空分辨率。且該方法通過擬合衛(wèi)星測值與實際值的線性關系來反演，而統(tǒng)計方法本身有很大局限性，所以其反演結果與實際值可能有較大差距。

氣象站一般都建在開闊的平地上，其觀測資料代表了水平面的觀測結果，難以反映實際起伏地形中太陽輻射的空間分布。在實際起伏地形下，到達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。我國學者繆啟龍、邱新法、袁淑杰、谷曉平等［18-23］利用數(shù)字高程(DEM)結合GIS技術模擬太陽輻射，計算方法主要通過轉換因子將水平面上的太陽輻射值轉換到傾斜面上。這種計算方法充分考慮了地形的影響，能比較準確地計算地形起伏較大地區(qū)的太陽總輻射，但是計算復雜，工作量較大，難以推廣。

1.2 日照時數(shù)

日照時數(shù)是指太陽的實照時數(shù)，通常日照時數(shù)受云量、地理緯度、地形的影響。李柯［24］繪制了中國年日照時數(shù)分布圖，并對全國各地區(qū)日照時數(shù)的分布進行了分析;楊淑群［13］等分析了四川省的年日照時數(shù)的分布特征和變化特征，指出四川省日照時數(shù)西部大于東部，日照時數(shù)的年變化東西部存在明顯差異;桑建人［25］等通過對寧夏日照時數(shù)的分析，指出寧夏年日照時數(shù)在空間分布上呈現(xiàn)南少北多，在時間分布上表現(xiàn)為季節(jié)變化較大，以夏季最多，春秋兩季次之，冬季最少。我國年日照時數(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。東部不僅日照強度弱且日照時間也短。相對而言，東部北方日照時數(shù)要多于南方，黃河以北日照時數(shù)基本保持在2 400 h/a上下，而淮河以南的大部分地區(qū)日照時數(shù)低于2 000 h/a。西部地區(qū)有兩個日照時數(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，年日照時數(shù)都在3 200 h以上［24］。

各地氣象站都有日照實數(shù)的觀測數(shù)據(jù)，與太陽總輻射比較起來，觀測數(shù)據(jù)比較充足。眾多學者利用各地實測數(shù)據(jù)來分析太陽能資源的時空分布和變化特征，方法比較科學和可行，結果也很可靠。但是對于無測站地區(qū)的日照時數(shù)，尚沒有人提出可靠的計算方法。

1.3 太陽能資源區(qū)劃

我國幅員廣大，有著十分豐富的太陽能資源。據(jù)估算，我國陸地表面每年接受的太陽輻射能約為50×1015MJ，全國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，全國大致上可分為5類地區(qū)，見表1。王炳忠(1983年)最早對我國太陽能資源進行區(qū)劃，提出三級區(qū)劃指標：將太陽能資源的年總量作為第一級區(qū)劃指標，將日照時數(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區(qū)劃指標，將日間太陽能利用的有利時段作為第三級區(qū)劃指標［28］。之后，許多研究者基于氣象站觀測資料對部分省市太陽能資源的時空分布及區(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區(qū)劃，第一級區(qū)劃的任務主要是反映太陽能資源的豐富程度，劃分的主要指標是太陽輻射的年總量和日照百分率，第二級區(qū)劃的任務主要是反映各地太陽能資源的利用條件;馮剛［30］等采用三級區(qū)劃指標對新疆太陽能資源進行了區(qū)劃，第一級區(qū)劃采用太陽能資源年總量;第二級區(qū)劃采用水平表面直達輻射量與總輻射量的比值;第三級區(qū)劃采用環(huán)境溫度和日照時數(shù)＞6 h的天數(shù)。通過三級區(qū)劃劃分了太陽能資源帶、區(qū);朱飆［9］按照國家標準［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［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個區(qū)域。只有對太陽能資源進行區(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)對太陽能進行充分利用。我國學者對全國和各地太陽能資源做了大量區(qū)劃，這對于太陽能資源的開發(fā)利用大有裨益。

表1 我國太陽能分布狀況［27］

2 太陽能資源評估

2.1 太陽能資源利用價值評估

國內(nèi)外一般利用各月日照時數(shù)＞6 h的天數(shù)為指標，反映一天中太陽能資源的利用價值。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)計分析了寧夏19個縣(區(qū))日照時數(shù)＞6 h的天數(shù)，指出寧夏各地日照時間多于6 h每月在13.3～25.7 d，全年在 215 ～292.6 d;朱飆［9］等通過對甘肅省80站1971—2008年實測的日照時數(shù)資料得到各地每年太陽日照時數(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，每年日照時數(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［11］等統(tǒng)計出西北區(qū)10 a(1999—2008年)163個氣象觀測站日照時數(shù)＞6 h的天數(shù)并求平均，結果表明太陽能資源可利用價值最高的地區(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)定度評估

穩(wěn)定程度也是評價太陽能資源一個重要指標，一個地區(qū)即使太陽能資源很豐富，但是不穩(wěn)定的話，就會導致太陽能利用設備很難正常工作，或者經(jīng)濟效益不明顯，所以也會致使太陽能資源很難利用。國內(nèi)通用1 a中各月日照時數(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?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。朱飆通過對甘肅省80個氣象站該比值的計算，按照中國氣象局對太陽能資源溫度程度劃分的標準，得出甘肅省太陽能資源穩(wěn)定的有25個站，較穩(wěn)定的有50個站，不穩(wěn)定的有4個站的結論［19］;周揚［11］對西北地區(qū) 1999—2008 年 163 個氣象站該比值的計算，得到各站點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論;占明錦通過計算得到江西1971—2000年太陽能資源穩(wěn)定程度評估圖，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］;陳巧計算得到商丘市各月日照時數(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段評估

對太陽能資源最佳利用時段進行評估，可以為相關行業(yè)的生產(chǎn)及人們?nèi)粘Ｉ钐峁﹨⒖?。國?nèi)對這方面的研究較少，近幾年才開始有這方面的報道。韓世濤等以一天中某一時間段的年平均日照時數(shù)為指標，即哪一時間段年平均日照時數(shù)長，則表示該段時間是一天中太陽能資源的最佳利用時段，對銀川市太陽能資源最佳利用時段進行了評估，得出中午是銀川市最有利太陽能資源利用的時段的結論［8］。楊勇等也用這個方法對博州地區(qū)的太陽能資源日最佳利用時段進行了分析［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，對太陽能資源進行評估是太陽能資源開發(fā)利用的前提和基礎。多年來，我國學者對太陽能資源評估開展了大量富有成果的研究，主要體現(xiàn)在：對全國、省、市不同空間范圍的太陽能資源從豐富度、利用價值、穩(wěn)定度、日最佳利用時段等方面進行了評估，做了大量區(qū)劃，這為我國充分利用太陽能提供科學依據(jù)。但是也存在如下問題：①對太陽總輻射估算的方法、手段雖然越來越多，但估算結果的精度還不是很高;②僅用各月日照時數(shù)＞6 h的天數(shù)這個指標來評估太陽能資源的利用價值，不是很科學，尤其不能滿足一些特殊行業(yè)的生產(chǎn)需要;③對太陽能資源日最佳利用時段的研究還很少，需加強這方面的研究。

評估是一個很復雜很有難度的工作，任何評估方法都有缺陷和不足之處。對于太陽能資源評估，今后應加強理論研究，提出更科學的太陽總輻射的估算的理論和方法;同時，也需要緊密結合生產(chǎn)生活實際，找出符合實際需要的太陽能資源利用價值、穩(wěn)定度等的評估方法。

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P422

B

1003-6598(2011)05-0001-04

2011-06-27

袁小康(1987-)，男，在讀碩士，主要研究方向為自然資源開發(fā)與保護。