陜北榆林地區(qū)太陽(yáng)能資源空間分布特征及資源潛力評(píng)估

吳林榮，杜莉麗，王娟敏，孫 嫻

（1.陜西省氣象局，陜西 西安710014；2.陜西省氣候中心，陜西 西安710014）

中國(guó)太陽(yáng)能資源十分豐富，全國(guó)陸地每年接受太陽(yáng)輻射能相當(dāng)于2.4×1013t標(biāo)準(zhǔn)煤，開發(fā)利用前景廣闊，中國(guó)已經(jīng)把太陽(yáng)能開發(fā)利用作為新能源開發(fā)的重點(diǎn)。研究表明，陜北榆林地區(qū)是太陽(yáng)能資源豐富區(qū)，有著廣泛地利用前景［1－5］。孫嫻等［6］，吳林榮等［7－8］較系統(tǒng)地研究了陜西山地及水平面的太陽(yáng)輻射時(shí)空分布，指出陜北北部尤其是長(zhǎng)城沿線是太陽(yáng)能資源開發(fā)利用的最佳區(qū)域。然而該區(qū)域卻一直沒(méi)有輻射觀測(cè)站，2007年9—10月陜西省氣象局在完成《鄂爾多斯盆地（陜西部分）能源開發(fā)利用總體規(guī)劃》項(xiàng)目的基礎(chǔ)上，在榆林的靖邊和神木縣新建了3個(gè)輻射觀測(cè)站并進(jìn)行了1a時(shí)間的科學(xué)觀測(cè)，本文利用這新建3個(gè)輻射站2008年的實(shí)測(cè)輻射觀測(cè)值與氣候?qū)W模式計(jì)算值進(jìn)行對(duì)比檢驗(yàn)，并計(jì)算出了陜北榆林地區(qū)的季、年太陽(yáng)總輻射，并對(duì)陜北榆林地區(qū)的太陽(yáng)能資源潛力進(jìn)行了評(píng)估，為榆林地區(qū)充分合理地開發(fā)利用太陽(yáng)能資源提供理論參考。

1 資料與方法

1.1 研究區(qū)概況

榆林市位于陜西省最北部，地處陜、甘、寧、蒙、晉5省（區(qū)）交界，地理坐標(biāo)為107°28′—111°15′E，36°57′—39°34′N，地處毛烏素沙漠和黃土高原過(guò)渡地帶，風(fēng)蝕沙化和水土流失嚴(yán)重，東南部黃土丘陵溝壑區(qū)是黃河中游水土流失最嚴(yán)重的地區(qū)。東臨黃河與山西相望，西連寧夏、甘肅，北鄰內(nèi)蒙古鄂爾多斯市，南接延安市。黃河沿東界南下涉境400km多，古長(zhǎng)城橫貫東西700km多。地勢(shì)由西部向東傾斜，地貌分為風(fēng)沙草灘區(qū)、黃土丘陵溝壑區(qū)、梁狀低山丘陵區(qū)3大類。地貌大體以長(zhǎng)城為界，北部為風(fēng)沙草灘區(qū)，占總面積的42%，南部為黃土丘陵溝壑區(qū)占總面積的58%。平均海拔1 300m，氣候?qū)倥瘻貛Ш蜏貛О敫珊荡箨懶约撅L(fēng)氣候，年平均氣溫10℃，年平均降水量400mm左右，四季分明，日較差大，氣象災(zāi)害較多，幾乎每年都有不同程度的干旱、霜凍、暴雨、大風(fēng)、冰雹等災(zāi)害發(fā)生，尤以干旱、冰雹和霜凍危害嚴(yán)重。

1.2 資料來(lái)源

陜西省有延安、西安、安康3個(gè)輻射觀測(cè)站。本文選用延安代表陜北地區(qū)計(jì)算［9］，總輻射資料序列長(zhǎng)度為1990—2008年。日照時(shí)數(shù)、日照百分率為榆林12個(gè)臺(tái)站1971—2008年的月資料。新建的靖邊、神木、神木大保當(dāng)3站為2008年逐日總輻射資料，資料全部來(lái)自于陜西省氣象檔案館。

1.3 計(jì)算方法

太陽(yáng)輻射的計(jì)算采用氣候?qū)W方法，即：

式中：Q——地表受到的太陽(yáng)總輻射；Q0——起始數(shù)據(jù)（或稱背景值），Q0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）——以日照百分率和總云量表示的天空遮蔽度函數(shù)，這里以天文總輻射作為背景值，則計(jì)算公式為：

式中：Q——地表受到的太陽(yáng)總輻射；Q0——天文輻射；S——日照百分率；a，b——系數(shù)。

根據(jù)延安各月輻射和日照百分率，采用最小二乘法［10－15］擬合出陜北地區(qū)式（2）中各月的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a，b，然后計(jì)算出各地的地面月平均太陽(yáng)總輻射，通過(guò)累加進(jìn)而推算出各地季、年太陽(yáng)總輻射。

1.4 太陽(yáng)能資源評(píng)估方法

太陽(yáng)能資源評(píng)估是太陽(yáng)能資源開發(fā)利用的基礎(chǔ)，根據(jù)太陽(yáng)能資源評(píng)估方法［16］，太陽(yáng)能資源評(píng)估包括太陽(yáng)能資源豐富程度、太陽(yáng)能資源穩(wěn)定程度。在此基礎(chǔ)上參考文獻(xiàn)［17］，對(duì)太陽(yáng)能資源的利用價(jià)值、太陽(yáng)能資源儲(chǔ)量、太陽(yáng)能資源可利用量等進(jìn)行評(píng)估。

（1）太陽(yáng)能資源豐富程度。以太陽(yáng)總輻射年總量為指標(biāo)，等級(jí)劃分情況如表1所示。

表1 太陽(yáng)能資源豐富程度等級(jí)劃分 MJ／（m2·a）

（2）太陽(yáng)能資源穩(wěn)定程度。以各月日照時(shí)數(shù)大于6h天數(shù)的最大值與最小值的比值表示太陽(yáng)能資源穩(wěn)定程度，等級(jí)劃分如表2所示：

式中：K——太陽(yáng)能資源穩(wěn)定程度指標(biāo)，無(wú)量綱；D1，D2，…，D12——1—12月各月日照時(shí)數(shù)大于6h的天數(shù)（d）；max（）——求最大值的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)；min（）——求最小值的標(biāo)準(zhǔn)函數(shù)。

表2 太陽(yáng)能資源穩(wěn)定程度等級(jí)劃分

（3）太陽(yáng)能資源利用價(jià)值。相關(guān)文獻(xiàn)表明［1，17］，太陽(yáng)能電站對(duì)9—16時(shí)出現(xiàn)日照的時(shí)間利用價(jià)值較高，因此，確定以各月日照時(shí)數(shù)大于6h的天數(shù)作為太陽(yáng)能發(fā)電可利用指標(biāo)，反映該區(qū)域太陽(yáng)能資源的利用價(jià)值。

（4）太陽(yáng)能資源儲(chǔ)量和可利用量。太陽(yáng)能資源儲(chǔ)量計(jì)算公式：

太陽(yáng)能資源可利用量計(jì)算公式：

式中：Q1——研究區(qū)太陽(yáng)能資源可利用量（kWh）。

2 結(jié)果與分析

2.1 模式精度檢驗(yàn)

將延安市歷年日輻射總量換算成歷年各月總輻射，并根據(jù)各月的總輻射和日照百分率進(jìn)行擬合，計(jì)算出各月的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，并對(duì)方程的相關(guān)系數(shù)作F檢驗(yàn)（如表3所示）?？梢钥闯鱿嚓P(guān)系數(shù)全部都在0.6以上，F(xiàn)值均通過(guò)F0.01檢驗(yàn)，回歸方程總體顯著。

表3 陜北月太陽(yáng)輻射計(jì)算公式中各月經(jīng)驗(yàn)系數(shù)和統(tǒng)計(jì)檢驗(yàn)

為了詳細(xì)評(píng)估陜北榆林地區(qū)太陽(yáng)能資源的豐富程度和開發(fā)潛力，陜西省氣象局于2007年9月在神木縣錦界鎮(zhèn)和大保當(dāng)鎮(zhèn)（110°01′E，38°39′N）建立了4要素輻射站，2007年10月在神木縣氣象局（110°26′E，38°49′N）和靖邊縣氣象局（108°48′E，37°37′N）建立了兩要素輻射站，整理2008年大保當(dāng)、神木、靖邊3個(gè)輻射站的實(shí)測(cè)總輻射資料，同時(shí)在計(jì)算模型中提取3個(gè)站對(duì)應(yīng)的模型計(jì)算值檢驗(yàn)?zāi)Ｐ途取?/p>

表4給出了實(shí)測(cè)值與計(jì)算值之間的相對(duì)誤差，圖1給出了神木、靖邊2008年太陽(yáng)總輻射實(shí)際觀測(cè)值和模擬值的對(duì)比曲線，從表4和圖1中可以看出，模式對(duì)陜北榆林地區(qū)的太陽(yáng)總輻射的擬合很好，各月相對(duì)誤差基本都控制在10%以內(nèi)。大保當(dāng)平均相對(duì)誤差為－3.8%，其中3月相對(duì)誤差最小僅0.2%，神木站平均相對(duì)誤差為－5.4%，其中5月相對(duì)誤差最小僅0.8%，靖邊平均相對(duì)誤差為－4.9%，其中5月誤差最小僅為0.2%，表明建立的太陽(yáng)輻射計(jì)算模型較為精確。

表4 大保當(dāng)、神木、靖邊2008年月太陽(yáng)輻射計(jì)算值與實(shí)測(cè)值之間的相對(duì)誤差 %

圖1 神木、靖邊各月太陽(yáng)總輻射測(cè)值與模擬值對(duì)比

2.2 榆林地區(qū)太陽(yáng)能資源分布特征

根據(jù)最小二乘法的擬合結(jié)果，將陜北榆林地區(qū)12個(gè)臺(tái)站的對(duì)應(yīng)天文輻射、日照百分率分別代入擬合方程，計(jì)算出榆林地區(qū)的各月太陽(yáng)總輻射，進(jìn)而推算出季、年太陽(yáng)總輻射，并將計(jì)算結(jié)果在Surfer 8.0軟件中采用克立格插值法完成全區(qū)范圍的太陽(yáng)總輻射空間插值。

圖2為榆林地區(qū)各季節(jié)太陽(yáng)總輻射分布狀況，從圖2中可看出，榆林地區(qū)夏季太陽(yáng)輻射最大，冬季最小，春、秋兩季介于其間。春季太陽(yáng)總輻射在1 515～1 586MJ／m2，夏季在1 712～1 782MJ／m2，秋季在1 007～1 061MJ／m2，冬季在724～777MJ／m2之間。同時(shí)，春、夏、秋3季太陽(yáng)輻射較高的區(qū)域分布區(qū)域較廣，是太陽(yáng)能利用的最佳季節(jié)。

榆林地區(qū)年太陽(yáng)總輻射的空間分布如圖3所示，可以看出榆林地區(qū)年太陽(yáng)總輻射量介于4 970～5 163MJ／m2，最高值區(qū)在長(zhǎng)城沿線一帶，府谷、神木、榆林、佳縣、靖邊、橫山、綏德、吳堡、米脂、清澗均在5 000MJ／m2以上，最大為橫山5 162.3MJ／m2，低值區(qū)主要位于定邊西南部和子洲南部。

圖2 榆林地區(qū)4季太陽(yáng)總輻射分布

圖3 榆林地區(qū)年太陽(yáng)總輻射分布

2.3 資源潛力評(píng)估

2.3.1 太陽(yáng)能資源豐富程度 由上述4季及年均太陽(yáng)能總輻射分析可知，榆林地區(qū)太陽(yáng)能資源最為豐富的地區(qū)是長(zhǎng)城沿線地區(qū)，根據(jù)國(guó)內(nèi)太陽(yáng)能源資源的區(qū)劃標(biāo)準(zhǔn)（表1），榆林地區(qū)12個(gè)縣（區(qū)）均屬于太陽(yáng)能資源豐富區(qū)，其中府谷—神木—榆林—橫山—靖邊大部—佳縣—米脂—吳堡—綏德—子洲北部屬于資源很豐富區(qū)，定邊—靖邊西南和子洲以南地區(qū)屬于資源豐富區(qū)（圖4）。

2.3.2 太陽(yáng)能資源穩(wěn)定程度 按照式（3），對(duì)研究區(qū)1971—2008年12個(gè)氣象站日照時(shí)數(shù)（日值）進(jìn)行計(jì)算，得到各站點(diǎn)38a平均K值（表5），可見榆林地區(qū)太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度K均小于2，說(shuō)明榆林地區(qū)太陽(yáng)能資源穩(wěn)定。

2.3.3 太陽(yáng)能資源利用價(jià)值 根據(jù)中國(guó)氣象局頒布的太陽(yáng)能資源評(píng)估方法標(biāo)準(zhǔn)及己有的研究結(jié)果，利用各月日照時(shí)數(shù)大于6h的天數(shù)為指標(biāo)，可反映一天中太陽(yáng)能資源的利用價(jià)值。一天中日照時(shí)數(shù)如小于6h則認(rèn)為太陽(yáng)能不具有利用價(jià)值。據(jù)此，統(tǒng)計(jì)了研究區(qū)38a（1971—2008年）中12個(gè)氣象觀測(cè)站日照時(shí)數(shù)大于6h的天數(shù)并求平均，結(jié)果表明各站點(diǎn)中年均日照時(shí)數(shù)大于6h的天數(shù)均超過(guò)250d，其中，最大為府谷達(dá)到283.07d，最少為定邊也有258.77d，說(shuō)明在不考慮成本、技術(shù)可行性的前提下，榆林地區(qū)太陽(yáng)能資源具有較高的潛在利用價(jià)值。

圖4 榆林地區(qū)太陽(yáng)能資源豐富程度分布

表5 榆林地區(qū)太陽(yáng)能資源穩(wěn)定度K

2.3.4 太陽(yáng)能資源儲(chǔ)量和可利用量 根據(jù)式（4），榆林地區(qū)總面積為43 578km2，年平均太陽(yáng)總輻射5 064MJ／m2，可計(jì)算出榆林地區(qū)太陽(yáng)能資源總儲(chǔ)量為6.13×1013kWh。再根據(jù)式（5），按1%陸地面積，轉(zhuǎn)換效率20%計(jì)算榆林地區(qū)太陽(yáng)能資源的可利用量，則可得到榆林地區(qū)太陽(yáng)能資源可利用量可達(dá)1 226kWh。

3 結(jié)論

（1）榆林地區(qū)夏季太陽(yáng)總輻射最大，冬季最小，春、秋兩季介于其間。春、夏、秋3季是太陽(yáng)能利用的最佳季節(jié)。

（2）榆林地區(qū)年太陽(yáng)總輻射量介于4 970～5 163MJ／m2，最高值區(qū)在長(zhǎng)城沿線一帶，府谷、神木、榆林、佳縣、靖邊、橫山、綏德、吳堡、米脂、清澗均在5 000MJ／m2以上，最大為橫山5 162.3MJ／m2，低值區(qū)主要位于定邊西南部和子洲南部。

（3）榆林各縣（區(qū)）均屬于太陽(yáng)能資源豐富區(qū)，其中府谷—神木—榆林—橫山—靖邊大部—佳縣—米脂—吳堡—綏德—子洲北部屬于資源很豐富區(qū)，定邊－靖邊西南和子洲以南地區(qū)屬于資源豐富區(qū)。

（4）榆林地區(qū)太陽(yáng)能資源十分穩(wěn)定，在不考慮成本、技術(shù)可行性的前提下，榆林地區(qū)太陽(yáng)能資源具有較高的潛在利用價(jià)值。

（5）榆林地區(qū)太陽(yáng)能資源總儲(chǔ)量可達(dá)6.13×1013kWh，太陽(yáng)能資源可利用量可達(dá)1 226kWh。

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