鶴崗地區(qū)太陽能資源狀況分析

王志霞,趙 燃,王力艷

(1．黑龍江省氣象信息中心，黑龍江 哈爾濱150030；2.鶴崗市氣象局，黑龍江 鶴崗 154100;3.綏化市氣象局，黑龍江 綏化152000)

1 引言

近年來, 隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展, 能源短缺問題日益嚴(yán)重， 能源生產(chǎn)中所產(chǎn)生的大氣污染問題也非常突出。 為促進我國經(jīng)濟社會的可持續(xù)發(fā)展,合理開發(fā)利用清潔、 可再生能源是緩解能源短缺和環(huán)境污染問題的有效途徑。 太陽能作為永久性能源,具有無污染、清潔可再生、自然界普遍存在、無須運輸?shù)葍?yōu)點,被國際公認(rèn)為未來最有競爭力的能源之一[1]。分析評估太陽能資源狀況, 是開發(fā)利用太陽能的基礎(chǔ)。由于我國的太陽能總輻射觀測站較少,科研人員大多利用氣候?qū)W計算方法對無資料地區(qū)太陽總輻射進行計算和分布特征分析[2],但與直接使用觀測資料相比,該法誤差較大,計算結(jié)果不準(zhǔn)確。 鶴崗地區(qū)寶泉嶺中心氣象臺自2008年開始進行太陽總輻射觀測,有5 a較連續(xù)的觀測資料。 故利用總輻射和日照時數(shù)等觀測資料對寶泉嶺的太陽能資源進行分析評估,以了解鶴崗太陽能資源狀況,為合理開發(fā)利用鶴崗太陽能資源提供依據(jù)。

2 資料來源及缺測資料處理

本文采用的氣象資料為鶴崗氣象站2005-2012年的日照和氣溫資料,寶泉嶺中心氣象臺2005-2012年的輻射、日照和氣溫資料。 對2010年8-9月部分缺測輻射資料，考慮到在相鄰幾天內(nèi)，大陽高度角，日出日落時間大體相同，對輻射影響較小的情況。 采用相似訂正法對缺測當(dāng)日總輻射進行插補， 即在相鄰幾天內(nèi)查找日照、云量、氣溫相似的情況對當(dāng)日輻射進行插補。

3 鶴崗市的地理和氣候特征

鶴崗市位于黑龍江省東北部， 地處小興安嶺東麓低山丘陵與松花江下游平原交界處， 與俄羅斯隔黑龍江相望，地勢由西北至東南逐漸平緩，屬于小興安嶺到三江平原的過渡地帶， 地形地貌復(fù)雜多樣,以山地丘陵為主， 最高海拔1 022 m， 最低海拔75 m。鶴崗處于典型的溫帶大陸性季風(fēng)區(qū)， 冬季盛行偏北季風(fēng)，夏季盛行偏南季風(fēng)，年平均氣溫為3.6 ℃，平均降水量約為640 mm。

4 鶴崗地區(qū)太陽能資源分布情況

根據(jù)2008-2012年寶泉嶺氣象站資料統(tǒng)計 （圖1）,鶴崗市太陽輻射最多年份為2009年5 188.63 MJ/m2,最小年份為2011年4 245.9 MJ/m2,輻射最多最少年份相差942.73 MJ/m2，5 a年平均值為4581.2 MJ/m2。 近3 a 一直穩(wěn)定維持在4 260 MJ/m2，年波動不超過30 MJ/m2。 屬太陽能資源豐富地區(qū)（表1），個別年份能達到資源很豐富等級。 將鶴崗地區(qū)與太陽能利用較發(fā)達的歐洲國家的總輻射資源做了對比。 德國是太陽能利用最發(fā)達的國家之一， 德國南部地區(qū)緯度與鶴崗地區(qū)相同， 且是該國太陽總輻射資源最豐富的地區(qū)，總輻射最多年份為4 500 MJ/m2，最少年份為3 240 MJ/m[3],僅達到我國的較豐富帶的標(biāo)準(zhǔn),鶴崗地區(qū)年度總輻射基本與德國相當(dāng)。 在歐洲國家中西班牙和葡萄牙的太陽能資源最豐富,年度總輻射均>5 040 MJ/m2,相當(dāng)于黑龍江省南部水平。 黑龍江省雖然處于我國東北部,傳統(tǒng)上認(rèn)為的黑龍江省北部太陽能資源利用不大， 但鶴崗地區(qū)的太陽能資源與歐洲太陽能利用大國相比,資源量并不遜色,未來在這些地區(qū)開發(fā)利用太陽能也將有很大潛力。

圖1 2008-2012年寶泉嶺中心氣象站年總輻射和日照時數(shù)統(tǒng)計圖

表1 太陽能資源豐富程度等級表

寶泉嶺站日照時最多年為2008年2 265.2 h，最少年為2010年2 125.0 h，平均2 194.5 h。 鶴崗氣象站日照時最多年為2011年2 426.3 h，最少年為2008年2 124.1 h，平均2 293.3 h。整體來說鶴崗地區(qū)太陽日照時數(shù)穩(wěn)定，近5 a 來年度相差不大。年日照時數(shù)與年太陽總輻射不一定存在正相關(guān)關(guān)系。

圖2 鶴崗地區(qū)2008-2012年月累計總輻射分布圖

圖2 表明,鶴崗地區(qū)總輻射月分布情況為5月份出現(xiàn)峰值,平均為570.20 MJ/m2。 但輻射總量僅比6、7、8月份略多，月平均相差約25 MJ/m2，僅是一個睛好天氣下的日輻射量。 到9月份開始太陽輻射量就明顯減弱，9-12月呈階梯狀下降， 到12月達年內(nèi)最小值，平均為131.34 MJ/m2，僅相當(dāng)于5月份輻射總量的1/5。 從1-4月開始月輻射總量又開始階梯狀上升。圖上表現(xiàn)為年內(nèi)12月以每4 個月為一階段，前4個月上升，中間4 個月穩(wěn)定，后4 上月下降。

5 鶴崗地區(qū)太陽能資源的穩(wěn)定度評估

在太陽能開發(fā)中,資源的穩(wěn)定度是一個需要考慮的重要因素, 它與太陽輻射的年變化幅度密切相關(guān)，為說明各地區(qū)太陽直接輻射資源的穩(wěn)定度,定義了一個穩(wěn)定度指數(shù):

I=Dmin/Dmax

其中,Dmin 和Dmax 分別表示全年總輻射最弱和最強月份的輻射通量， 顯然，I 越大表示總輻射的年變化越小。 我國大部分地區(qū)的穩(wěn)定度指數(shù)都大于0.3， 鶴崗地區(qū)2008-2012年的穩(wěn)定度指數(shù)平均值為0.23, 這與鶴崗地區(qū)地處我國東北部高緯度地區(qū)，年內(nèi)太陽高度角變化幅度比較大有很大關(guān)系。 鶴崗地區(qū)太陽輻射不如其他地區(qū)穩(wěn)定， 在進行本地太陽能大規(guī)模開發(fā)利用時必須進行充分考慮。

圖3 鶴崗地區(qū)2011年5月太陽輻射各時次統(tǒng)計圖

圖3 為鶴崗地區(qū)2011年5月太陽輻射各時次累加曲線，可以看出11-13時是太陽輻射最強時次，在兩側(cè)則為正態(tài)分布。

圖4 為鶴崗地區(qū)太陽輻射日分布情況，2008年10月15日為晴空天氣，高、低云量均為0，能見度>10 km；17日為霾天氣，上午08時觀測高云量為10，其間無云，能見度6 km；18日為多云（小雨）天氣，能見度為10 km；19日，08時有霧的記錄，能見度08時只有0.3 km，02時能見度>10 km；20日， 為煙幕天氣，能見度基本在7 km，02時能見度>10 km。 15-20日鶴崗地區(qū)天氣現(xiàn)象復(fù)雜多變， 連續(xù)幾天太陽高度角變化影響微小，可以忽略不計。 為開展不同天氣下太陽輻射評估提供了客觀條件。 分別對晴空、霾、陰（小、陣雨）、霧、煙幕5 種天氣條件下太陽輻射的影響進行對比分析。 從圖上可以看到：輻射通量日變化比較明顯，陰天（小雨）對太陽輻射影響最大，輻射通量為晴天下的38%，對日照影響更大，日照時數(shù)只達到晴天的12%， 這與全天低云量達9.3 成有很大關(guān)系。 霧、霾天氣的輻射通量對應(yīng)晴天輻射通量數(shù)值差別比較明顯，霧、霾污染天氣的日輻射通量是晴天的52%和60%，日照是晴天的30%和51%，這與霧霾天氣主要分布在近地層有關(guān)， 在霧霾天氣下大氣污染物不易擴散，能見度也比較低。 煙幕天的太陽輻射是晴天的81%，日照是晴天的76%,與前幾種天氣相比煙幕對太陽輻射影響是最小的， 這與本地?zé)熌惶鞖庵饕霈F(xiàn)在早晨有關(guān)，日出之后，隨著太陽輻射對大氣的增溫，大氣湍流運動增強，風(fēng)力增大，煙幕天氣在上午基本上就能消散。

圖4 霾、霧、陰、煙幕、晴好天氣日輻射通量對比的變化圖

6 結(jié)語

（1）鶴崗地區(qū)雖然處于高緯度地區(qū)，但是太陽能資源并不匱乏，屬于太陽能資源非富地區(qū)，與德國南部大體相當(dāng)，有很大的開發(fā)利用價值。

（2）鶴崗地區(qū)太陽能年際分布為5-8月最多，約占全年的50%；1-4月約占25%；9-12月約占25%。在開發(fā)過程中需考慮鶴崗地區(qū)太陽能年內(nèi)穩(wěn)定程度。

（3）在不同的天氣背景下，太陽輻射能量變化較大，陰雨、大霧天氣對輻射影響最大，利用太陽能時需要考慮連續(xù)陰雨天氣和大霧天氣對太陽輻射的影響。

[1] 宋軍，劉莉.大連市太陽能資源評估分析[J]. 安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，8：3666-3667.

[2] 于宏敏. 黑龍江省太陽總輻射氣候?qū)W計算及其分布特征[J].安徽農(nóng)業(yè)科學(xué)，2009，22：10573-10574.

[3] 趙東. 中國太陽能長期變化及計算方法研究[J].南京信息工程大學(xué)，2009，博士論文：147.