紫云氣象站太陽能資源評(píng)估

羅麗亞，丁立國，張東海

(1.貴州省紫云縣氣象局，貴州 紫云 550800；2.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

紫云氣象站太陽能資源評(píng)估

羅麗亞1，丁立國2，張東海2

(1.貴州省紫云縣氣象局，貴州 紫云 550800；2.貴州省氣候中心，貴州 貴陽 550002)

太陽能資源作為可再生清潔能源，在我國積極應(yīng)對(duì)氣候變化，落實(shí)國家節(jié)能減排要求，推進(jìn)新能源使用中發(fā)揮了重要作用，光伏發(fā)電作為新能源在我國得到不斷開發(fā)利用。該文利用紫云氣象站1961—2014年的日照觀測資料及2011—2014年太陽輻射觀測資料。通過對(duì)日照資料及輻射資料變化情況的分析，以及采用氣候?qū)W方法估算1981年以來的太陽輻射值，對(duì)紫云氣象站的太陽能資源進(jìn)行評(píng)估。

日照時(shí)數(shù)；總輻射；太陽能資源

1 概述

太陽輻射是地球表層上的物理、生物和化學(xué)過程的主要能源。在能源日漸短缺和環(huán)境保護(hù)雙重壓力形式下，太陽能作為取之不盡的可再生綠色能源，得以重視和開發(fā)利用。太陽能的開發(fā)利用在我國積極應(yīng)對(duì)氣候變化，落實(shí)國家節(jié)能減排要求、改善能源結(jié)構(gòu)、推進(jìn)新能源使用發(fā)揮了重要作用。隨著太陽能發(fā)電技術(shù)的逐步成熟，成本不斷下降，太陽能發(fā)電由補(bǔ)充能源向替代能源過渡成為必然。

紫云縣位于貴州省的西南部，地處貴州高原東側(cè)向南傾斜的斜坡地帶，最高點(diǎn)海拔1 681 m，最低點(diǎn)海拔623 m，平均海拔1 162 m。紫云氣象站位于106.05°E，25.46°N，觀測場海拔高度1 197.6 m。

2 資料及來源

本文收集到紫云氣象站1961—2014年的日照觀測資料及2011—2014年太陽輻射觀測資料。通過對(duì)日照資料及輻射資料變化情況的分析，以及采用氣候?qū)W方法估算1981年以來的太陽輻射值，對(duì)紫云氣象站的太陽能資源進(jìn)行評(píng)估。

3 日照時(shí)數(shù)分析

3.1 日照時(shí)數(shù)變化特征

紫云氣象站多年平均日照時(shí)數(shù)為1 315.9 h，1961—2014年呈快速遞減趨勢，氣候傾向率為-62.3 h/10 a(圖1)；近54 a來日照時(shí)數(shù)最大值出現(xiàn)在1963年，為1 749.6 h，最小值出現(xiàn)在2000年，為1 022.9 h，80%以上年份年日照時(shí)數(shù)超過1 167.0 h，90%的年份年日照時(shí)數(shù)超過1 071.0 h。

圖1 紫云氣象站歷年日照時(shí)數(shù)變化(1961—2014)

紫云氣象站春季和夏季日照時(shí)數(shù)最多，分別為367.9 h和432.4 h，其次為秋季324.1 h，冬季最少為310.0 h；全年各月日照時(shí)數(shù)3—9月較多，在105 h以上，占全年日照時(shí)數(shù)的70.9%，而8月最多為166.6 h，占全年的12.7%，，1月最少，僅有60.7 h(圖2)。

3.2 日照有效性分析

紫云氣象站日照時(shí)數(shù)大于3 h、6 h的天數(shù)多年平均分別為168.3 d、107.8 d，80%以上年份分別在147 d和90 d以上(圖3)；年總無日照天數(shù)多年平均為132.4 d，80%以上年份在113 d以上，最多年份達(dá)173 d(2008年)；小于3h日照天數(shù)多年平均為193.5 d，80%以上年份在176 d以上，最多年份達(dá)244 d(2000年、2005年和2012年)。

圖2 紫云氣象站多年平均各月日照時(shí)數(shù)(1961—2014年)

圖3 紫云氣象站歷年界限日照天數(shù)變化(1961—2014年)

4 太陽能資源氣候?qū)W方法分析

4.1 輻射資源觀測資料分析

紫云氣象站太陽輻射自2011年1月1日開始觀測，各月總輻射觀測值見表1。

表1 月總輻射觀測值表(MJ/m2)

從2011年1月—2014年12月(其中2012年10月缺測)觀測結(jié)果來看，除2011年1月、2012年11月—2013年2月受凝凍天氣影響，總輻射僅為13.49～98.61 MJ/m2外，其余各月份總輻射均在100 MJ/m2以上，最大值出現(xiàn)在7月或者8月，超過500 MJ/m2，不同年份存在一定差異。季節(jié)變化情況為夏季最大，其次為春季和秋季，冬季最小；年總輻射2011年為4 228.59 MJ/m2，2013年為4 486.55 MJ/m2，2014年為4 559.5 MJ/m2。

從日照時(shí)數(shù)和輻射的觀測數(shù)據(jù)來看，站點(diǎn)各月日照時(shí)數(shù)和總輻射具有良好的線性關(guān)系，變化趨勢較為一致(圖4)。

圖4 紫云氣象站2011年1月—2014年12月各月日照時(shí)數(shù)與總輻射變化圖

4.2 輻射推算模型參數(shù)

太陽總輻射Q的氣候?qū)W計(jì)算公式為：Q=Q0(ag+bg×S)，式中Q0為水平面天文輻射，S為日照百分率，ag、bg值為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。在推算太陽輻射值時(shí)，多是以季(月)的實(shí)測太陽輻射數(shù)據(jù)與日照百分率等常規(guī)觀測氣象要素來擬合得到ag、bg系數(shù)，從而計(jì)算得到輻射值。

基于氣候?qū)W公式可知，Q/Q0=bg×S+ag，本文采用紫云氣象站2011年1月—2014年12月的逐月總輻射值Q、天文輻射Q0、日照時(shí)數(shù)與理想日照時(shí)數(shù)的比值日照百分率 來建立輻射推算模型。通過計(jì)算紫云氣象站逐月理想日照時(shí)數(shù)、天文輻射，結(jié)合2011年1月—2014年12月的紫云氣象站輻射觀測與日照時(shí)數(shù)觀測數(shù)據(jù)，分別計(jì)算出輻射百分率(Q/Q0)和日照百分率(S)。

通過對(duì)紫云氣象站輻射百分率和日照百分率結(jié)果進(jìn)行分析，可以看出各月輻射百分率和日照百分率具有較好的線性關(guān)系(圖5)，其線性關(guān)系式為Q/Q0=0.591 2 ×S+ 0.194 6，由此得到ag、bg系數(shù)分別為：ag=0.194 6，bg=0.591 2。

圖5 輻射率和日照率關(guān)系圖

4.3 紫云氣象站太陽能資源分析

采用紫云氣象站的太陽輻射參數(shù)(ag、bg)估算出的紫云氣象站各月34 a(1981—2014年)平均總輻射及80%保證率輻射值見表2。

表2 各月平均總輻射值及年總輻射(1981—2014年)

紫云觀測站各月總輻射量均在200 MJ/m2以上，4—9月超過400 MJ/m2；春夏秋冬4個(gè)季節(jié)分別為：1 254.4 MJ/m2，1 418.2 MJ/m2，982.2 MJ/m2和692.6 MJ/m2，夏季最高，春季略低于夏季，冬季最低，與實(shí)際觀測結(jié)果一致。

紫云氣象站歷年總輻射量均在3 950 MJ/m2以上，80%的年份在4 147.6 MJ/m2以上。

按照紫云氣象站太陽輻射模型估算參數(shù)以及紫云氣象站的日照時(shí)數(shù)估算得到紫云氣象站的年總輻射量為4 347.3 MJ/m2，根據(jù)《太陽能資源評(píng)估方法》(QX/T 89-2008)中的太陽能資源豐富程度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)(見表3)，紫云氣象站的太陽能資源屬豐富等級(jí)。

表3 太陽能資源豐富程度等級(jí)(QX/T 89-2008)

5 結(jié)論

紫云氣象站多年平均日照時(shí)數(shù)為1 315.9 h，80%以上年份年日照時(shí)數(shù)超過1 167.0 h，90%的年份年日照時(shí)數(shù)超過1 071.0 h。春季和夏季日照時(shí)數(shù)最多，秋季次之，冬季最少。但從1961—2014年日照時(shí)數(shù)呈現(xiàn)出快速遞減趨勢。

從2011—2014年太陽輻射觀測數(shù)據(jù)可知，各月日照時(shí)數(shù)和總輻射變化趨勢較為一致，但冬季的太陽輻射受凝凍天氣影響較大，如2011年1月、2012年11月—2013年2月總輻射均在100 MJ/m2。

通過實(shí)測太陽輻射觀測數(shù)據(jù)估算紫云氣象站1981—2014年太陽總輻射，歷年總輻射量均在3 950 MJ/m2以上，80%的年份在4 147.6 MJ/m2以上。各月總輻射量均在200 MJ/m2以上，4—9月超過400 MJ/m2。

按照紫云氣象站太陽輻射模型估算參數(shù)以及紫云氣象站的日照時(shí)數(shù)估算得到紫云氣象站的年總輻射量為4 347.3 MJ/m2，根據(jù)《太陽能資源評(píng)估方法》(QX/T 89-2008)中的太陽能資源豐富程度等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，紫云氣象站的太陽能資源屬豐富等級(jí)。

根據(jù)紫云地形特點(diǎn)，在紫云低熱河谷地區(qū)存在優(yōu)于紫云氣象站的太陽能資源，具有開發(fā)價(jià)值，可進(jìn)行光伏發(fā)電項(xiàng)目開發(fā)。

[1] QX/T 89-2008.太陽能資源評(píng)估方法[S].北京：中國氣象局.

[2] 翁篤鳴.試論總輻射的氣候?qū)W計(jì)算方法[J].氣象學(xué)報(bào)，1964，34(3)：304-315.

[3] 祝昌漢.再論總輻射的氣候?qū)W計(jì)算方法(一)[J].南京氣象學(xué)院學(xué)報(bào)，1982(1)：15-24.

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[5] 王炳忠，張富國，李立賢.我國的太陽能資源及其計(jì)算[J].太陽能報(bào)，1980，1(1)：1-9.

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[7] 盛裴軒，毛節(jié)泰，李建國，等.編著.大氣物理學(xué)[M].北京：北京大學(xué)出版社，2003.

[8] 張家誠，林之光.中國氣候[M].上海：上?？茖W(xué)技術(shù)出版社，1985.

[9] 谷曉平，古書鴻，于飛，等.貴州太陽能資源研究[M].貴州：貴州科技出版社，2014.

2015-04-09

羅麗亞(1961—)，女(布依族)，助工，主要從事雷電防護(hù)工作。

1003-6598(2015)05-0043-03

P422.1

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