近50年廣西太陽能資源估算與特征分析

何 如，周紹毅，蘇 志，李艷蘭

(1.廣西壯族自治區(qū)氣象服務(wù)中心，廣西 南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)氣候中心，廣西 南寧 530022)

近50年廣西太陽能資源估算與特征分析

何 如1,2，周紹毅1,2，蘇 志1,2，李艷蘭2

(1.廣西壯族自治區(qū)氣象服務(wù)中心，廣西 南寧 530022；2.廣西壯族自治區(qū)氣候中心，廣西 南寧 530022)

利用1961～2010年廣西3個(gè)輻射站的太陽總輻射資料和90個(gè)國家氣象站的日照資料，估算了廣西各地的太陽總輻射量，分析了廣西太陽能資源的時(shí)空分布特征，并對廣西全區(qū)的太陽能資源豐富程度進(jìn)行了評價(jià)。結(jié)果表明，廣西各地年太陽總輻射為3682.2～5642.8 MJ/m2，年平均太陽總輻射呈減少趨勢，20世紀(jì)60年代最大，低值出現(xiàn)在80～90年代，進(jìn)入21世紀(jì)初期達(dá)到次大值；廣西年太陽總輻射空間分布呈現(xiàn)南部多、北部少，盆地平原多、丘陵山區(qū)少的特點(diǎn)，其中資源很豐富區(qū)位于廣西沿海及十萬大山北坡，是廣西太陽能利用的最佳區(qū)域，廣西南部的梧州、玉林、欽州及南寧南部地區(qū)是廣西具備一定開發(fā)利用潛力的資源豐富區(qū)。

太陽能資源；太陽總輻射；時(shí)空特征；廣西

隨著化石能源的逐漸減少和光電轉(zhuǎn)換技術(shù)的不斷進(jìn)步，太陽能的開發(fā)利用已成為未來能源的開發(fā)熱點(diǎn)，并有可能成為21世紀(jì)最具大規(guī)模開發(fā)潛力的新能源之一。隨著經(jīng)濟(jì)社會的發(fā)展，能源的需求也在不斷的增長，化石能源等一次性能源供應(yīng)日趨緊張，廣西的綜合能源消費(fèi)對外依存度超過70%，不利于廣西的能源保障供應(yīng)和能源安全。為了保護(hù)環(huán)境，促進(jìn)社會經(jīng)濟(jì)可持續(xù)發(fā)展，開發(fā)利用太陽能資源將成為改善能源結(jié)構(gòu)的一項(xiàng)重要舉措。

廣西位于祖國的西南部，日照充足，但由于廣西地形復(fù)雜，天氣氣候多變，太陽能資源時(shí)空分布差異較大，存在明顯的地域性和季節(jié)性分布特征。為了更好地掌握廣西全區(qū)太陽能資源的分布特點(diǎn)，尤其是廣西南部沿海地區(qū)的太陽輻射信息，1993年增加了北海站的太陽輻射觀測。本文利用更為詳盡的太陽輻射觀測資料，彌補(bǔ)了原有研究[1]資料代表性不足的缺陷，對廣西近50年的太陽總輻射進(jìn)行估算并對其時(shí)空分布特征進(jìn)行分析，評價(jià)廣西各地的太陽能資源豐富程度，為廣西太陽能資源的開發(fā)利用提供了詳實(shí)的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。

1 資料與方法

1.1 資料來源

本文選用1961～2010年廣西3個(gè)輻射站(南寧、桂林、北海)的太陽輻射資料，其中北海站自1993年開始對太陽輻射要素進(jìn)行觀測，其資料取自1993～2010年；以及1961～2010年廣西90個(gè)國家地面氣象站的日照時(shí)數(shù)、日照百分率等資料。

根據(jù)文獻(xiàn)[2]的研究結(jié)論，在進(jìn)行太陽資源評價(jià)時(shí)，平原地區(qū)至少需要6年以上的輻射觀測資料，其余地區(qū)至少需要10年。北海站位于北部灣沿海地區(qū)，海拔較低，地面較廣闊，其資料年限為8年；其余各站資料年限達(dá)到50年。因此，本文采用這3個(gè)輻射站點(diǎn)作為廣西太陽能總輻射量計(jì)算的代表站。

1.2 研究方法

1.2.1 太陽總輻射計(jì)算方法 根據(jù)《太陽能資源評估方法》(QX/T 89─2008)[3]中太陽總輻射氣候?qū)W計(jì)算方法，其經(jīng)驗(yàn)計(jì)算公式為：

Q=Q0(a+bs)

(1)

式(1)中Q與Q0分別為月實(shí)際太陽總輻射[MJ/(m2·d)]和月天文太陽總輻射[MJ/(m2·d)]，Q0由當(dāng)月逐日天文總輻射量相加得到；s為月日照時(shí)數(shù)百分率；a、b為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

其中,天文太陽總輻射計(jì)算公式為[3]

(2)

式(2)中Q0為日天文輻射總量[MJ/(m2·d)]，T為周期(24×60min/d)，I0為太陽常數(shù)[0.0820MJ/(m2·min)]，ρ為日地距離系數(shù)，φ為地理緯度(rad)，δ為太陽赤緯(rad)，ω0為日落時(shí)角(rad)。

1.2.2 經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a、b值的確定 根據(jù)南寧、桂林1961～2010年和北海1993～2010年歷年各月的太陽總輻射、同期天文輻射以及日照百分率，采用最小二乘法計(jì)算得到3個(gè)輻射站各月的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a、b值。

對于無輻射觀測的其余87個(gè)站，利用站點(diǎn)分區(qū)方法[1]，以桂林、南寧、北海3個(gè)輻射站為中心，將廣西其余87個(gè)氣象站按相關(guān)系數(shù)最大法歸入相應(yīng)的3個(gè)輻射站片區(qū)；在交界附近兩邊的氣象站，采用U檢驗(yàn)方法進(jìn)行調(diào)整(具體計(jì)算方法詳見文獻(xiàn)[1])。

2 計(jì)算結(jié)果

2.1 a、b值計(jì)算結(jié)果

表1為3個(gè)輻射代表站各月太陽總輻射經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a、b值及利用經(jīng)驗(yàn)系數(shù)帶入公式(1)得到的太陽輻射推算值與實(shí)測值之間的相對誤差。3個(gè)代表站各月平均相對誤差為：南寧6.9%，桂林9.4%，北海4.6%，各站各月相對誤差為3.1%～11.0%，除桂林1～4月、南寧2月相對誤差在10%～11%外，其余都在10%以下?？傮w上看，代表站各月均在誤差允許范圍之內(nèi)，表明方程擬合精度較高。

表1 輻射站各月經(jīng)驗(yàn)系數(shù)a、b值及相對誤差

2.2 站點(diǎn)分區(qū)結(jié)果

由廣西各站點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)分區(qū)圖(圖1)可見，廣西中北部基本上以24° N為分界線：24° N以北有42個(gè)站歸入桂林(Ⅰ區(qū))，中南大部分地區(qū)的36個(gè)站歸入南寧(Ⅱ區(qū))，南部沿海地區(qū)有12個(gè)站歸入北海(Ⅲ區(qū))。根據(jù)分區(qū)結(jié)果選用各片區(qū)相應(yīng)的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)建立各站點(diǎn)的太陽輻射方程。

2.3 太陽總輻射計(jì)算結(jié)果

根據(jù)廣西各站點(diǎn)建立的太陽輻射估算方程，得到廣西90個(gè)氣象站各月的太陽總輻射量，由此累加可以得到各站季、年的太陽總輻射量。由表2可知，廣西平均太陽總輻射為4395.5 MJ/m2，全區(qū)各地太陽總輻射3682.2～5642.8 MJ/m2。

3 太陽能資源特征分析

3.1 時(shí)間特征分析

3.1.1 年和年代際變化特征 由圖2-a可見，1961～2010年廣西太陽總輻射年際變化較明顯，廣西全區(qū)平均及南寧、桂林代表站均呈減少趨勢(趨勢系數(shù)均通過0.05顯著性檢驗(yàn))，全區(qū)平均每10年的減幅為43.84 MJ/m2，南寧、桂林每10年的減幅分別為37.93、61.80 MJ/m2；1995～2010年北海代表站(該站1993、1994年觀測不連續(xù))的太陽總輻射呈增加趨勢(趨勢系數(shù)通過0.05顯著性檢驗(yàn))。廣西全區(qū)和南寧、桂林代表站的年代際變化趨勢基本相同(圖2-b)，都呈現(xiàn)為單谷型：大值期出現(xiàn)在20世紀(jì)60年代，低值期全區(qū)和南寧出現(xiàn)在90年代前后，桂林則出現(xiàn)在80年代，隨后逐漸升高，在21世紀(jì)初期達(dá)到次大值。

3.1.2 月際變化特征 從太陽總輻射的逐月變化曲線圖(圖3-a)來看，廣西太陽總輻射月變化趨勢為：從3月開始至7月，太陽總輻射量呈現(xiàn)逐月上升趨勢，7月太陽總輻射達(dá)到全年的峰值，大部分地區(qū)為450～600 MJ/m2；從8月開始各地的太陽總輻射量逐月下降，2月份降至最低值，為太陽總輻射量最少的月份，大部地區(qū)為170～250 MJ/m2，各地月太陽總輻射的變幅一般在300 MJ/m2左右。從季節(jié)變化來看(圖3-b)，太陽總輻射在夏季最高，秋季、春季次之，冬季最低。

3.2 空間特征分析

廣西各地年太陽總輻射地域分布特點(diǎn)是：南部多、北部少，盆地平原多、丘陵山區(qū)少。梧州、玉林兩市南部，欽州、北海兩市，右江河谷及寧明、橫縣在4700 MJ/m2以上，其中北海、合浦、潿洲島及上思等地超過5000 MJ/m2，最多的潿洲島為5642.8 MJ/m2。

桂林、河池兩市大部、柳州市北部在4100 MJ/m2以下，其中桂北靠近湘、黔兩省的邊緣各縣及金秀低于3800 MJ/m2，最低的金秀為3682.2 MJ/m2。廣西中部大部分地區(qū)在4100～4700 MJ/m2之間(圖4)。

圖1 廣西各站點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)系數(shù)分區(qū)圖

表2 廣西全區(qū)平均和代表站逐月和年太陽總輻射

MJ/m2

圖2 廣西年太陽總輻射年際(a)和年代際(b)變化圖

圖3 廣西太陽總輻射月際(a)和季節(jié)(b)變化圖

4 太陽能資源豐富程度評價(jià)

在文獻(xiàn)[3]的基礎(chǔ)上，結(jié)合廣西的太陽能資源狀況，將標(biāo)準(zhǔn)中“資源豐富”的分區(qū)閾值3780～5040 MJ/m2內(nèi)插等分為3個(gè)級別，得到廣西的太陽能資源分區(qū)指標(biāo)(表3)。

根據(jù)廣西太陽能資源分區(qū)指標(biāo)(表3)，結(jié)合廣西年太陽總輻射分布結(jié)果(圖4)，廣西的太陽資源豐富程度主要分為以下幾個(gè)區(qū)域：

資源很豐富區(qū)：該區(qū)主要分布在廣西沿海及十萬大山北坡，是廣西太陽能利用的最佳區(qū)域；一級資源豐富區(qū)：位于廣西南部，包括梧州、玉林、欽州及南寧南部部分地區(qū)，是廣西太陽能利用的理想?yún)^(qū)域；二級資源豐富區(qū)：位于廣西中部，包括貴港市，百色、崇左、南寧、來賓等大部地區(qū)，是廣西太陽能利用的較理想?yún)^(qū)域；三級資源豐富區(qū)：位于廣西北部，包括桂林、柳州、河池、賀州等大部分地區(qū)；資源一般區(qū)：位于桂北靠近湘、黔兩省的邊緣的部分縣及金秀大瑤山地區(qū)。

表3 廣西太陽能資源分區(qū)指標(biāo)

圖4 廣西年太陽總輻射分布圖

5 結(jié)論

廣西年平均太陽總輻射為4395.5 MJ/m2，各地為3682.2～5642.8 MJ/m2，1961～2010年呈減少趨勢，全區(qū)平均每10年的減幅為43.84 MJ/m2。廣西的太陽總輻射20世紀(jì)60年代最大，低值出現(xiàn)在80～90年代，進(jìn)入21世紀(jì)初期達(dá)到次大值。夏季太陽總輻射最高，其中7月份達(dá)到全年峰值，大部地區(qū)為450～600 MJ/m2；秋季、春季次之，冬季最低。

廣西年太陽總輻射的空間分布呈南部多、北部少，盆地平原多、丘陵山區(qū)少的特點(diǎn)：梧州、玉林兩市南部，欽州、北海兩市，右江河谷及寧明、橫縣在4700 MJ/m2以上，其中北海、合浦、潿洲島及上思等地超過5000 MJ/m2；桂林、河池兩市大部、柳州市北部在4100 MJ/m2以下。

根據(jù)廣西太陽能資源豐富程度分區(qū)指標(biāo)，得到廣西的太陽能資源很豐富區(qū)主要分布在廣西沿海及十萬大山北坡，是廣西太陽能利用的最佳區(qū)域；具備一定開發(fā)利用潛力的資源豐富區(qū)，主要位于廣西南部的梧州、玉林、欽州及南寧南部部分地區(qū)，是廣西太陽能利用的理想?yún)^(qū)域；位于廣西中部包括貴港市，百色、崇左、南寧、來賓等大部分地區(qū)，是廣西太陽能利用的較理想?yún)^(qū)域。

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Estimation and Analysis of Solar Energy Resources of Guangxi in Recent 50 Years

HE Ru1,2， ZHOU Shao-yi1,2， SU Zhi1,2， LI Yan-lan2

(1. Guangxi Meteorological Service Center, Nanning 530022, China； 2. Guangxi Climate Center, Nanning 530022, China)

Based on the observational global solar radiation and sunshine data from 3 solar radiation stations and 90 weather stations from 1961 to 2010, the global solar radiation of every stations was estimated in Guangxi, the characteristics of solar energy resource spatio-temporal distributions were analyzed, the abundance of solar energy resource was evaluated. The results showed that the annual global solar radiation of every stations was from 3682.2 MJ/m2to 5642.8 MJ/m2in Guangxi, the average annual global solar radiation was decreased, which was the strongest in the 1960s and weakest in the 1980s and the 1990s, and secondary strongest in the 2000s. The distribution of the global solar radiation was more abundant in the south than that in the north, and more abundant in the plains than that in the hill and mountain areas, the more rich resource region was in the coast and the north slope of Shiwan mountain, which was the best utilization region of Guangxi, the cities of south of Guangxi such as Wuzhou city, Yulin city, Qinzhou city and Nanning city were the rich resource region of development and utilization potential.

Solar energy resource; Global solar radiation; Spatio-temporal characteristics; Guangxi

2015-08-05

廣西自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(2015GXNSFBA139189、2011GXNSFA018008)。

何如(1983─)，女，廣西柳州人，碩士研究生，從事氣象能源開發(fā)與氣候應(yīng)用服務(wù)研究。

P964

A

1001-8581(2016)03-0109-04

許晶晶)