環(huán)境氣象因素監(jiān)測分析在太陽能熱發(fā)電站選址快速評估中的應用

（西南技術工程研究所，重慶 400039）

環(huán)境及其效應

環(huán)境氣象因素監(jiān)測分析在太陽能熱發(fā)電站選址快速評估中的應用

何德洪，高正，彭京川，封先河，楊曉然

（西南技術工程研究所，重慶 400039）

目的 對涼山州某地太陽能熱發(fā)電站擬選場址的太陽能資源進行評估。方法 利用環(huán)境氣象因素監(jiān)測設備監(jiān)測太陽直接輻射、總輻射和溫濕度等環(huán)境氣象因素，采用經驗公式估算涼山州某地全年太陽直接輻射和總輻射量，并利用實測值進行驗證。結果 某地在秋冬之交，直接輻射強度的平均值為 5.7 kW·h/(m2·d)，總輻射強度的平均值為5.1 kW·h/(m2·d)。結論 某地為太陽能資源很豐富地區(qū)，全年太陽直接輻射量大于5000 MJ/m2，全年太陽總輻射量大于6000 MJ/m2，2月、3月、4月和5月為太陽能熱發(fā)電最佳經濟運行的月份。在秋冬之交，有利因素為 70%以上的天數(shù)直接輻射強度都大于經濟性運行的直接輻射強度指標，利于太陽能熱發(fā)電，是潛在的太陽能熱發(fā)電站候選地區(qū)；不利因素為多云天氣和陰天占總天數(shù)的百分比接近50%，會極大地影響太陽能熱發(fā)電的發(fā)電量和發(fā)電效率。

太陽能；太陽能熱發(fā)電；氣象因素；太陽總輻射；直接輻射

隨著石油、煤碳、天然氣等石化燃料資源的逐漸耗竭和生態(tài)環(huán)境的日益惡化，太陽能已被公認為是未來最有競爭性的能源之一，其開發(fā)利用對于緩解全球氣候變化有著重要的意義[1]。太陽能熱發(fā)電是利用聚光器和吸熱器將太陽輻射能轉換成熱能并最終轉換成電能的一種發(fā)電形式。太陽直接輻射(DNI)是太陽能熱發(fā)電潛力和電站選址布局的基本依據(jù)[2]，而太陽總輻射是評價一個地區(qū)太陽能資源豐富程度的重要指標。太陽能熱發(fā)電站應選擇太陽輻射強度高、日照時數(shù)時間長、地理地質條件穩(wěn)定的場址，同時，應盡量靠近合適電壓等級的變電站或電網等[3]。由于涼山州某地附近的氣象臺站離該地較遠，缺乏太陽輻射監(jiān)測數(shù)據(jù)，不能滿足太陽能熱發(fā)電站選址的需要。2009年，西南技術工程研究所受某集團公司的委托，首次開展對某地太陽直接輻射、總輻射和溫濕度等主要環(huán)境氣象因素的監(jiān)測，利用經驗公式估算某地全年太陽直接輻射量和總輻射量，并利用實測值進行驗證，快速評估某地的太陽能資源，為太陽能熱發(fā)電站場址的設計和工程設計提供科學依據(jù)。

1 環(huán)境氣象因素監(jiān)測

1.1 監(jiān)測地點及氣候特征

涼山州某地位于青藏高原東南緣，平均海拔為2700 m，年平均溫度為12.3 ℃，年平均降雨855.2 mm，年平均相對濕度58%，年平均風速為2.6 m/s，屬于亞熱帶季風型立體氣候類型。從太陽能資源區(qū)劃圖中可看出[4]，某地為太陽能資源很豐富地帶。

1.2 環(huán)境氣象因素監(jiān)測項目及參數(shù)

環(huán)境氣象因素監(jiān)測項目及參數(shù)詳見表1。

表1 環(huán)境氣象因素監(jiān)測項目及參數(shù)

1.3 環(huán)境氣象因素監(jiān)測設備

溫度和相對濕度由PR-Ⅲ型多路溫濕度測量儀自動監(jiān)測，溫度測量精度為±0.2 ℃，相對濕度測量精度為±2%，數(shù)據(jù)采集存儲的頻率為10 min一次。太陽輻射強度采用LF2000型太陽輻射數(shù)據(jù)記錄儀及其配套的TBQ-2-B總輻射表和TBS-2-B直接輻射表自動監(jiān)測，總輻射表測量光譜范圍為300～3000 nm，測試范圍為0～2000 W/m2，靈敏度年穩(wěn)定性≤±2%，余弦響應≤5%；直接輻射表測量光譜范圍為 300～3000 nm, 測試范圍為0～2000 W/m2，靈敏度年穩(wěn)定性≤±1%，跟蹤精度小于±1°/(24 h)，數(shù)據(jù)采集存儲頻率為1次/min。天氣現(xiàn)象依據(jù) WJ 2360—1995《兵器產品自然環(huán)境試驗方法環(huán)境因素監(jiān)測》標準，采用人工觀測統(tǒng)計。太陽總輻射與直接輻射瞬時值實時采集圖像如圖1所示，太陽總輻射與直接輻射累計值采集圖像如圖2所示。

圖1 太陽總輻射與直接輻射瞬時值實時采集圖像

圖2 太陽總輻射與直接輻射累計值采集圖像

1.4 監(jiān)測時間

本次環(huán)境氣象因素監(jiān)測時間為2個月，從2009年10月16日至2009年12月16日。

2 結果與討論

2.1 環(huán)境氣象因素監(jiān)測結果

2.1.1 天氣現(xiàn)象統(tǒng)計

陰晴天氣按照天空中云量的多少和高低劃分。在該地區(qū)的秋冬交匯季節(jié)，晴天占總天數(shù)的30.6%；晴轉多云天氣占總天數(shù)8.1%；多云天氣占總天數(shù)的40.3%；陰天占總天數(shù)的8.1%；其他如雨、雪等天氣占總天數(shù)的12.9%。出現(xiàn)有露的天氣占總天數(shù)的48.4%；出現(xiàn)有霜的天氣占總天數(shù)的29.0%。由于監(jiān)測時間較短，只能作為判定該地區(qū)該時間段內環(huán)境氣候特征的依據(jù)。

2.1.2 秋冬交匯季節(jié)溫濕度變化特性及影響

該地區(qū)秋冬交匯季節(jié)某天整點溫濕度變化情況如圖3所示。在秋冬交匯季節(jié)，夜晚和早晨空氣溫度低，相對濕度大，中午空氣溫度高，相對濕度較小，相對濕度在晝夜內產生相當大的變化，形成一個與溫度波動的近似反向圖像。由于相對濕度與水的蒸汽壓有直接關系，一般情況下，在高溫潮濕地區(qū)，早晨的氣溫最容易達到露點溫度，從而易發(fā)生凝露現(xiàn)象[5—8]。這與在監(jiān)測期間出現(xiàn)較多有露的天氣現(xiàn)象十分吻合。由于太陽能熱發(fā)電需要通過聚光器反射太陽直接輻射來傳遞能量，這就要求聚光器的反射材料對太陽光的反射率應非常高，而較多有露的天氣現(xiàn)象會在反射材料上形成一層水膜，從而降低了反射材料的反射率，最終影響太陽能熱發(fā)電的發(fā)電量。

圖3 典型秋冬交匯季節(jié)溫濕度變化情況

2.1.3 直接輻射與總輻射變化特性

該地區(qū)秋冬交匯季節(jié)直接輻射與總輻射變化情況如圖4所示，在70%以上的日期內直接輻射強度都大于總輻射強度。通過分析，由于測量總輻射強度的總輻射表采用水平安裝方式，總輻射表的感應元件法線方向與太陽實際位置存在一個夾角θ，這個夾角θ在一天中不同時刻是變化的，總輻射表的輸出與這個夾角θ的余弦成正比。測量直接輻射強度的直接輻射表安裝在一個自動跟蹤太陽的裝置上，直接輻射表的感應元件在一天中一直正對著太陽，直接輻射表的輸出相當于總輻射表θ=0時的最大值。另此次監(jiān)測在某地的秋冬交匯季節(jié)，時間已接近冬至，此時間段內太陽的高度角較?。ㄏ闹習r最大，冬至時最?。?。由于太陽光的強弱與太陽高度角的正弦成正比，在太陽的高度角較小時，等量的太陽輻射散布的面積就越大，單位面積上所得的太陽輻射量就越小，因此監(jiān)測到的總輻射強度較低。直接輻射始終正對著太陽進行監(jiān)測，在晴天，大氣透明度較好，無云層影響的情況下，通常直接輻射的強度大于總輻射的強度[9—11]。

圖4 直接輻射與總輻射變化情況

2.1.4 直接輻射與總輻射統(tǒng)計

依據(jù)圖 4的數(shù)據(jù)和《太陽能資源評估方法》標準中1 kW·h=3.6 MJ的換算關系，分段統(tǒng)計出該地區(qū)在秋冬交匯季節(jié)實測直接輻射(DNI)的分布情況，見表 2。計算出直接輻射強度的平均值為 5.7 kW·h/ (m2·d)，總輻射強度的平均值為5.1 kW·h/(m2·d)。按太陽能電站直接輻射強度每天大于4.66 kW·h/(m2·d)作為經濟性運行的分界線[12]，在統(tǒng)計的時間段內，直接輻射強度占總天數(shù) 71%的時間段內都大于 4.6 kW·h/(m2·d)，初步可判斷該地區(qū)是潛在的太陽能熱發(fā)電站候選地區(qū)。

表2 直接輻射(DNI)的分段統(tǒng)計

2.1.5 典型晴天天氣直接輻射與總輻射變化趨勢

該地區(qū)典型晴天天氣直接輻射與總輻射變化趨勢如圖5所示，在晴好天氣，從8:00點左右到18:00點左右，直接輻射的強度都大于總輻射的強度。全天直接輻照強度大于 700 W/m2的時間持續(xù)8 h左右，太陽能熱發(fā)電最佳經濟性運行可利用的日照時數(shù)占總日照時數(shù)的百分比為70%左右。

圖5 典型晴天天氣直接輻射與總輻射變化趨勢

2.1.6 典型晴轉多云天氣直接輻射與總輻射變化趨勢

該地區(qū)典型晴轉多云天氣直接輻射與總輻射變化趨勢如圖6所示，晴轉多云天氣，在有云層影響的情況下，全天直接輻照強度大于700 W/m2的時間持續(xù)6 h左右，可利用的日照時數(shù)占總日照時數(shù)的百分比為55%左右。

圖6 典型晴轉多云天氣直接輻射與總輻射變化趨勢

2.1.7 典型多云天氣直接輻射與總輻射變化趨勢

該地區(qū)典型多云天氣直接輻射與總輻射變化趨勢如圖7所示，在多云天氣，全天直接輻照強度大于700 W/m2的時間持續(xù)3 h左右，可利用的日照時數(shù)占總日照時數(shù)的百分比為27%左右。

圖7 典型多云天氣直接輻射與總輻射變化趨勢

2.1.8 典型陰天直接輻射與總輻射變化趨勢

該地區(qū)典型陰天直接輻射與總輻射變化趨勢如圖8所示，在陰天，偶爾從云縫中可見到太陽光，大多數(shù)時間直接輻照強度非常小，可利用的日照時數(shù)非常少。

圖8 典型陰天直接輻射與總輻射變化趨勢

2.1.9 典型降雨天氣直接輻射與總輻射變化趨勢

該地區(qū)典型降雨天氣直接輻射與總輻射變化趨勢如圖 9所示，在降雨天，直接輻照強度極小，無可利用的日照時數(shù)。

圖9 典型降雨天氣直接輻射與總輻射變化趨勢

2.2 快速評估方法

2.2.1 快速評估的概述

要準確地評估某地的太陽能資源豐富程度和穩(wěn)定程度，最可靠的方法是利用就近的太陽輻射觀測站點的數(shù)據(jù)或實地開展長期的太陽輻射相關數(shù)據(jù)的監(jiān)測。在進行評估時，所用的數(shù)據(jù)應采用具有氣候意義的 30年氣候平均值[1]。由于我國幅員遼闊，長期開展太陽輻射觀測的站點較少，且空間分布不均勻，直接利用太陽輻射實際觀測數(shù)據(jù)遠不能滿足對太陽能資源的評估需求，因此在實際應用中一般根據(jù)氣象資料采用經驗公式計算結果進行評估[4]。

2.2.2 太陽總輻射量的評估方法

影響太陽總輻射的主要因素有天文輻射、大氣透明度和云量云狀等，由于某地沒有建立太陽輻射觀測站，太陽總輻射量采用《中華人民共和國氣候圖集》中的經驗公式（1）計算[13—14]：

式中：Q為太陽總輻射量，MJ/m2；Q0為理想大氣太陽總輻射量，MJ/m2；a為常數(shù)，取值0.18；En為平均水汽壓，hPa；S為平均日照百分率，%。

理想大氣太陽總輻射量根據(jù)平均氣壓及所在緯度可線性內插表獲得。依據(jù)式（1）計算擬選場址逐月太陽總輻射量見表3。

另采用翁篤鳴利用太陽總輻射和天文輻射之比值與日照百分率的散點圖，計算太陽總輻射，其經驗公式為[10,15—17]：

式中：Q為太陽總輻射量，MJ/m2；QA為天文輻射量, 可利用平均氣壓及所在緯度查表獲得，MJ/m2；s為日照百分率，%；a，b為經驗系數(shù)，a=0.344，b=0.390。

依據(jù)式（2）計算擬選場址逐月太陽總輻射量見表3。

由于實測的10月和12月只有半個月的數(shù)據(jù)，無法統(tǒng)計出月總輻射量。完整統(tǒng)計出11月份的太陽總輻射量為511.6 MJ/m2。在11月份，式（1）計算值與實測值的相對誤差為9.9%，式（2）計算值與實測值的相對誤差為 22.5%，式（1）計算值與實測值比較接近，實測值比兩種方法的計算值都要偏高。兩種方法計算出來的全年輻射量都大于6000 MJ/m2，根據(jù)《太陽能資源評估方法》，以太陽總輻射的年總量為指標，進行太陽能資源豐富程度評估，其等級見表4。從表4的數(shù)據(jù)可得出，某地為太陽能資源很豐富地區(qū)。

表3 逐月太陽總輻射量 MJ/m2

表4 太陽能資源豐富程度等級

2.2.3 太陽直接輻射量的評估方法

太陽直接輻射主要與天文輻射、大氣透明度、云況、海拔高度和地理緯度等有關，采用高國棟提出的經驗公式（3）計算[10,18—19]：

式中：S為直接輻射量，MJ/m2；QA為天文輻射量,可利用平均氣壓及所在緯度查表獲得，MJ/m2；s為日照百分率，%；a，b為經驗系數(shù)，夏半年（4月～8月）a=-2.5，b=0.82，冬半年（9月～3月）a=-2.9，b=0.94。

依據(jù)式（3）計算擬選場址逐月太陽直接輻射量見表5。

完整統(tǒng)計出 11月份的太陽直接輻射量為 559.0 MJ/m2，在 11月份，計算值與實測值的相對誤差為25.1%，實測值比計算值要偏高。按太陽能電站直接輻射強度每天大于 4.66 kW·h/(m2·d)作為經濟性運行的分界線指標，換算成每月的直接輻射量為 503.3 MJ/m2。對照表5的數(shù)據(jù)，某地區(qū)2月、3月、4月和5月為太陽能熱發(fā)電最佳經濟運行的月份。由于實測值比計算值要偏高，全年的太陽直接輻射總量應大于5000 MJ/m2，對照表4的評估等級，再次印證某地區(qū)為太陽能資源很豐富地區(qū)。

表5 逐月太陽直接輻射量 MJ/m2

3 結論

1）某地為太陽能資源很豐富地區(qū)，全年太陽直接輻射量大于 5000 MJ/m2，全年太陽總輻射量大于6000 MJ/m2，2月、3月、4月和5月為太陽能熱發(fā)電最佳經濟運行的月份。

2）某地在秋冬之交，有利因素為70%以上的天數(shù)直接輻射強度都大于經濟性運行的直接輻射強度指標，利于太陽能熱發(fā)電，是潛在的太陽能熱發(fā)電站候選地區(qū)。

3）某地在秋冬之交，不利因素為多云天氣和陰天占總天數(shù)的百分比接近50%，會極大地影響太陽能熱發(fā)電的發(fā)電量和發(fā)電效率。

[1] QX/T 89—2008, 太陽能資源評估方法[S].

[2] 王勁峰, 孟斌, 李連發(fā). 中國太陽能熱發(fā)電站選址模型研究[J]. 地球信息科學, 2007, 9(6): 43—48.

[3] 李京光, 曹淦, 陳廣娟. 基于Fuzzy-AHP的太陽能熱發(fā)電站選址綜合評價[J]. 電力勘測設計, 2008(6): 77—80.

[4] 殷志強, 趙玉文, 李澤椿, 等.中國可再生能源發(fā)展戰(zhàn)略研究叢書.太陽能卷[M]. 北京: 中國電力出版社, 2008.

[5] 何德洪, 肖敏, 周漪, 等. 黑箱加速大氣暴露試驗熱強化效應和相關性研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2010, 7(2): 43—47.

[6] 汪學華. 自然環(huán)境試驗技術[M]. 北京: 航空工業(yè)出版社, 2003.

[7] 劉艷琳, 郭贊洪, 唐其環(huán). 敦煌地區(qū)溫濕度和日溫差的極值特性研究[J]. 裝備環(huán)境工程, 2014, 11(4): 77—81.

[8] 陳曉晨, 張倩, 吳颯. 一種濕度試驗中計算露點溫度的方法[J]. 裝備環(huán)境工程, 2016, 13(2): 88—91.

[9] 王炳忠, 莫月琴, 楊云. 現(xiàn)代氣象輻射測量技術[M].北京: 氣象出版社, 2008.

[10] 謝云, 符素華, 邱揚, 等.自然資源評價教程[M]. 北京: 北京師范大學出版社, 2009.

[11] 王艷艷, 陳亮, 楊萬均, 等. 不同地域的陽光光譜分布特性[J]. 裝備環(huán)境工程, 2015, 12(3): 97—101.

[12] 曲航, 于曉, 趙軍. 槽型拋物面太陽能電站選址要素—太陽輻射的研究和模擬分析[J]. 魯東大學學報(自然科學版), 2009, 25(1): 78—84.

[13] 《中華人民共和國氣候圖集》編委會. 中華人民共和國氣候圖集[M]. 北京: 氣象出版社, 2002.

[14] 謝運華, 楊華, 馬全濤. 西昌太陽能資源評估研究[J]. 電力勘測設計, 2010(6): 72—76.

[15] 蘇志, 涂方旭. 廣西太陽總輻射的計算及分布特征[J]. 廣西氣象, 2003, 24(4): 32—34.

[16] 王建源, 馮建設, 袁愛民. 山東省太陽輻射的計算及其分布[J]. 氣象科技, 2006, 34(1): 98—101.

[17] 字春霞. 南寧市太陽能日輻射估算方法探討[J]. 廣西氣象, 2006, 27(1): 31—33.

[18] 翁篤鳴. 中國太陽直接輻射的氣候計算及其分布特征[J]. 太陽能學報, 1986, 7(2): 121—130.

[19] 趙東, 羅勇, 高歌, 等. 我國近50年來太陽直接輻射資源基本特征及其變化[J]. 太陽能學報, 2009, 30(7): 946—952.

Application of Environmental Meteorological Monitoring and Analysis in Rapid Evaluation of Solar Thermal Power Plant Site Selection

HE De-hong,GAO Zheng,PENG Jing-chuan,FENG Xian-he,YANG Xiao-ran
(Southwest Technology and Engineering Research Institute, Chongqing 400039, China)

Objective To evaluate solar energy resource for site selection of solar thermal power plant in somewhere of Liangshan Prefecture. Methods Environmental and meteorological factors such as direct radiation and total radiation, temperature, humidity, etc. were monitored according to monitoring equipment. The direct radiation and total radiation in the whole year in somewhere of Liangshan Prefecture were calculated with empirical formula and verified with measured values. Results The average solar direct radiation was 5.7 kW·h/(m2·d) and the average total radiation was 5.1 kW·h/(m2·d) when autumn turned into winter. Conclusion Solar energy resource in the region is rich. The direct radiation in the whole year exceeds 5000 MJ/m2, and the annual total radiation is larger than 6000 MJ/m2. Its optimum and economic operating mouths last from February to May. When autumn turns into winter, direct radiation strength of above 70% of days is higher than the index for direct radiation strength of economic operation. It is favorable for solar thermal power generation. It is a candidate area for potential solar thermal power plant. The unfavorable factor is that it has nearly 50% of cloudy days, which reduces capacity and efficiency of solar thermal power generation.

solar energy; solar thermal power plant; meteorological factor; total solar radiation; direct radiation

10.7643/ issn.1672-9242.2017.01.000

P49；TM615

A

1672-9242(2017)01-0045-06

2016-07-04;

2016-08-07

何德洪 (1970—), 男, 重慶人, 高級工程師, 主要研究方向為環(huán)境試驗與環(huán)境適應性評價。