福建省太陽能資源精細(xì)化評(píng)估研究

摘 要：為評(píng)估福建省各地太陽能資源潛力，利用2010—2022年福建省66個(gè)站的日照資料，根據(jù)太陽能資源評(píng)估方法和標(biāo)準(zhǔn)，基于起伏地形下的太陽總輻射分布式模擬，從太陽能資源的豐富度、穩(wěn)定度和可利用價(jià)值方面入手，對(duì)2010—2022年福建省太陽能資源進(jìn)行評(píng)估。結(jié)果表明，福建省大部分地區(qū)太陽能資源處于豐富到很豐富程度范圍，自北向南可利用天數(shù)增多，南部漳州地區(qū)太陽能資源較穩(wěn)定且很豐富，適合進(jìn)行太陽能資源開發(fā)利用。

關(guān)鍵詞：太陽能；總輻射；能源；精細(xì)化評(píng)估

中圖分類號(hào)：TK511 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：B 文章編號(hào)：2095–3305（2024）12–0-03

能源是人類活動(dòng)和社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展必需的物質(zhì)基礎(chǔ)，是推動(dòng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)運(yùn)行的動(dòng)力[1]。但是現(xiàn)階段石化能源大量消耗帶來了嚴(yán)重的環(huán)境和氣候變化問題，已危及人類的生存安全。太陽能作為清潔能源之一，其開發(fā)利用一直受到廣泛關(guān)注。隨著我國(guó)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)的調(diào)整、光伏發(fā)電相關(guān)政策的出臺(tái)及太陽能利用技術(shù)水平的提高，發(fā)電成本得以降低，太陽能光伏發(fā)電產(chǎn)業(yè)蓬勃發(fā)展[2]。

1 研究背景

長(zhǎng)期以來，對(duì)太陽能資源區(qū)劃和評(píng)估的研究從未間斷，研究?jī)?nèi)容也不斷深入。翁篤鳴等[3-4]利用現(xiàn)有的輻射站地區(qū)的觀測(cè)資料，遵循就近原則推算無輻射站地區(qū)的太陽輻射；王娜等[5]基于輻射模型對(duì)太陽總輻射進(jìn)行計(jì)算和分析變化趨勢(shì)；鐘燕川等[6]則利用DEM和常規(guī)氣象數(shù)據(jù)，對(duì)實(shí)際地理情況下的總輻射進(jìn)行模擬和分析。

福建省地處低緯度地區(qū)，天文日照時(shí)間長(zhǎng)，春季多陰雨天氣，但夏秋季太陽高度角大，日照時(shí)間長(zhǎng)，太陽輻射強(qiáng)度大，太陽能資源較為豐富，有一定的開發(fā)利用價(jià)值。福建省20世紀(jì)80～90年代已開展了太陽能研究相關(guān)工作：福建省氣象局編寫的《福建農(nóng)業(yè)氣候資源與區(qū)劃》一書，根據(jù)福州站的輻射實(shí)測(cè)資料，計(jì)算了全省的太陽能資源；《福建海島氣候》一書利用省內(nèi)及鄰省4個(gè)太陽輻射站的實(shí)測(cè)資料，計(jì)算了省內(nèi)沿海地區(qū)半島及島嶼的太陽總輻射，從而得出沿海地區(qū)太陽總輻射的分布特點(diǎn)[7-9]?；谏鲜鲅芯?，從太陽能資源的豐富度、穩(wěn)定度和可利用價(jià)值方面入手，對(duì)2010—2022年福建省太陽能資源進(jìn)行評(píng)估，為日后合理地開發(fā)利用福建省太陽能資源提供科學(xué)支持。

2 資料與方法

2.1 資料來源

選取2010—2022年福建省66個(gè)站的逐月日照時(shí)數(shù)資料，基于起伏地形下的太陽總輻射分布式模擬，對(duì)2010—2022年福建省太陽輻射進(jìn)行模擬。

2.2 起伏地形下太陽總輻射分布式模型的建立

基于起伏地形下的太陽總輻射分布式模擬計(jì)算太陽總輻射，模型建立主要分為以下幾個(gè)步驟[10-11]。

2.2.1 水平面太陽總輻射模型

理論上，水平面太陽總輻射為水平面直接輻射和水平面散射輻射之和：

Q=Qb+Qd（1）

式（1）中，Q為水平面太陽總輻射；Qb為水平面太陽直接輻射；Qd為水平面太陽散射輻射。

研究表明，水平面太陽總輻射Q與日照百分率S之間關(guān)系密切，一般采用線性估算模式：

Q=Q0kt=Q0（aG+bG×S ）（2）

式（2）中，kt為晴空指數(shù)；aG、bG為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)。

2.2.2 水平面太陽輻射直接輻射和散射輻射模型

本研究考慮結(jié)合20個(gè)輻射站直接輻射及其日照百分率觀測(cè)資料，建立水平面太陽直接輻射模型：

Qb=Q fb=Q（1-a）（1-exp）［-bsc/（1-s）］（3）

式（3）中，Q為水平面太陽總輻射量；fb為直接分量；a、b、c為經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；S為日照百分率，當(dāng)S=0時(shí)，無直接輻射。

水平面散射輻射也與太陽總輻射有著密切的關(guān)系，計(jì)算公式如下：

Qd=Q[a+（1-a）exp[-bsc/（1-s）]（4）

2.2.3 建立起伏地形下太陽總輻射分布式模型

實(shí)際復(fù)雜地形中地表接收的太陽總輻射由三部分組成：

Qαβ=Qbαβ+Qdαβ+Qrαβ（5）

式（5）中，Qαβ為起伏地形下太陽總輻射；Qbαβ為起伏地形下太陽直接輻射；Qdαβ為起伏地形下太陽散射輻射；Qrαβ為地形反射輻射。

2.2.4 建立起伏地形下太陽直接輻射分布式模型

模仿坡地太陽直接輻射的計(jì)算方法，得出起伏地形下太陽直接輻射Qbαβ的計(jì)算公式如下：

（6）

式（6）中，Q0αβ為起伏地形下天文輻射，指無大氣存在時(shí)（即不考慮大氣影響時(shí)）地面能夠接收到的太陽輻射量；Q0為水平面天文輻射，指在無大氣存在且不考慮地形影響的情況下地面能夠接收到的太陽輻射量；Qb為水平面太陽直接輻射，指不考慮地形影響的情況下地面能夠接收到的太陽直接輻射量。

2.2.5 建立起伏地形下太陽散射輻射分布式模型

局部地形對(duì)太陽散射輻射的影響主要表現(xiàn)在地形對(duì)天穹各方向散射輻射的遮蔽作用，在散射輻射各向異性的前提下，起伏地形中太陽散射輻射的計(jì)算模型如下：

Qdαβ=Qd［（Qb/Q0）Rb+V（1-Qb/Q0）］

=Qd［fb kt Rb+V（1-fb kt）］（7）

式（7）中，Qdαβ為復(fù)雜地形下太陽散射輻射；Qd為水平面太陽散射輻射，指不考慮地形影響的情況下地面能夠接收到的太陽散射輻射量；V為地形開闊度；kt為晴空指數(shù)；fb為直接分量；Rb為轉(zhuǎn)換因子。

2.2.6 建立起伏地形下的太陽反射輻射分布式模型

山地接收的周圍地形投射過來的太陽反射輻射量，取決于周圍山地的反射能力和地形的開闊度，其計(jì)算公式如下：

（8）

式（8）中，Qrαβ為地形反射輻射；αs為地表反照率，

該指標(biāo)由下墊面性質(zhì)決定。

2.2.7 建立地形開闊度模型

最大可見天穹受山地遮蔽影響，是決定太陽輻射情況的因素之一，通常用地形開闊度來表示。山地遮蔽分為自身遮蔽和地形間的相互遮蔽兩類，在以往研究中，山地開闊度一般只針對(duì)單一無限長(zhǎng)的傾斜面的自身遮蔽的計(jì)算，公式為：

V=（1+cosα）/2（9）

式（9）中，α為山地中任一坡面坡度。本研究以福建省DEM為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)計(jì)算福建省地形開闊度。

3 太陽能資源評(píng)估

3.1 太陽能資源豐富程度區(qū)劃與評(píng)估

根據(jù)太陽能資源豐富程度劃分標(biāo)準(zhǔn)，太陽能總輻射年總量≥6 300 MJ/m2為資源最豐富，在5 040～

6 300 MJ/m2為資源很豐富，在3 780～5 040 MJ/m2為資

源豐富，＜3 780 MJ/m2為資源一般。對(duì)福建省66個(gè)站所代表的地區(qū)進(jìn)行太陽能豐富度等級(jí)評(píng)估，從評(píng)估結(jié)果看，福建省除部分地區(qū)太陽能資源一般，大部分地區(qū)太陽能資源處于豐富到很豐富范圍。寧德、三明地區(qū)的縣市、南平地區(qū)局部縣市、龍巖地區(qū)的東北部縣市和福州地區(qū)的內(nèi)陸縣市屬于太陽能資源一般區(qū)域，太陽年輻射總量為752～4 046 MJ/m2，這些區(qū)域除海拔較低的盆地，太陽能資源利用價(jià)值不高。南平地區(qū)大部、龍巖地區(qū)的西部和閩江口以南沿海地區(qū)大部屬于太陽能資源豐富地區(qū)，太陽年輻射總量在4 250～

4 697 MJ/m2。東山、詔安、泉州沿海局部屬于太陽能資源很豐富區(qū)，太陽年輻射總量在4250～5498 MJ/m2，是福建省太陽能資源最豐富地方，可利用價(jià)值高（圖1）。

3.2 太陽能資源利用價(jià)值評(píng)估

太陽能資源利用價(jià)值評(píng)估主要對(duì)日照時(shí)數(shù)大于6 h的天數(shù)進(jìn)行分析。福建省全年可利用天數(shù)基本在133.4～208.2 d，平均157.2 d。其中，東山縣全年可利用天數(shù)最多，達(dá)208.2 d，寧德市全年可利用天數(shù)最少，僅133.4 d。由圖2a可知，在研究時(shí)段內(nèi)，全省各地逐月平均日照時(shí)數(shù)大于6h的天數(shù)分布極不均勻，最大值在7月（為25.5 d），最小值在11月（為6.0 d），最大值與最小值相差19.5 d。

結(jié)合太陽能資源穩(wěn)定程度K值等級(jí)劃分標(biāo)準(zhǔn)，當(dāng)

K＜2時(shí)，為穩(wěn)定；K在2～4為較穩(wěn)定；K＜4為不穩(wěn)定。計(jì)算各站2010—2022年每年表征太陽能資源穩(wěn)定程度。結(jié)果發(fā)現(xiàn)福建省地區(qū)K值的多年平均值在4.0～11.7，其中K值在2～4的站有2個(gè)，僅占3%；就平均情況看，福建省大部分地區(qū)太陽能資源屬于不穩(wěn)定區(qū)域，僅龍海區(qū)和東山縣屬于較穩(wěn)定區(qū)域（圖2b）。

4 結(jié)論與討論

（1）福建省太陽輻射空間分布表現(xiàn)為自東南沿海向內(nèi)陸遞減：莆田至詔安的沿海平原和島嶼是全省最高值區(qū)域，年總輻射量為4 455～5 498 MJ/m2，武夷山、鷲峰山、戴云山、玳瑁山海拔較高的區(qū)域太陽年總輻射量最少，為全省低值區(qū)，量值在3 469～4 250 MJ/m2；其余區(qū)域年總輻射量在3 804～4 250 MJ/m2。

（2）太陽能資源評(píng)估結(jié)果表明，福建省除部分地區(qū)資源一般，大部分地區(qū)太陽能資源處于豐富到很豐富范圍；福建省全年可利用天數(shù)基本在133.4～208.2 d，平均157.2 d，自北向南可利用天數(shù)增多；福建省大部分地區(qū)太陽能資源屬于不穩(wěn)定區(qū)域，僅龍海區(qū)和東山縣屬較穩(wěn)定區(qū)域。

（3）福建省南部漳州地區(qū)太陽能資源較為穩(wěn)定且豐富，適宜加大開發(fā)利用當(dāng)?shù)刎S富的太陽能資源，未來太陽能光伏產(chǎn)業(yè)發(fā)展可優(yōu)先考慮這些區(qū)域。

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收稿日期：2024-09-05

作者簡(jiǎn)介：鄭凱端（1991—），男 ，福建沙縣人，工程師，研究方向?yàn)闅夂驊?yīng)用與氣候變化。