三门峡太阳能资源时空分布特征及潜力评估the spatiotemporal distribution characteristics and potential Assessment of solar energy resources in Sanmenxia

李晓琳

摘要: 太阳辐射是地球表层能量的主要来源。就全球平均而言，太阳总辐射只占到达大气上界太阳辐射的45%。总辐射量随纬度升高而减小，随高度升高而增大。根据1981-2010郑州辐射站太阳辐射和日照资料、三门峡四个国家级气象观测站的日照资料，采用气候学方法、线性趋势分析等方法和太阳能资源的丰富程度、利用价值、稳定程度、日最佳利用时段等指标，对三门峡地区太阳能资源进行了计算、分析和评估。结果显示：三门峡地区近30年来相应的年均总辐射大约是4916.9 MJ·m ^-2·a^-1，整体来看呈现逐年下降，下降速率大约是2.659 MJ·m ^-2·a^-1/ 年;相应的年总辐射量大约是卢氏最低，则渑池最高;冬季辐射量相对较低，反之夏季辐射量相对较高，夏季总辐射量在一定程度上是冬季的2倍;月均总辐射量最少的月份是12月 ，其中最丰富的是5月份。近30年来相应的年均日照时数大约是2131小时，整体来看呈现逐年下降。渑池的年日照量大约是2298小时，居于首位，卢氏的年日照量大约是2017.5小时，居于末位;日照时数最少的季节为冬季，最多的季节为夏季多。日照总时数冬季比相应的夏季少24.64%;其中月均日照量最多的月份是5月高达219.3小时，为最多)，月均日照量最少的月份是2月低至141.7小时，为最少。三门峡相应月日照量高于6小时的的天数仅为13.8-20.9天，全年大约共有194-220.5天;其中日照相对较为丰富的月份是5月大约存在19.7天日照时数多于6小时，大致是2月份的1.35倍，从12月到次年2月份都不利于相应的太阳能利用。各县（市、区）相应的太阳能资源可进行开发利用的天数相对较多，太阳能资源呈现出相对稳定的状态，资源较为丰富，具有相对较高的利用价值。

Abstract：according to the industry standard of the QX/T 89-2008《solar energy resource evaluation method》 ,using the climatological method of、linear trend analysis、indexes of the rich degree、utility value、stable degree、the most optimum using periods of the solar energy and the sunshine data of Zhengzhou radiation station and four meteorological station in Sanmenxia to calculate、analysis and evaluate the solar energy of the SANMENXIA area.The results show that the annual average of the total radiation is 4916.9MJ·m ^-2·a^-1，this data has the trend of decreases gradually and the rate is 2.659MJ·m ^-2·a^-1 per year.the radiation is rich in summer and poor in winter,the total radiation is twice in summer than in winter, the monthly average of the total radiation reached its peak and the lowest level in May and December.the annual total radiation is 5074.1MJ·m ^-2·a^-1and 4789.1MJ·m ^-2·a^-1 in Mianchi and Lushi country,the richest and poorest country in Sanmenxia City. Annual average sunshine hours are 2131h and decreased significantly. Sunshine hours in summer are 24.64% richer than in winter；monthly mean sunshine hours reached its peak and the lowest level in May and February. the annual sunshine hours are 2298h and 2017.5h

in Mianchi and Lushi country,the richest and poorest country in Sanmenxia City. The solar energy resource is rich with a high value of utilization in Sanmenxia area, the days of sunshine hours are longer than 6 hours of every month are between 13.8 and 20.9,the year data are between 194 and 220.5 days. The solar energy resource is stable.the days of sunshine hours are longer than 6 hours are 19.7 days in May, this number is 1.35 times than the same number in February, so the value of utilization of solar energy is low form December to the February of next year.

关键词: 太阳总辐射; 区域特征; 太阳能评估

Key words: total solar radiation; regional characteristics; solar energy assessment

引言

世界范围内均在大量开采利用非再生形式的能源将会导致各种形式的能源问题，如：世界能源危机、全球变暖以及环境大气污染等。太阳能本身具备取之不尽、用之不竭得天独厚的优势，全球相关学者对其展开的研究最为广泛。《中国新能源和可再生能源发展纲要(1996年～2010年)》中曾明确声明,要大力推广相对较为环保的太阳能建筑、太阳能热水器以及光伏发电装置，进而切实有效降低相应的环境污染,逐步成为2010年长远规划当中重中之重的内容。

三门峡地处于中纬度,四季都有相对较为充足的阳光,相应的太阳能资源极为丰富,但对其的利用率相对较低。通过对三门峡地区太阳能资源的研究，为政府和企业合理开发利用太阳能资源提供科学依据，同时也为农业生产提供科学依据与参考。

1 资料与方法

1.1 资料来源与处理

本文所选取的资料具体归结为郑州、三门峡国家基准气象观测站当中自1981至2010年逐日太阳辐射以及相应的日照时量，相应的资料来源于月报表。

1.2 研究方法

1.2.1 太阳总辐射的估算

根据中国气象行业国标 QX/T 89—2008《太阳能资源评估方法》所提出的要求,选取距三门峡最近并且存在太阳辐射观测的地区，即郑州站( 34°43'N、113°39'E)1981—2010年相应逐日的太阳辐射以及相关日照资料，据此建立按月划分的太阳总辐射求解的经验公式，随后凭借所提出的经验公式以及三门峡各地区的相关日照数据，进行三门峡各地去月太阳总辐射量的求解。相应的月太阳总辐射量求解式如下

Q_m = Q₀ ( a + bS) (1)

其中，Q_m 代表该月份的月太阳总辐射量; Q₀ 代表该月份月天文太阳总辐射量，基于中国气象行业标准 QX/T89-2008当中描述的方法进行求解， a、b为分别为经验系数，基于郑州站所收集的观测资料进一步基于最小二乘法求解出(表1);S为该月份月日照百分率。

表中每月的复相关系数(Ｒ)都高于 0.72 ，全部F_计算值＞F_0.01，相应的方程回归总体效果明显。

月份	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12
a	0.29	0.27	0.3	0.34	0.29	0.29	0.31	0.28	0.24	0.41	0.34	0.33
b	0.54	0.57	0.49	0.47	0.54	0.55	0.48	0.58	0.63	0.27	0.46	0.48
R	0.82	0.82	0.81	0.76	0.82	0.8	0.85	0.92	0.92	0.82	0.75	0.72
F	56.21	47.09	53.99	37.91	58.39	50.9	76	165.64	147.09	10.5	35.62	30.61

表1 郑州站各月经验系数和统计检验

月天文总辐射量的求解需要先基于日天文总辐射量公式求解每天的天文总辐射量，其次进行逐日求和相应的累计法求得。则日天文总辐射量的求解式为

Q_n = (TI₀/πρ² )(ω₀sinФsinδ+ cosΦcosδsinω₀ ) (2)

其中: Q_n代表日天文太阳总辐射量，相应的单位是MJ·m ^-2·d^-1; T代表周期,数值为 24 × 60 min·d ^{- 1} ;I₀代表太阳常数，数值为0.0820 MJ·m ^-2·min^-1;ρ代表日地相关距离系数，无量纲;Ф 代表地理纬度，相应的单位是弧度;δ代表太阳赤纬，相应的单位是弧度;ω₀代表日出、日落相应的时角，单位是弧度。

Q₀=Q₁+Q₂+…+Q_n ( 3)

其中，n 代表进行求解月的天数。

1.2.2 线性回归

基于一元线性回归方程 y = a + bx 进行气候要素相关变化趋势的定量描述。其中，y 代表某一气候要素，x 代表 y 所对应的时间间隔，a 代表回归常数，b 代表回归系数。当 b＞0 时， x 与 y之间呈现正相关，当 b＜0 时，x 与 y之间呈现负相关; b 的数值可有效反映上升以及下降的幅度。其中a 与 b均凭借最小二乘法估算。选取 F 检验完成线性趋势相应的显著性检验^[1]。

1.2.3 太阳能资源丰富程度评估

基于中国气象行业国标《太阳能资源评估方法》，以总辐射年总量作为相应的指标，进行相应太阳能资源丰富程度的有效评估。评估标准如下:最丰富区Q_年≥6300 MJ·m ^-2·a^-1;很丰富区 Q_年为5040～6300 MJ·m ^-2·a^-1;丰富区 Q_年为 3780～5040 MJ·m ^-2·a^-1;一般区Q_年＜ 3780 MJ·m ^-2·a^-1。

1.2.4 太阳能资源利用价值评估

凭借每月日照量高于6 h的天数作为相应的指标，进行映射一天当中太阳能资源的利用价值。倘若一天的日照量不足 6 h，则称之为无利用价值。

1.2.5 太阳能资源稳定程度评估

太阳能资源稳定程度可以归结为每月日照时数高于6h的天数相应的最大值与最小值之间比值来表示:

K = max( Day1，Day2，…，Day12)

min( Day1，Day2，…，Day12) (4)

式中: K 代表太阳能资源相对稳定程度指标，无量纲;Day1，Day2，…，Day12 代表1-12 月每月日照量高于6h的天数( 1981—2010年)，单位是天;max( )最大值求解的标准函数; min( ) 最小值求解的标准函数。如果K＜2，则代表稳定; 如果2≤K≤4，则代表较为稳定; 如果K＞4，则代表不稳定。

2 结果与分析

2.1太阳能资源变化

2.1.1 太阳总辐射的时空变化

（1）太阳总辐射年际变化

图 1 代表三门峡1981—2010年当中年太阳总辐射变化曲线。不难分析出，近 30 年来总辐射均值大小为4916.9 MJ·m ^-2·a^-1。1981-1984 年相应的年总辐射波动递减，1985、1986年相应的年总辐射上升,1987到1989年减少趋势明显，1989年出现30a次低值。1990-1999呈增加趋势，1995年总辐射5348.9 MJ·m ^-2·a^-1，为30a最高点。之后年总辐射整体呈逐渐减少趋势，2010年4541.4MJ·m ^-2·a^-1，为30a最低值。年总辐射整体呈现下降趋势，但相应下降幅度并不大(-2.659 MJ·m ^-2·a^-1)，所反映的下降趋势也不够明显，故对太阳能相关开发以及利用影响不大。

图1 三门峡地区1981-2010年年太阳总辐射变化曲线

（2）太阳总辐射月、季变化

三门峡地区太阳总辐射月变化呈现出相应的单峰型，从1月起始上升，直到5月达到峰值，随后逐月下降，其中6、7、8月下降的幅度要低于9、10、11、12 月份，全年最低的月份为12月（图2)。太阳能资源最丰富的月份为4-8月，大约占全年总辐射量的55.02%。

春季大约是( 3-5月) 1488.6 MJ·m ^-2·a^-1,夏季6-8月1620.4 MJ·m ^-2·a^-1, 秋季( 9-11 月) 1009.0 MJ·m ^-2·a^-1,冬季大约是( 12月-翌年2月)798.9MJ·m ^-2·a^-1,其中夏季最多，春季与夏季相比要少8.14% ，冬季最少,仅是夏季的1／2。

(3)太阳总辐射空间分布

三门峡地区太阳总辐射量随地区的不同存在相对较为明显的差别。其中最高的地区是渑池,全年大约是5074.1 MJ·m

^-2·a^-1;其次就是灵宝，全年大约是4916.6MJ·m ^-2·a^-1,三门峡全年大约是4887.8 MJ·m ^-2·a^-1;其中最低的地区是卢氏,全年大约是4789.1MJ·m ^-2·a^-1。其中每年卢氏的太阳总辐射相应的要比渑池少285 MJ·m ^-2·a^-1（表2、图3）。

^{表2 三门峡各地太阳总辐射 MJ·m -2}

月份	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	全年
三门峡	249.3	285.0	397.6	512.3	573.0	569.7	551.5	511.5	390.1	339.2	269.7	238.9	4887.8
灵宝	252.1	288.4	403.7	513.9	566.9	568.4	553.2	523.4	394.4	339.7	270.1	242.5	4916.6
渑池	276.6	307.2	419.8	533.8	594.0	581.2	537.9	512.2	408.2	351.1	291.0	261.2	5074.1
卢氏	260.1	287.4	394.4	500.0	545.0	540.0	535.6	496.9	371.9	338.0	272.9	247.1	4789.1
平均	259.5	292.0	403.9	515.0	569.7	564.8	544.6	511.0	391.1	342.0	275.9	247.4	4916.9

图3 三门峡太阳辐射年总量分布图

单位：MJ·m ^-2

2.1.2 日照时数的时空变化

( 1) 日照时数年际变化

图 4 代表三门峡年均日照时数 ( 1981—2010 年) 的相关变化曲线。从图4不难分析出，近30 年来年均日照时数大约是2131h, 其中，1995年最多，为2417.1h, 1989年最少，为1820.1 h。1981—1983年年日照时数波动减少，其后逐渐增加，1986-1989年日照时数呈减少趋势，1989年为30a最低值，之后逐渐增加，1995年达到30a最高点，1997年后，年日照时数总体趋于下降，1999—2007年围绕均线上下波动。其可能的根本原因可以归咎为大气中悬浮粒于浓度的上升［3］，但相应的下降趋势不是很明显，故对太阳能资源相关的开发与利用影响不大。

图4 三门峡1981-2010年日照时数年变化曲线

( 2) 日照时数月、季变化

三门峡地区日照时数相应的月变化呈现出单峰型( 见图 5) ，2—5月逐月上升，且各月之间增幅相对较大，5 月上升至峰值219.3 h，随后依次递减，其中2 月递减到谷值141.7h。基于日照时间相应的季节分布来看，最高的季节是夏季,春、秋、冬季逐渐递减，冬季相应的日照时数 ( 454.9h) 与夏季日照时数(603.6h) 相差148.7h，夏季比冬季的日照量要高24.64%，春夏两季即可占据全年的 56.15%,与相应的太阳总辐射的年变化保持相对一致.

( 3) 日照时数空间分布

三门峡各地区日照时数如表3所示，相应的分布如图6。根据表3、图6可知，三门峡日照时数因地区不同存在明显差别。最高的地区是渑池，全年大约是 2298h;其次就是灵宝,全年达 2119.2h，三门峡全年达2089.1h;卢氏最少，全年为2017.5h。卢氏年日照时数相应的要比渑池低280.5h。在一定程度上与太阳总辐射量相应的空间分布保持相对一致。

表3 三门峡各地日照时数 h

月份	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	全年
三门峡	142.4	134.8	164.4	200.7	222.7	216.5	208.2	191.4	159.2	155.9	148.3	144.5	2089.1
灵宝	146.6	138.3	170.7	202.1	217.0	214.8	209.4	200.2	162.8	157.5	149.4	150.5	2119.2
渑池	176.0	156.0	186.0	221.0	238.9	224.4	195.1	191.1	172.8	180.3	178.6	177.9	2298.0
卢氏	156.6	137.6	161.5	188.6	198.4	191.9	192.7	178.7	145.2	154.4	153.7	158.2	2017.5
平均	155.4	141.7	170.6	203.1	219.3	211.9	201.4	190.4	160.0	162.0	157.5	157.8	2131.0

图6 三门峡日照时数年总量分布图

单位：h

2.2 太阳能资源评估

2.2.1太阳能资源评估的丰富程度

基于《中华人民共和国气象行业标准QX/T—2008》当中的太阳能资源评估方式，三门峡地区太阳能资源相应的丰富程度近 30 年来各个年份相应的总辐射基本都是超过资源丰富的相关评估标准值，其中大约有9年总辐射达到相应资源很丰富的相关评估标准值，分别是1986、1987、1994、1995、1997、1998、1999、2002、2004年，其余的21年全部达到资源丰富的相关评估标准值。

2.2.2太阳能资源利用价值

三门峡( 1981—2010 年)进 30年来月均日照时数大于6 h 的天数如表4所示。从表4中可分析出，三门峡相应各地日照时数高于6 h 每月为 13.8 ～ 20.9天，全年为 194～220.5天。其中，全年天数最多为渑池的220.5天，其次为灵宝的210.7天，全年天数最少为卢氏的194天。

2.2.3太阳能资源稳定程度

三门峡月均日照时数大于6 h 的天数最大的月份是5月，为19.7天，最小值出现在2月，为14.6天，最大值以及最小值之间的比值( K 值) 大约是1.35，K<2,可知属于稳定程度。

表4 三门峡各地逐月日照时数＞6h的日数

月份	1	2	3	4	5	6	7	8	9	10	11	12	全年
三门峡	15.6	14.3	15.5	18.6	20.4	19.4	19.6	19.4	16.6	17	16.4	16.4	209.2
卢氏	17.2	13.8	14	16.9	17.2	17.1	17.8	18	13.9	15.3	15.7	17.1	194
灵宝	16.1	14.2	15.5	18.8	20.1	19.1	19.6	19.9	16.7	17.1	16.3	17.3	210.7
渑池	18.7	15.9	16.8	19.1	20.9	19.9	18.1	18.2	17	18.1	18.6	19.2	220.5
平均	16.9	14.6	15.5	18.4	19.7	18.9	18.8	18.9	16.1	16.9	16.8	17.5	208.6

2.2.4太阳能资源日最佳利用时段评估

通过三门峡地区相关太阳能相关日变化的特性当作指标，进行太阳能资源日变化的有效评估。基于三门峡四个站相应的正太阳时9～10时、11～13时、14～15时的年平均日照时数作为上午、中午、下午日照情况的代表。资料统计表明，三门峡地区中午的日照时数均大于上午和下午，即一天中正旺最有利于太阳能资源的利用。

3 小结

（1）三门峡地区多年来相应的年均总辐射大约是4916.9MJ·m ^-2·a^-1，整体呈现出逐年递减的趋势，降低速率大约是每年2.659MJ·m ^-2·a^-1;相应的夏季辐射较为丰富，冬季相对偏少，夏季总辐射量大约是冬季的2倍，月均总辐射最多的月份是5月(569.7MJ·m ^-2·a^-1)，12月最少(247.4MJ·m ^-2·a^-1);年总辐射渑池最高，为5074.1MJ·m ^-2·a^-1，卢氏最少，大约是4789.1MJ·m ^-2·a^-1。

(2)整体年均日照时数大约是2131h，整体逐年递减趋势相对较为明显。夏季日照时数相对较多，相应冬季最少，夏季日照量相应的比冬季要多24.64% ;月均日照时数最多的月份是5月大约是 ( 219.3h)，其中最少的月份是2月大约是(141.7h);年日照时数最多的地区是渑池，为2298h，卢氏最少，为2017.5h。

(3)三门峡各地属太阳能资源丰富区，利用价值较高。各月日照时间＞6h的天数为13.8 ～ 20.9天，全年为194～220.5天;太阳能资源也比较稳定，月最大日照时数5月＞6h的天数为19.7天，是月最小日照时数2月的1.35倍，12月至次年2月不利于太阳能利用。

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作者简介：李晓琳（1983-），女，山西万荣县人，工程师，本科学历，主要从事综合气象工作。