鶴崗地區太陽能資源狀況分析

王志霞,趙 燃,王力艷

(1．黑龍江省氣象信息中心，黑龍江 哈爾濱150030；2.鶴崗市氣象局，黑龍江 鶴崗 154100;3.綏化市氣象局，黑龍江 綏化152000)

1 引言

近年來, 隨著我國經濟的快速發展, 能源短缺問題日益嚴重， 能源生產中所產生的大氣污染問題也非常突出。 為促進我國經濟社會的可持續發展,合理開發利用清潔、 可再生能源是緩解能源短缺和環境污染問題的有效途徑。 太陽能作為永久性能源,具有無污染、清潔可再生、自然界普遍存在、無須運輸等優點,被國際公認為未來最有競爭力的能源之一[1]。分析評估太陽能資源狀況, 是開發利用太陽能的基礎。由于我國的太陽能總輻射觀測站較少,科研人員大多利用氣候學計算方法對無資料地區太陽總輻射進行計算和分布特征分析[2],但與直接使用觀測資料相比,該法誤差較大,計算結果不準確。 鶴崗地區寶泉嶺中心氣象臺自2008年開始進行太陽總輻射觀測,有5 a較連續的觀測資料。 故利用總輻射和日照時數等觀測資料對寶泉嶺的太陽能資源進行分析評估,以了解鶴崗太陽能資源狀況,為合理開發利用鶴崗太陽能資源提供依據。

2 資料來源及缺測資料處理

本文采用的氣象資料為鶴崗氣象站2005-2012年的日照和氣溫資料,寶泉嶺中心氣象臺2005-2012年的輻射、日照和氣溫資料。 對2010年8-9月部分缺測輻射資料，考慮到在相鄰幾天內，大陽高度角，日出日落時間大體相同，對輻射影響較小的情況。 采用相似訂正法對缺測當日總輻射進行插補， 即在相鄰幾天內查找日照、云量、氣溫相似的情況對當日輻射進行插補。

3 鶴崗市的地理和氣候特征

鶴崗市位于黑龍江省東北部， 地處小興安嶺東麓低山丘陵與松花江下游平原交界處， 與俄羅斯隔黑龍江相望，地勢由西北至東南逐漸平緩，屬于小興安嶺到三江平原的過渡地帶， 地形地貌復雜多樣,以山地丘陵為主， 最高海拔1 022 m， 最低海拔75 m。鶴崗處于典型的溫帶大陸性季風區， 冬季盛行偏北季風，夏季盛行偏南季風，年平均氣溫為3.6 ℃，平均降水量約為640 mm。

4 鶴崗地區太陽能資源分布情況

根據2008-2012年寶泉嶺氣象站資料統計 （圖1）,鶴崗市太陽輻射最多年份為2009年5 188.63 MJ/m2,最小年份為2011年4 245.9 MJ/m2,輻射最多最少年份相差942.73 MJ/m2，5 a年平均值為4581.2 MJ/m2。 近3 a 一直穩定維持在4 260 MJ/m2，年波動不超過30 MJ/m2。 屬太陽能資源豐富地區（表1），個別年份能達到資源很豐富等級。 將鶴崗地區與太陽能利用較發達的歐洲國家的總輻射資源做了對比。 德國是太陽能利用最發達的國家之一， 德國南部地區緯度與鶴崗地區相同， 且是該國太陽總輻射資源最豐富的地區，總輻射最多年份為4 500 MJ/m2，最少年份為3 240 MJ/m[3],僅達到我國的較豐富帶的標準,鶴崗地區年度總輻射基本與德國相當。 在歐洲國家中西班牙和葡萄牙的太陽能資源最豐富,年度總輻射均>5 040 MJ/m2,相當于黑龍江省南部水平。 黑龍江省雖然處于我國東北部,傳統上認為的黑龍江省北部太陽能資源利用不大， 但鶴崗地區的太陽能資源與歐洲太陽能利用大國相比,資源量并不遜色,未來在這些地區開發利用太陽能也將有很大潛力。

圖1 2008-2012年寶泉嶺中心氣象站年總輻射和日照時數統計圖

表1 太陽能資源豐富程度等級表

寶泉嶺站日照時最多年為2008年2 265.2 h，最少年為2010年2 125.0 h，平均2 194.5 h。 鶴崗氣象站日照時最多年為2011年2 426.3 h，最少年為2008年2 124.1 h，平均2 293.3 h。整體來說鶴崗地區太陽日照時數穩定，近5 a 來年度相差不大。年日照時數與年太陽總輻射不一定存在正相關關系。

圖2 鶴崗地區2008-2012年月累計總輻射分布圖

圖2 表明,鶴崗地區總輻射月分布情況為5月份出現峰值,平均為570.20 MJ/m2。 但輻射總量僅比6、7、8月份略多，月平均相差約25 MJ/m2，僅是一個睛好天氣下的日輻射量。 到9月份開始太陽輻射量就明顯減弱，9-12月呈階梯狀下降， 到12月達年內最小值，平均為131.34 MJ/m2，僅相當于5月份輻射總量的1/5。 從1-4月開始月輻射總量又開始階梯狀上升。圖上表現為年內12月以每4 個月為一階段，前4個月上升，中間4 個月穩定，后4 上月下降。

5 鶴崗地區太陽能資源的穩定度評估

在太陽能開發中,資源的穩定度是一個需要考慮的重要因素, 它與太陽輻射的年變化幅度密切相關，為說明各地區太陽直接輻射資源的穩定度,定義了一個穩定度指數:

I=Dmin/Dmax

其中,Dmin 和Dmax 分別表示全年總輻射最弱和最強月份的輻射通量， 顯然，I 越大表示總輻射的年變化越小。 我國大部分地區的穩定度指數都大于0.3， 鶴崗地區2008-2012年的穩定度指數平均值為0.23, 這與鶴崗地區地處我國東北部高緯度地區，年內太陽高度角變化幅度比較大有很大關系。 鶴崗地區太陽輻射不如其他地區穩定， 在進行本地太陽能大規模開發利用時必須進行充分考慮。

圖3 鶴崗地區2011年5月太陽輻射各時次統計圖

圖3 為鶴崗地區2011年5月太陽輻射各時次累加曲線，可以看出11-13時是太陽輻射最強時次，在兩側則為正態分布。

圖4 為鶴崗地區太陽輻射日分布情況，2008年10月15日為晴空天氣，高、低云量均為0，能見度>10 km；17日為霾天氣，上午08時觀測高云量為10，其間無云，能見度6 km；18日為多云（小雨）天氣，能見度為10 km；19日，08時有霧的記錄，能見度08時只有0.3 km，02時能見度>10 km；20日， 為煙幕天氣，能見度基本在7 km，02時能見度>10 km。 15-20日鶴崗地區天氣現象復雜多變， 連續幾天太陽高度角變化影響微小，可以忽略不計。 為開展不同天氣下太陽輻射評估提供了客觀條件。 分別對晴空、霾、陰（小、陣雨）、霧、煙幕5 種天氣條件下太陽輻射的影響進行對比分析。 從圖上可以看到：輻射通量日變化比較明顯，陰天（小雨）對太陽輻射影響最大，輻射通量為晴天下的38%，對日照影響更大，日照時數只達到晴天的12%， 這與全天低云量達9.3 成有很大關系。 霧、霾天氣的輻射通量對應晴天輻射通量數值差別比較明顯，霧、霾污染天氣的日輻射通量是晴天的52%和60%，日照是晴天的30%和51%，這與霧霾天氣主要分布在近地層有關， 在霧霾天氣下大氣污染物不易擴散，能見度也比較低。 煙幕天的太陽輻射是晴天的81%，日照是晴天的76%,與前幾種天氣相比煙幕對太陽輻射影響是最小的， 這與本地煙幕天氣主要出現在早晨有關，日出之后，隨著太陽輻射對大氣的增溫，大氣湍流運動增強，風力增大，煙幕天氣在上午基本上就能消散。

圖4 霾、霧、陰、煙幕、晴好天氣日輻射通量對比的變化圖

6 結語

（1）鶴崗地區雖然處于高緯度地區，但是太陽能資源并不匱乏，屬于太陽能資源非富地區，與德國南部大體相當，有很大的開發利用價值。

（2）鶴崗地區太陽能年際分布為5-8月最多，約占全年的50%；1-4月約占25%；9-12月約占25%。在開發過程中需考慮鶴崗地區太陽能年內穩定程度。

（3）在不同的天氣背景下，太陽輻射能量變化較大，陰雨、大霧天氣對輻射影響最大，利用太陽能時需要考慮連續陰雨天氣和大霧天氣對太陽輻射的影響。

[1] 宋軍，劉莉.大連市太陽能資源評估分析[J]. 安徽農業科學，2009，8：3666-3667.

[2] 于宏敏. 黑龍江省太陽總輻射氣候學計算及其分布特征[J].安徽農業科學，2009，22：10573-10574.

[3] 趙東. 中國太陽能長期變化及計算方法研究[J].南京信息工程大學，2009，博士論文：147.