風能、太陽能應用于農業生產的可行性研究

高璐+張垚+鈔錦龍+張佳敏+王澍俐+高林

摘要： 為評估晉西黃河谷地地區風能、太陽能資源在區域農業生產中的開發利用價值，本文選取了該區域內11個具有代表性的氣象站點，運用氣候學以及ArcGIS相關分析方法詳細分析了風能、太陽能的時空分布特征。結果顯示：（1）二者在空間分布上均呈現由北向南遞減的趨勢。（2）平均風速集中于2.0-2.5m/s左右，呈現春夏（2.5m/s）大于秋冬（2.0m/s）的特征，不宜開發。（3）太陽輻射年值為5467.9 MJ/m2左右，年日照時數為2500h左右，屬太陽能資源區劃三類地區，太陽能資源較為豐富。紅棗成熟干燥時期的日照時數所占全年日照時數比重約為30%左右，結合實地調研，區域太陽能資源對于當地農產品的加工干燥具有一定的應用價值。

Abstract： In order to evaluate the value of development and utilization of the wind energy and solar energy in regional agricultural production of the Yellow River Valley in the western-area of Shanxi Province， the spatial and temporal distribution characteristics of wind energy and solar energy are analyzed by using the analytical methods of climatology and ArcGIS， which are based on the climate data of 11 representative meteorological stations in local area. The results are as follows： （1） There is a trend that decreases progressively from north area to south area on the spatial distribution characteristics of wind energy and solar energy. （2） The mean wind speed is appropriately between 2.0m/s and 2.5m/s， and the wind speed in spring and summer is larger than that in autumn and winter and is about 2.5m/s and 2.0m/s， which cannot be exploited easily. （3）The value of annual solar radiation is about 5467.9 MJ/m2， and the annual sunshine duration is around 2500h， so the solar energy resource in the research area is rich relatively and it is identified as the third level region in China. In addition， it indicated that the percentage of sunshine duration is about 30% in annual sunshine duration when the red dates is maturing and drying. According to the result of investigation， the regional solar energy is meaningful for the processing dryness of agricultural products in local area.

關鍵詞： 風能；太陽能；晉西黃河谷地；ArcGIS；時空分布

Key words： wind energy；solar energy；the Yellow River Valley of Shanxi Province；ArcGIS；spatial and temporal distribution

中圖分類號：P422.1；TK51 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）22-0155-05

0 引言

能源是人類生存與經濟發展的物質基礎，隨著世界經濟持續、高速的發展，能源供需矛盾日益突出，大力發展風能、太陽能等儲量巨大、無污染的可再生能源，使能源逐漸由化石能源時代發展過渡到可再生能源時代，已成為能源戰略的必然選擇。這不僅是出于生存的需要，也是經濟可持續發展的必然選擇[1]。

位于山陜交界處的晉西黃河谷地地區，是山西省重要的紅棗加工產出地區，紅棗是當地農民重要的收入來源。為提高當地紅棗的銷售價格及其品質，對紅棗進行人工干燥是不可或缺的環節之一。目前，傳統的紅棗烘干系統依靠燃燒大量的煤炭，對環境造成嚴重的污染，制約當地經濟的可持續發展，若在紅棗加工過程中使用清潔能源將有助于緩解當地的能源壓力，且能夠改善當地的環境污染問題。

近些年來，很多學者對清潔能源的開發利用進行了大量的研究。閆加海，張冬峰等學者通過采用氣候學方法對山西省太陽總輻射的時空分布特征進行分析，客觀評估了山西省的太陽能資源潛力[4]。龔強，于華深，藺娜等學者通過分析遼寧省的平均風速、風功率密度、日照時數、太陽輻射等氣象要素，對該省的風能、太陽能資源作出評估[1]。

上述研究多基于評估省內的風能、太陽能資源利用情況，研究區域范圍較大，研究結果對局地的產業活動的指導意義不大，本文在先前學者研究的基礎上以晉西黃河谷地小區域范圍內的部分氣象站點為依托，通過計算60年間風速、日照時數等氣象要素數據，運用氣候學相關分析方法以及ArcGIS空間分析方法，從時間和空間尺度上評估當地的風能、太陽能資源，并分析能源總量與紅棗干燥過程中傳統能源需求量的匹配情況，為清潔能源應用于晉西地區農業生產的可行性提供科學依據。

1 研究區概況

1.1 地區概況

晉西黃河谷地，位于山西省與陜西省交界處的黃河中上游、呂梁山以西地區，包括陜西省東部及北部的神木、綏德、延長、韓城等地，山西省北部、西部以及西南部的河曲、五寨、興縣、離石、隰縣、吉縣、運城等縣市。地處東經109.46°-112.33°，北緯34.54°-39.73°，位于第二級階梯的黃土高原上，平均海拔為1000m以上。該地屬中緯度暖溫帶半濕潤地區，氣候類型為溫帶季風氣候，年降水量為400-800mm，多集中于夏秋季節。

1.2 紅棗概況

紅棗作為晉西黃河谷地地區的支柱型產業，其產量相當可觀。山西的臨縣、稷山、太谷、石樓、保德、柳林等縣市區，以及陜西的佳縣、清澗、延川、大荔、涇陽、閻良等地為紅棗主要種植區，其產量占到全國紅棗總產量的6.46%和10.23%左右[5]。其中，臨縣的紅棗種植面積約為85萬畝，產量超過4.6億斤，被譽為“紅棗之鄉”。以臨縣克虎鎮的紅棗加工廠為例，當地加工的紅棗主要來自新疆，且從紅棗的篩選到干燥等工序方面有較為完整的加工技術。

2 資料與研究方法

2.1 數據來源

本文的數據來源于中國氣象科學數據共享服務網，主要為晉西黃河谷地地區包括韓城、河曲、離石等在內的11個具有代表性的氣象站點的日數據，內含平均風速、平均氣溫、日照時數等氣象要素數據，時間跨度為1953-2014年（部分站點由于建設原因存在數據短缺，只有2009-2014年的數據，比如韓城、吉縣、神木、延長氣象站點）。

2.2 研究方法

日照時數和到達地面的太陽總輻射量是表征太陽能資源的主要參數[1]，本文對于太陽能資源分布狀況的分析主要參考這兩個參數。對于風能資源的評估采用平均風速。

首先對從氣象數據共享網上獲得的11個站點的原始數據進行加工處理，計算各個站點在年、季、月不同時間區段內相對應的平均風速、日照時數、太陽輻射等氣象要素數據，并在EXCEL中制作圖表，從時間尺度上分析風能與太陽能的分布特征。其中，季節的劃分采用氣象學標準：春季為3-5月，夏季為6-8月，秋季為9-11月，冬季為12月和次年1月、2月[6]。

其次，將所求得的氣象要素數據導入ArcGIS軟件中，采用Kriging插值的方法，制作平均風速與太陽總輻射分布的空間等值線圖，從空間尺度分析晉西黃河谷地地區風能與太陽能的資源分布特征。

本文對于太陽輻射的計算主要參考中華人民共和國氣象行業標準（QX/T 89—2008）[7]中所涉及的太陽能資源評估方法，通過計算日天文總輻射量，間接求取月太陽總輻射量和年太陽總輻射量。

2.3 太陽輻射的計算方法

2.3.1 日天文總輻射量

Qn=■（？棕0sin？漬sin？啄+cos？漬cos？啄sin？棕0）（1）

式中：

Qn——日天文太陽總輻射量，單位為兆焦每平方米天（MJ/（m2·d）），本文以每月15日為參考值；

T——時間周期為24×60min·d-1；

I0——太陽常數為0.0820，單位為兆焦每平方米分（MJ/（m2·min））；

？籽——日地距離系數，無量綱；

？漬——地理緯度，單位為弧度（rad）；

？啄——太陽赤緯，單位為弧度（rad）；

？棕0——日出、日落時角，單位為弧度（rad）。

2.3.2 月太陽總輻射量

文中主要運用經驗公式對月太陽總輻射進行計算：

Qm=Q0（a+bS）（2）

式中：

Qm——月太陽總輻射量，單位為兆焦每平方米天（MJ/（m2·d））；

S——月日照百分率，查資料獲得；

a，b——經驗系數，分別為0.105和0.708，主要參考王晨亮[8]等人在中國太陽總輻射的氣候學計算法研究一文中所提供的中國北方地區的參數值；

Q0——月天文太陽總輻射量，單位為兆焦每平方米天（MJ/（m2·d）），由每月日天文輻射量乘以該月天數獲得。

年太陽總輻射量由各月太陽輻射量累計可得。

2.3.3 重要參數的計算

①太陽赤緯。

？啄=0.3723+23.567sinx+0.1149sin2x-0.1712sin3x-0.7580cosx+0.3656cos2x+0.0201cos3x（3）

x=2？仔×（N-N0）/365.2422（4）

N0=79.6764+0.2422（y-1985）-INT[0.25×（y-1985）]

式中：

？啄——太陽赤緯，單位為弧度（rad）；

x——計算參數，無量綱數；

N0——計算參數；

y——計算年份，無量綱數；

INT（）——取整數的標準函數。

②日地距離系數的計算。

？籽2=1.000423+0.032359sinx+0.000086sin2x-0.008349cosx+0.000115cos2x（5）

x——計算參數，無量綱數，由式（4）計算可得。

③時角。

？棕0=cos-1（-tan？漬tan？啄） （6）

3 結果與分析

3.1 風能時空分布特征

3.1.1 年分布特征

由圖1可知，該地區平均風速整體呈現由北向南遞減的趨勢。高值區集中于研究區域北部地區，包括山西西北部的興縣、五寨等地，還有南部的運城，風速為2.5m/s左右。低值區包括研究區域南部的延長、吉縣、韓城等地，以及北部的河曲（地處晉、陜、蒙交界地帶），風速為2.0m/s左右。由于受地形因素的影響較大，五寨、興縣地處呂梁山北段或接近北段地區以及內蒙古高原邊緣，海拔高度較高，約為1000m以上，且為冬季風南下之要沖，屬于山西風能資源高值區，開發利用價值較大[9]。

由圖2可知，部分氣象站點的平均風速整體呈下降趨勢，其中，五寨的平均風速在1989年和1993年下降至2.0m/s以下，運城風速于2002年低至1.90m/s左右。張濤濤，延軍平等人在氣候變化對晉西北地區風能資源的影響一文中提到晉西北風能資源呈明顯減弱趨勢[6]，與此結果基本相符。（圖中主要分析了部分具有代表性的氣象站點的60年間平均風速變化趨勢，依次為研究區北部的河曲、五寨，中部的綏德以及南部的運城等地）

盡管運城在1973-1978年間，風速多年持續達到3.0m/s以上，但由于持續時間較短，不宜開發利用。

3.1.2 季分布特征

由圖3可知，晉西黃河谷地地區的平均風速季節性差異明顯，主要表現為春夏風速較大，秋冬風速較小（吉縣、五寨、興縣三地情況較為特殊，秋冬季節風速明顯高于夏季風速）。春季平均風速為2.4m/s左右，高值區集中于綏德、五寨、興縣、運城等地，低值區集中于韓城、河曲、吉縣、延長等地，平均最高風速為3.2m/s左右，平均最低風速為1.6m/s左右。夏季風速僅次于春季風速，平均風速為2.0m/s左右，最高值出現在運城，平均風速為2.8m/s左右，最低值出現在延長，平均風速為1.4m/s左右。秋冬季節風速較小，平均風速為1.9m/s左右，除五寨、興縣、運城等地平均風速略高于2.0m/s外，其余站點平均風速基本維持在2.0m/s以下，最高值為2.5m/s左右，最低值為1.2m/s左右，開發利用價值較小。

3.2 太陽能時空分布特征

3.2.1 年分布特征

由圖4可知，研究區內太陽輻射北部及中部地區明顯高于南部地區，經計算太陽輻射基本維持在5467.9MJ/m2左右，其中河曲、五寨等地為高值集中區，南部的吉縣、延長、運城等地為低值集中區，最高值出現在山西西北部的五寨，約為5904.1MJ/m2，最低值出現在山西西南部的吉縣，約為4826.8MJ/m2。

由圖5可知，研究區內全年日照時數整體呈現由北向南遞減的趨勢，經計算表明其數值可達2500h左右，高值區主要集中于研究區北部地區，包括陜西省北部的神木，山西省的河曲、五寨等地，全年日照時數最高可達2700h左右；低值區主要集中于山西西南部的吉縣、運城以及陜西東部的韓城等地，全年日照時數為2100h左右。中值區包括研究區域中部的離石、隰縣、綏德等縣市，集中于2500h左右。

由圖6可知，該研究區域內日照時數主要集中于6-8h之間，整體呈現下降的趨勢。河曲、五寨兩地在1962-1965年間日照時數出現高值，高達8.7h以上。運城在60年間的日照時數明顯低于其他地區，且其間多次出現極低值，在2007年甚至低至5h以下。

3.2.2 季分布特征

研究區內太陽輻射的季節性差異明顯，其主要表現為夏季最多，均值為1818.6MJ/m2；春季次之，均值為1651.7MJ/m2；秋冬較少，均值分別為1133MJ/m2和865.2 MJ/m2。地理空間分布呈現由北向南遞減的趨勢，與平均風速分布狀況大致相同，山西西北部以及陜西東北部地區為高值集中區，山西西南部以及陜西東部地區為低值集中區。

由圖7可知，夏季太陽輻射最高，最高值出現在山西省忻州市的河曲縣，為1985.2MJ/m2，最低值出現在山西西南部的吉縣，為1554.0MJ/m2。春季太陽輻射僅次于夏季，空間分布趨勢與夏季相近，最高值出現在陜西省榆林市神木縣，為1797.7MJ/m2；最低值出現在山西西南部的運城市，為1476.6MJ/m2。秋季太陽輻射與春夏相比明顯有所下降，空間分布特征基本不變，最高值出現在山西西北部的五寨，太陽輻射為1265.1MJ/m2；最低值出現在陜西省延安市的延長縣，太陽輻射為967.2MJ/m2。冬季太陽輻射與秋季相比略微有所下降，區域內太陽輻射分布比較接近，無較大差異，最高值出現在山西西部的隰縣，太陽輻射為955.7MJ/m2；最低值出現在吉縣，太陽輻射為750.6MJ/m2。

3.2.3 紅棗成熟干燥期（9-12月）日照時數所占比重評估

秋冬季節為紅棗收獲成熟并開始干燥的季節，為更好地利用當地豐富的太陽能資源，從而達到代替部分煤炭資源對紅棗進行干燥加工，需要對該時間區段內的太陽能資源豐富度進行評估。本文以晉西黃河谷地地區約60年間各氣象站點9-12月平均日照時數為參考值，在EXCEL中制作表格，分析秋冬季節日照時數占全年日照時數的比重（延長、吉縣、神木、韓城等地除外）。由表1可知，大多數區域所占比例隨時間的推移變化不大，基本維持在30%左右，說明秋冬季節太陽能資源較為穩定，其中，綏德所占比例較小，約為20%左右，說明該氣象站點附近的太陽能資源在春夏季節較為豐富，秋冬相對弱一些。研究區北部的興縣、五寨、河曲等地太陽能資源較為豐富，該時間區段內日照時數所占比重略大于其他地區。

4 討論

近幾十年來，多數學者研究一致表明中國風速存在明顯的下降趨勢[10]，晉西黃河谷地地區也符合這一情況，但是變化較小，基本穩定在2.5m/s左右，高值區主要集中在北部地區及南部的運城一帶，低值區主要集中在南部的延長、吉縣、韓城一帶，整體風速值偏小。季節的變化主要表現為春夏大于秋季，區域分布狀況與年相似，但是因為紅棗的干燥處理過程主要在秋冬進行，所以不利于開發利用。

研究區域內年太陽輻射總量為5467.9MJ/m2左右，年日照時數為2500h左右，在我國的太陽能資源區劃中屬于三類地區，太陽能資源較為豐富，相當于170-200t標準煤燃燒所發出的熱量。1953-2014年年間，日照時數變化呈現減小的趨勢，但波動范圍較小，空間分布上呈現由北向南遞減的趨勢，與風速分布狀況相近。太陽輻射在季節分布上主要表現為夏季>春季>秋季>冬季，春夏太陽輻射約為1700MJ/m2左右，秋冬太陽輻射約為900-1000MJ/m2左右，這與韓虹，任國玉等人所研究的黃土高原的太陽輻射分布情況基本一致[11]。

以臨縣克虎鎮為例，當地紅棗干燥技術主要以燃煤為能源驅動蒸汽鍋爐，并將燒煤鍋爐產生的蒸汽分別送入蒸干房，反復抽取空氣直至烘干紅棗為止。平均每干燥1.5t鮮棗大約需要燃燒1t煤，但是煤炭成本過高，且嚴重污染環境，相關數據表明，燃燒1t煤的煙塵排放量為10kg，產生24kg的SO2以及7.6kg的NO2。如果利用太陽能進行干燥，理論上每年可替代燃煤170-200t，即可減少煙塵排放量1700-2000kg，SO2排放量4080-4800kg，NO2排放量1292-1520kg。經研究計算，秋冬收獲季節的日照時數約占全年的30%左右，對于當地的紅棗干燥具有一定的參考應用價值。

5 結論

經研究表明，當地風能資源較差，不宜開發利用，但仍具有一定潛力；太陽能資源較為豐富，且清潔無污染，對于當地農產品的加工干燥具有一定的應用價值。但是使用太陽能干燥紅棗的缺點是干燥周期長，干燥效果一般，且容易受天氣等因素的影響[5]。此外，本文主要從時空角度初步評估了晉西黃河谷地地區風速、太陽輻射、日照時數等氣象要素的時空分布特征，為當地能源利用的可行性提供了一定的依據，具體應用時需結合當地實際情況。

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