河北省承德縣太陽能資源分析與評估

王玉玲 史洋 蓋宇函 陳思雨

摘要 根據(jù)圍場縣2017—2020年逐小時太陽輻射數(shù)據(jù)，采用氣候學統(tǒng)計和有關行業(yè)標準等，計算承德縣的逐日太陽輻照量，并對承德縣地區(qū)太陽能資源分布特征進行了分析評估。結果表明：河北省承德縣年均太陽輻照量為6 095.86 MJ/m2，夏季輻射豐富，冬季少，東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)太陽輻照量相對較高，西北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)對較低；年日照時數(shù)為2 753.6 h，5月最多，11月最少，東北部鄉(xiāng)鎮(zhèn)日照時數(shù)相對較多，南部鄉(xiāng)鎮(zhèn)相對較少；＞6 h為267.5 d，可利用時間長，平均K值為1.73，整體處于穩(wěn)定等級，承德縣太陽能資源很豐富，開發(fā)利用條件總體較好。

關鍵詞 太陽能；太陽輻照量；日照時數(shù)；開發(fā)利用

中圖分類號：P49 文獻標識碼：B 文章編號：2095–3305（2023）09–0-03

隨著經(jīng)濟的不斷發(fā)展，能源短缺問題日益凸顯，合理開發(fā)利用可再生能源已成為緩解能源短缺問題的有效途徑。全面了解和掌握當?shù)氐娘L能、太陽能等氣候資源的分布及狀況，越來越受到當?shù)卣凸姷年P注[1-2]。太陽能資源因其取之不盡、用之不竭、無污染、經(jīng)濟等特點，被國際公認為未來最具競爭性的能源之一，而太陽總輻射和日照時數(shù)是表征太陽能資源的2個重要指標，作為21世紀最具潛力的能源，太陽能產(chǎn)業(yè)發(fā)展?jié)摿薮骩3-7]。

承德縣位于河北省東北部，總面積為3 648 km2，轄23個鄉(xiāng)鎮(zhèn)，總人口為42.76萬，是河北首批擴權縣，燕山—太行山集中連片特殊困難地區(qū)扶持縣，先后獲評國家級園林縣城、全國綠化模范縣、全國休閑農(nóng)業(yè)和鄉(xiāng)村旅游示范縣、中國國光蘋果之鄉(xiāng)等榮譽稱號。北接遼蒙、南鄰京津，東南北環(huán)抱承德市區(qū)，地勢北高南低，海拔為222.0～1 755.1 m，地形復雜多樣。京承、錦承、承隆、張?zhí)?條鐵路，承唐、承朝、承赤、承秦4條高速和101、112等國省干道穿境，承德普寧機場坐落境內(nèi)，京哈高鐵在縣設2處客運站。5 min上高速、15 min趕高鐵、30 min到機場、2 h達港口，立體化交通四通八達。氣候屬溫帶大陸性季風氣候，冬季寒冷干燥，夏季高溫多雨。采用傳統(tǒng)氣候學方法，對河北承德縣太陽能資源進行評估，依托GIS平臺，利用樣條函數(shù)插值法，繪制空間分布圖，為當?shù)睾侠黹_發(fā)利用太陽能資源、規(guī)劃太陽能產(chǎn)業(yè)、發(fā)展能源經(jīng)濟提供科學依據(jù)。

1 資料和方法

1.1 資料來源

中國從20世紀中期開始對地表太陽能進行觀測，目前，全國僅100多個地面氣象站有太陽輻射，承德市圍場縣在2016年開始有觀測設備，所采用資料包括圍場縣氣象局2017—2020年逐小時太陽輻射數(shù)據(jù)，承德縣氣象局2017—2020年逐日日照時數(shù)和月日照百分率數(shù)據(jù)，所有數(shù)據(jù)均經(jīng)過嚴格的質控。因太陽輻射觀測年限短，不足10年，暫不做太陽輻射及日照年際分析，時間尺度以2017—2020年為基礎。

1.2 計算方法

1.2.1 太陽輻照量計算 根據(jù)2019年國家市場監(jiān)督管理總局、中國國家標準化管理委員會發(fā)布的《太陽能資源評估方法》，選擇承德市圍場縣輻射觀測站2017—2020年逐小時太陽輻射數(shù)據(jù)，利用經(jīng)驗公式擬合求得經(jīng)驗系數(shù)a、b，再代回公式計算承德縣的月太陽總輻照量[8]。

GHRm=GHRm×EHRm（a+bs）（1）

式（1）中，GHRm為月水平面總輻照量（MJ/m2）；EHRm為月地外水平面太陽輻照量（MJ/m2），可將當月逐日輻照量累計求和得到；a、b為經(jīng)驗系數(shù)；s為月日照百分率（%）。具體計算方法參考文獻，擬合得到的經(jīng)驗系數(shù)a=0.3222，b=0.4451，計算誤差低于2%[9]。

1.2.2 太陽能資源豐富程度評估 計算承德縣的年水平面總輻照量，按照表1評價該地區(qū)太陽能資源的豐富程度[10]。

1.2.3 太陽能資源穩(wěn)定度計算 太陽能資源穩(wěn)定度用來表征太陽能資源年內(nèi)波動的幅度，根據(jù)《太陽能資源評估方法》及相關文獻，通常采用各月日照時數(shù)大于6 h天數(shù)的最大值與最小值的比值表示，計算公式如下[11]。

K=（2）

式（2）中，K為太陽能資源穩(wěn)定度指標，無量綱；D1， D2，…D12為1—12月各月日照時數(shù)大于6 h的天數(shù)，單位為d；max（ ）為求最大值的標準函數(shù)，min（ ）為求最小值的標準函數(shù)。K<2，穩(wěn)定；2≤K≤4，較穩(wěn)定；K<4，不穩(wěn)定。

1.2.4 太陽能資源利用價值估算 太陽能資源的利用價值通常用月日照時數(shù)大于6 h的天數(shù)進行分析，通常認為一天中日照時數(shù)如果小于6 h，其太陽能一般沒有利用價值[12]。

1.2.5 樣條函數(shù)插值法 應用GIS技術繪制出承德縣太陽輻照量、日照時數(shù)的空間分布圖，其中，點數(shù)據(jù)轉換為面數(shù)據(jù)時采用的插值方法為樣條函數(shù)插值法，該方法是使用二維最小曲率樣條法將點插值成柵格表面，生成的平滑表面恰好經(jīng)過輸入點，更適用于像太陽能這樣空間分布連續(xù)、樣點數(shù)據(jù)準確的插值[13]。

2 結果與分析

2.1 太陽總輻射的時空變化

2.1.1 太陽總輻射年、季、月變化 根據(jù)《太陽能資源評估方法》，計算得到承德縣的年均太陽輻照量為6 095.86 MJ/m2，為資源很豐富區(qū)，等級為B；春季（3—5月）平均為1 938.77 MJ/m2，夏季（6—8月）為2 007.70 MJ/m2，秋季（9—11月）為1 239.11 MJ/m2，冬季（12月—翌年2月）為910.28 MJ/m2。夏季>春季>秋季>冬季。

承德縣太陽總輻射月變化呈單峰型（圖1），從1月開始增加，5月達到最高值，之后逐月減少，12月出現(xiàn)全年最低值，4—8月是太陽輻照量最高的時間，占全年總輻照量的52.6%。

2.1.2 太陽總輻射空間分布 利用同樣方法，基于圍場縣輻射數(shù)據(jù)，計算承德縣周邊隆化縣、承德市、平泉市、寬城縣、興隆縣、灤平縣的年均太陽輻照量，利用空間插值方法得到承德縣精細化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的年均太陽輻照量分布圖（圖2）。由圖2可知，承德縣東部的五道河鄉(xiāng)、六溝鎮(zhèn)、三家鎮(zhèn)的東部、三溝鎮(zhèn)鎮(zhèn)的東部等地區(qū)太陽輻照量相對較高，高寺臺鎮(zhèn)、崗子鄉(xiāng)、兩家鄉(xiāng)等地太陽輻照量相對較低。

2.2 日照時數(shù)的時空變化

2.2.1 日照時數(shù)的年、季、月變化 承德縣年均日照時數(shù)為2 753.6 h。其中，2020年相對較多，為3 087.0 h。春季（3—5月）平均為803.3 h，夏季（6—8月）為681.6 h，秋季（9—11月）為643.6 h，冬季（12月—翌年2月）為609.0 h，春季>夏季>秋季>冬季。

承德縣日照時數(shù)月變化也呈單峰型（圖3），1—5月逐月增加，5月達到最高值，之后開始逐漸減少，8月相對較少，9—10月緩慢增加，11月為全年日照時數(shù)最少月份。

2.2.2 日照時數(shù)空間分布 計算承德縣周邊隆化縣、承德市、平泉市、寬城縣、興隆縣、灤平縣的年日照時數(shù)，利用空間插值方法得到承德縣精細化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的年均日照時數(shù)分布圖（圖4）。由圖4可知，承德縣東北部的磴上鄉(xiāng)、三家鎮(zhèn)、五道河鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的日照時數(shù)相對較多，南部的八家鄉(xiāng)、滿杖子鄉(xiāng)、下板城鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的日照時數(shù)相對較少。

2.3 太陽能資源利用價值

太陽能并不是一種隨時隨地都能利用的資源，它受到天氣、氣候、地形等因素的影響，具有明顯的日變化和季節(jié)變化[13]。太陽能資源的利用價值通常用月日照時數(shù)大于6 h的天數(shù)進行分析。統(tǒng)計承德縣2017—2020年年均為267.5 d，占全年的73.3%。利用同樣方法，計算承德縣周邊隆化縣、承德市、平泉市、寬城縣、興隆縣、灤平縣的可利用天數(shù)，利用空間插值方法得到承德縣精細化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的空間分布圖（圖5）。由圖5可知，東北部的磴上鄉(xiāng)、三家鎮(zhèn)、五道河鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的可利用天數(shù)相對較多，南部的八家鄉(xiāng)、滿杖子鄉(xiāng)相對較少。

2.4 太陽能資源穩(wěn)定度

統(tǒng)計承德縣各月日照時數(shù)＞6 h的天數(shù)，2017年最大值出現(xiàn)在5月，為28 d，最小值出現(xiàn)在10月，為15 d，K值為1.87，2018年K值為1.56，2019年K值為1.47，2020年K值為2.0，平均K值1.73，因此承德縣多數(shù)年份屬于穩(wěn)定等級。利用同樣方法，計算承德縣周邊隆化縣、承德市、平泉市、寬城縣、興隆縣、灤平縣的K值，利用空間插值方法得到承德縣精細化到鄉(xiāng)鎮(zhèn)的空間分布圖（圖6）。由圖6可知，東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)比西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的K值相對較低，更穩(wěn)定。

3 結論

第一，承德縣的年均太陽輻照量為6 095.86 MJ/m2，為資源很豐富區(qū)，等級為B，夏季>春季>秋季>冬季，最高值出現(xiàn)在5月，最低值出現(xiàn)在12月。在空間分布上，承德縣東部的五道河鄉(xiāng)、六溝鎮(zhèn)、三家鎮(zhèn)的東部、三溝鎮(zhèn)鎮(zhèn)的東部等地區(qū)太陽輻照量相對較高，西北部的高寺臺鎮(zhèn)、崗子鄉(xiāng)、兩家鄉(xiāng)等地太陽輻照量相對較低。

第二，年日照時數(shù)為2 753.6 h，春季>夏季>秋季>冬季，5月最多，11月最少。在空間分布上，承德縣東北部的磴上鄉(xiāng)、三家鎮(zhèn)、五道河鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的日照時數(shù)相對較多，南部的八家鄉(xiāng)、滿杖子鄉(xiāng)、下板城鎮(zhèn)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的日照時數(shù)相對較少。

第三，年日照時數(shù)＞6 h的天數(shù)為267.5 d，可利用時間較長。在空間分布上，東北部的磴上鄉(xiāng)、三家鎮(zhèn)、五道河鄉(xiāng)等鄉(xiāng)鎮(zhèn)的可利用天數(shù)相對較多，南部的八家鄉(xiāng)、滿杖子鄉(xiāng)相對較少。

第四，平均K值1.73，整體處于穩(wěn)定等級。在空間分布上，東部鄉(xiāng)鎮(zhèn)比西部鄉(xiāng)鎮(zhèn)的K值相對較低，更穩(wěn)定。

綜上所述，河北省承德縣太陽能資源很豐富，開發(fā)利用條件總體較好。

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Analysis and Evaluation of Solar Energy Resources in Chengde County of Hebei Province

Wang Yu-ling et al（Chengde Meteorological Bureau， Chengde， Hebei 067000）

Abstract Based on the hourly solar radiation data of Weichang County from 2017 to 2020， the daily solar irradiance of Chengde County was calculated using climatological statistics and relevant industry standards， and the distribution characteristics of solar energy resources in Chengde County were analyzed and evaluated.The results show that the average annual solar irradiance was 6 095.86 MJ/m2 in Chengde County， Hebei Province， which was abundant in summer and less in winter. The solar irradiance was relatively high in the eastern townships and low in the northwestern townships. The annual sunshine duration was 2753.6 h， the highest in May and the lowest in November. The sunshine duration was relatively higher in the northeast and less in the south. The number of days > 6 h was 267.5 days， the available time was long， the average K value was 1.73， and the whole was in a stable level. Chengde County was rich in solar energy resources， and the development and utilization conditions were generally good.

Key words Solar energy; Solar irradiance; Sunshine duration; Development and utilization