福建省太陽能資源精細化評估研究

摘 要：為評估福建省各地太陽能資源潛力，利用2010—2022年福建省66個站的日照資料，根據太陽能資源評估方法和標準，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、穩定度和可利用價值方面入手，對2010—2022年福建省太陽能資源進行評估。結果表明，福建省大部分地區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增多，南部漳州地區太陽能資源較穩定且很豐富，適合進行太陽能資源開發利用。

關鍵詞：太陽能；總輻射；能源；精細化評估

中圖分類號：TK511 文獻標志碼：B 文章編號：2095–3305（2024）12–0-03

能源是人類活動和社會經濟發展必需的物質基礎，是推動社會經濟運行的動力[1]。但是現階段石化能源大量消耗帶來了嚴重的環境和氣候變化問題，已危及人類的生存安全。太陽能作為清潔能源之一，其開發利用一直受到廣泛關注。隨著我國產業結構的調整、光伏發電相關政策的出臺及太陽能利用技術水平的提高，發電成本得以降低，太陽能光伏發電產業蓬勃發展[2]。

1 研究背景

長期以來，對太陽能資源區劃和評估的研究從未間斷，研究內容也不斷深入。翁篤鳴等[3-4]利用現有的輻射站地區的觀測資料，遵循就近原則推算無輻射站地區的太陽輻射；王娜等[5]基于輻射模型對太陽總輻射進行計算和分析變化趨勢；鐘燕川等[6]則利用DEM和常規氣象數據，對實際地理情況下的總輻射進行模擬和分析。

福建省地處低緯度地區，天文日照時間長，春季多陰雨天氣，但夏秋季太陽高度角大，日照時間長，太陽輻射強度大，太陽能資源較為豐富，有一定的開發利用價值。福建省20世紀80～90年代已開展了太陽能研究相關工作：福建省氣象局編寫的《福建農業氣候資源與區劃》一書，根據福州站的輻射實測資料，計算了全省的太陽能資源；《福建海島氣候》一書利用省內及鄰省4個太陽輻射站的實測資料，計算了省內沿海地區半島及島嶼的太陽總輻射，從而得出沿海地區太陽總輻射的分布特點[7-9]。基于上述研究，從太陽能資源的豐富度、穩定度和可利用價值方面入手，對2010—2022年福建省太陽能資源進行評估，為日后合理地開發利用福建省太陽能資源提供科學支持。

2 資料與方法

2.1 資料來源

選取2010—2022年福建省66個站的逐月日照時數資料，基于起伏地形下的太陽總輻射分布式模擬，對2010—2022年福建省太陽輻射進行模擬。

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算太陽總輻射，模型建立主要分為以下幾個步驟[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；aG、bG為經驗系數。

2.2.2 水平面太陽輻射直接輻射和散射輻射模型

本研究考慮結合20個輻射站直接輻射及其日照百分率觀測資料，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為經驗系數；S為日照百分率，當S=0時，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系，計算公式如下：

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

實際復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算方法，得出起伏地形下太陽直接輻射Qbαβ的計算公式如下：

（6）

式（6）中，Q0αβ為起伏地形下天文輻射，指無大氣存在時（即不考慮大氣影響時）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

局部地形對太陽散射輻射的影響主要表現在地形對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；fb為直接分量；Rb為轉換因子。

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，

該指標由下墊面性質決定。

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單一無限長的傾斜面的自身遮蔽的計算，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為基礎數據計算福建省地形開闊度。

3 太陽能資源評估

3.1 太陽能資源豐富程度區劃與評估

根據太陽能資源豐富程度劃分標準，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。對福建省66個站所代表的地區進行太陽能豐富度等級評估，從評估結果看，福建省除部分地區太陽能資源一般，大部分地區太陽能資源處于豐富到很豐富范圍。寧德、三明地區的縣市、南平地區局部縣市、龍巖地區的東北部縣市和福州地區的內陸縣市屬于太陽能資源一般區域，太陽年輻射總量為752～4 046 MJ/m2，這些區域除海拔較低的盆地，太陽能資源利用價值不高。南平地區大部、龍巖地區的西部和閩江口以南沿海地區大部屬于太陽能資源豐富地區，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，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，可利用價值高（圖1）。

3.2 太陽能資源利用價值評估

太陽能資源利用價值評估主要對日照時數大于6 h的天數進行分析。福建省全年可利用天數基本在133.4～208.2 d，平均157.2 d。其中，東山縣全年可利用天數最多，達208.2 d，寧德市全年可利用天數最少，僅133.4 d。由圖2a可知，在研究時段內，全省各地逐月平均日照時數大于6h的天數分布極不均勻，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。

結合太陽能資源穩定程度K值等級劃分標準，當

K＜2時，為穩定；K在2～4為較穩定；K＜4為不穩定。計算各站2010—2022年每年表征太陽能資源穩定程度。結果發現福建省地區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，僅占3%；就平均情況看，福建省大部分地區太陽能資源屬于不穩定區域，僅龍海區和東山縣屬于較穩定區域（圖2b）。

4 結論與討論

（1）福建省太陽輻射空間分布表現為自東南沿海向內陸遞減：莆田至詔安的沿海平原和島嶼是全省最高值區域，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域太陽年總輻射量最少，為全省低值區，量值在3 469～4 250 MJ/m2；其余區域年總輻射量在3 804～4 250 MJ/m2。

（2）太陽能資源評估結果表明，福建省除部分地區資源一般，大部分地區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基本在133.4～208.2 d，平均157.2 d，自北向南可利用天數增多；福建省大部分地區太陽能資源屬于不穩定區域，僅龍海區和東山縣屬較穩定區域。

（3）福建省南部漳州地區太陽能資源較為穩定且豐富，適宜加大開發利用當地豐富的太陽能資源，未來太陽能光伏產業發展可優先考慮這些區域。

參考文獻

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[10] 袁淑杰，繆啟龍，谷曉平，等.貴州高原起伏地形下太陽直接輻射的精細分布[J].自然資源學報，2009，24（8）：1432-1439.

[11] 郭挺，邱新法，曾燕，等.起伏地形下福建省太陽總輻射的分布式模擬[J].科學技術與工程，2019，19（12）：33-40.

收稿日期：2024-09-05

作者簡介：鄭凱端（1991—），男 ，福建沙縣人，工程師，研究方向為氣候應用與氣候變化。