陕北榆林地区太阳能资源空间分布特征及资源潜力评估

吴林荣，杜莉丽，王娟敏，孙 娴

（1.陕西省气象局，陕西 西安710014；2.陕西省气候中心，陕西 西安710014）

中国太阳能资源十分丰富，全国陆地每年接受太阳辐射能相当于2.4×1013t标准煤，开发利用前景广阔，中国已经把太阳能开发利用作为新能源开发的重点。研究表明，陕北榆林地区是太阳能资源丰富区，有着广泛地利用前景［1－5］。孙娴等［6］，吴林荣等［7－8］较系统地研究了陕西山地及水平面的太阳辐射时空分布，指出陕北北部尤其是长城沿线是太阳能资源开发利用的最佳区域。然而该区域却一直没有辐射观测站，2007年9—10月陕西省气象局在完成《鄂尔多斯盆地（陕西部分）能源开发利用总体规划》项目的基础上，在榆林的靖边和神木县新建了3个辐射观测站并进行了1a时间的科学观测，本文利用这新建3个辐射站2008年的实测辐射观测值与气候学模式计算值进行对比检验，并计算出了陕北榆林地区的季、年太阳总辐射，并对陕北榆林地区的太阳能资源潜力进行了评估，为榆林地区充分合理地开发利用太阳能资源提供理论参考。

1 资料与方法

1.1 研究区概况

榆林市位于陕西省最北部，地处陕、甘、宁、蒙、晋5省（区）交界，地理坐标为107°28′—111°15′E，36°57′—39°34′N，地处毛乌素沙漠和黄土高原过渡地带，风蚀沙化和水土流失严重，东南部黄土丘陵沟壑区是黄河中游水土流失最严重的地区。东临黄河与山西相望，西连宁夏、甘肃，北邻内蒙古鄂尔多斯市，南接延安市。黄河沿东界南下涉境400km多，古长城横贯东西700km多。地势由西部向东倾斜，地貌分为风沙草滩区、黄土丘陵沟壑区、梁状低山丘陵区3大类。地貌大体以长城为界，北部为风沙草滩区，占总面积的42%，南部为黄土丘陵沟壑区占总面积的58%。平均海拔1 300m，气候属暖温带和温带半干旱大陆性季风气候，年平均气温10℃，年平均降水量400mm左右，四季分明，日较差大，气象灾害较多，几乎每年都有不同程度的干旱、霜冻、暴雨、大风、冰雹等灾害发生，尤以干旱、冰雹和霜冻危害严重。

1.2 资料来源

陕西省有延安、西安、安康3个辐射观测站。本文选用延安代表陕北地区计算［9］，总辐射资料序列长度为1990—2008年。日照时数、日照百分率为榆林12个台站1971—2008年的月资料。新建的靖边、神木、神木大保当3站为2008年逐日总辐射资料，资料全部来自于陕西省气象档案馆。

1.3 计算方法

太阳辐射的计算采用气候学方法，即：

式中：Q——地表受到的太阳总辐射；Q0——起始数据（或称背景值），Q0可以是天文辐射、晴天大气总辐射或理想大气总辐射；f（s，n）——以日照百分率和总云量表示的天空遮蔽度函数，这里以天文总辐射作为背景值，则计算公式为：

式中：Q——地表受到的太阳总辐射；Q0——天文辐射；S——日照百分率；a，b——系数。

根据延安各月辐射和日照百分率，采用最小二乘法［10－15］拟合出陕北地区式（2）中各月的经验系数a，b，然后计算出各地的地面月平均太阳总辐射，通过累加进而推算出各地季、年太阳总辐射。

1.4 太阳能资源评估方法

太阳能资源评估是太阳能资源开发利用的基础，根据太阳能资源评估方法［16］，太阳能资源评估包括太阳能资源丰富程度、太阳能资源稳定程度。在此基础上参考文献［17］，对太阳能资源的利用价值、太阳能资源储量、太阳能资源可利用量等进行评估。

（1）太阳能资源丰富程度。以太阳总辐射年总量为指标，等级划分情况如表1所示。

表1 太阳能资源丰富程度等级划分 MJ／（m2·a）

（2）太阳能资源稳定程度。以各月日照时数大于6h天数的最大值与最小值的比值表示太阳能资源稳定程度，等级划分如表2所示：

式中：K——太阳能资源稳定程度指标，无量纲；D1，D2，…，D12——1—12月各月日照时数大于6h的天数（d）；max（）——求最大值的标准函数；min（）——求最小值的标准函数。

表2 太阳能资源稳定程度等级划分

（3）太阳能资源利用价值。相关文献表明［1，17］，太阳能电站对9—16时出现日照的时间利用价值较高，因此，确定以各月日照时数大于6h的天数作为太阳能发电可利用指标，反映该区域太阳能资源的利用价值。

（4）太阳能资源储量和可利用量。太阳能资源储量计算公式：

太阳能资源可利用量计算公式：

式中：Q1——研究区太阳能资源可利用量（kWh）。

2 结果与分析

2.1 模式精度检验

将延安市历年日辐射总量换算成历年各月总辐射，并根据各月的总辐射和日照百分率进行拟合，计算出各月的经验系数，并对方程的相关系数作F检验（如表3所示）。可以看出相关系数全部都在0.6以上，F值均通过F0.01检验，回归方程总体显著。

表3 陕北月太阳辐射计算公式中各月经验系数和统计检验

为了详细评估陕北榆林地区太阳能资源的丰富程度和开发潜力，陕西省气象局于2007年9月在神木县锦界镇和大保当镇（110°01′E，38°39′N）建立了4要素辐射站，2007年10月在神木县气象局（110°26′E，38°49′N）和靖边县气象局（108°48′E，37°37′N）建立了两要素辐射站，整理2008年大保当、神木、靖边3个辐射站的实测总辐射资料，同时在计算模型中提取3个站对应的模型计算值检验模型精度。

表4给出了实测值与计算值之间的相对误差，图1给出了神木、靖边2008年太阳总辐射实际观测值和模拟值的对比曲线，从表4和图1中可以看出，模式对陕北榆林地区的太阳总辐射的拟合很好，各月相对误差基本都控制在10%以内。大保当平均相对误差为－3.8%，其中3月相对误差最小仅0.2%，神木站平均相对误差为－5.4%，其中5月相对误差最小仅0.8%，靖边平均相对误差为－4.9%，其中5月误差最小仅为0.2%，表明建立的太阳辐射计算模型较为精确。

表4 大保当、神木、靖边2008年月太阳辐射计算值与实测值之间的相对误差 %

图1 神木、靖边各月太阳总辐射测值与模拟值对比

2.2 榆林地区太阳能资源分布特征

根据最小二乘法的拟合结果，将陕北榆林地区12个台站的对应天文辐射、日照百分率分别代入拟合方程，计算出榆林地区的各月太阳总辐射，进而推算出季、年太阳总辐射，并将计算结果在Surfer 8.0软件中采用克立格插值法完成全区范围的太阳总辐射空间插值。

图2为榆林地区各季节太阳总辐射分布状况，从图2中可看出，榆林地区夏季太阳辐射最大，冬季最小，春、秋两季介于其间。春季太阳总辐射在1 515～1 586MJ／m2，夏季在1 712～1 782MJ／m2，秋季在1 007～1 061MJ／m2，冬季在724～777MJ／m2之间。同时，春、夏、秋3季太阳辐射较高的区域分布区域较广，是太阳能利用的最佳季节。

榆林地区年太阳总辐射的空间分布如图3所示，可以看出榆林地区年太阳总辐射量介于4 970～5 163MJ／m2，最高值区在长城沿线一带，府谷、神木、榆林、佳县、靖边、横山、绥德、吴堡、米脂、清涧均在5 000MJ／m2以上，最大为横山5 162.3MJ／m2，低值区主要位于定边西南部和子洲南部。

图2 榆林地区4季太阳总辐射分布

图3 榆林地区年太阳总辐射分布

2.3 资源潜力评估

2.3.1 太阳能资源丰富程度 由上述4季及年均太阳能总辐射分析可知，榆林地区太阳能资源最为丰富的地区是长城沿线地区，根据国内太阳能源资源的区划标准（表1），榆林地区12个县（区）均属于太阳能资源丰富区，其中府谷—神木—榆林—横山—靖边大部—佳县—米脂—吴堡—绥德—子洲北部属于资源很丰富区，定边—靖边西南和子洲以南地区属于资源丰富区（图4）。

2.3.2 太阳能资源稳定程度 按照式（3），对研究区1971—2008年12个气象站日照时数（日值）进行计算，得到各站点38a平均K值（表5），可见榆林地区太阳能资源稳定度K均小于2，说明榆林地区太阳能资源稳定。

2.3.3 太阳能资源利用价值 根据中国气象局颁布的太阳能资源评估方法标准及己有的研究结果，利用各月日照时数大于6h的天数为指标，可反映一天中太阳能资源的利用价值。一天中日照时数如小于6h则认为太阳能不具有利用价值。据此，统计了研究区38a（1971—2008年）中12个气象观测站日照时数大于6h的天数并求平均，结果表明各站点中年均日照时数大于6h的天数均超过250d，其中，最大为府谷达到283.07d，最少为定边也有258.77d，说明在不考虑成本、技术可行性的前提下，榆林地区太阳能资源具有较高的潜在利用价值。

图4 榆林地区太阳能资源丰富程度分布

表5 榆林地区太阳能资源稳定度K

2.3.4 太阳能资源储量和可利用量 根据式（4），榆林地区总面积为43 578km2，年平均太阳总辐射5 064MJ／m2，可计算出榆林地区太阳能资源总储量为6.13×1013kWh。再根据式（5），按1%陆地面积，转换效率20%计算榆林地区太阳能资源的可利用量，则可得到榆林地区太阳能资源可利用量可达1 226kWh。

3 结论

（1）榆林地区夏季太阳总辐射最大，冬季最小，春、秋两季介于其间。春、夏、秋3季是太阳能利用的最佳季节。

（2）榆林地区年太阳总辐射量介于4 970～5 163MJ／m2，最高值区在长城沿线一带，府谷、神木、榆林、佳县、靖边、横山、绥德、吴堡、米脂、清涧均在5 000MJ／m2以上，最大为横山5 162.3MJ／m2，低值区主要位于定边西南部和子洲南部。

（3）榆林各县（区）均属于太阳能资源丰富区，其中府谷—神木—榆林—横山—靖边大部—佳县—米脂—吴堡—绥德—子洲北部属于资源很丰富区，定边－靖边西南和子洲以南地区属于资源丰富区。

（4）榆林地区太阳能资源十分稳定，在不考虑成本、技术可行性的前提下，榆林地区太阳能资源具有较高的潜在利用价值。

（5）榆林地区太阳能资源总储量可达6.13×1013kWh，太阳能资源可利用量可达1 226kWh。

［1］周扬，吴文祥，胡莹，等.西北地区太阳能资源空间分布特征及资源潜力评估［J］.自然资源学报，2010，25（10）：1738－1749.

［2］韩虹，任国玉，王文，等.黄土高原地区太阳辐射时空演变特征［J］.气候与环境研究，2008，13（1）：61－66.

［3］王伟，王玉，李缠云，等.黄土丘陵沟壑区气候与气候生产力变化分析：以延安市为例［J］.水土保持通报，2008，28（6）：151－154.

［4］陈志华.1957—2000年中国地面太阳辐射状况的研究［D］.北京：中国科学院大学，大气物理研究所，2005.

［5］姚玉壁，李耀辉，王毅荣，等.黄土高原气候与气候生产力对全球气候变化的响应［J］.干旱地区农业研究，2005，23（2）：202－208.

［6］孙娴，王娟敏，姜创业，等.陕西省山地日照时间的空间分布特征［J］.自然资源学报，2010，25（4）：625－635.

［7］吴林荣，王娟敏，刘海军，等.陕西省太阳辐射及其日照时数的时空变化特征［J］.水土保持通报，2010，30（2）：212－214.

［8］吴林荣，江志红，鲁渊平，等.陕西省日照时数和日照百分率时空分布演变特征［J］.陕西气象，2008（1）：18－21.

［9］吴林荣，江志红，鲁渊平，等.陕西太阳总辐射的计算及分布特征［J］.气象科学，2009，29（2）：187－191.

［10］王炳忠，张富国，李立贤.我国的太阳能资源及其计算［J］.太阳能学报，1980，1（1）：1－9.

［11］苏志，方旭.广西太阳总辐射的计算及分布特征［J］.广西气象，2003，24（4）：32－341.

［12］刘新安，范辽生，王艳华，等.辽宁省太阳辐射的计算方法及其分布特征［J］.资源科学，2002，24（1）：82－87.

［13］沈瑱，曾燕，肖卉，等.江苏省日照时数的气候特征分析.气象科学，2007，27（4）：425－429.

［14］李爱贞，刘厚凤.气象学与气候学基础［M］.北京：气象出版社，2004：29－56.

［15］杜尧东，毛慧琴，刘爱君，等.广东省太阳总辐射的气候学计算及其分布特征［J］.资源科学，2003，25（6）：66－70.

［16］章毅之，王怀清，胡菊芳，等.太阳能资源评估方法［S］.中华人民共和国气象行业标准QX／T89－2008，2008.

［17］王娟敏，孙娴，姜创业，等.基于ArcEngine太阳能资源评估业务系统的研制及应用［J］.资源科学，2010，32（11）：2246－2252.