近50年广西太阳能资源估算与特征分析

何 如，周绍毅，苏 志，李艳兰

(1.广西壮族自治区气象服务中心，广西 南宁 530022；2.广西壮族自治区气候中心，广西 南宁 530022)

近50年广西太阳能资源估算与特征分析

何 如1,2，周绍毅1,2，苏 志1,2，李艳兰2

(1.广西壮族自治区气象服务中心，广西 南宁 530022；2.广西壮族自治区气候中心，广西 南宁 530022)

利用1961～2010年广西3个辐射站的太阳总辐射资料和90个国家气象站的日照资料，估算了广西各地的太阳总辐射量，分析了广西太阳能资源的时空分布特征，并对广西全区的太阳能资源丰富程度进行了评价。结果表明，广西各地年太阳总辐射为3682.2～5642.8 MJ/m2，年平均太阳总辐射呈减少趋势，20世纪60年代最大，低值出现在80～90年代，进入21世纪初期达到次大值；广西年太阳总辐射空间分布呈现南部多、北部少，盆地平原多、丘陵山区少的特点，其中资源很丰富区位于广西沿海及十万大山北坡，是广西太阳能利用的最佳区域，广西南部的梧州、玉林、钦州及南宁南部地区是广西具备一定开发利用潜力的资源丰富区。

太阳能资源；太阳总辐射；时空特征；广西

随着化石能源的逐渐减少和光电转换技术的不断进步，太阳能的开发利用已成为未来能源的开发热点，并有可能成为21世纪最具大规模开发潜力的新能源之一。随着经济社会的发展，能源的需求也在不断的增长，化石能源等一次性能源供应日趋紧张，广西的综合能源消费对外依存度超过70%，不利于广西的能源保障供应和能源安全。为了保护环境，促进社会经济可持续发展，开发利用太阳能资源将成为改善能源结构的一项重要举措。

广西位于祖国的西南部，日照充足，但由于广西地形复杂，天气气候多变，太阳能资源时空分布差异较大，存在明显的地域性和季节性分布特征。为了更好地掌握广西全区太阳能资源的分布特点，尤其是广西南部沿海地区的太阳辐射信息，1993年增加了北海站的太阳辐射观测。本文利用更为详尽的太阳辐射观测资料，弥补了原有研究[1]资料代表性不足的缺陷，对广西近50年的太阳总辐射进行估算并对其时空分布特征进行分析，评价广西各地的太阳能资源丰富程度，为广西太阳能资源的开发利用提供了详实的基础数据。

1 资料与方法

1.1 资料来源

本文选用1961～2010年广西3个辐射站(南宁、桂林、北海)的太阳辐射资料，其中北海站自1993年开始对太阳辐射要素进行观测，其资料取自1993～2010年；以及1961～2010年广西90个国家地面气象站的日照时数、日照百分率等资料。

根据文献[2]的研究结论，在进行太阳资源评价时，平原地区至少需要6年以上的辐射观测资料，其余地区至少需要10年。北海站位于北部湾沿海地区，海拔较低，地面较广阔，其资料年限为8年；其余各站资料年限达到50年。因此，本文采用这3个辐射站点作为广西太阳能总辐射量计算的代表站。

1.2 研究方法

1.2.1 太阳总辐射计算方法 根据《太阳能资源评估方法》(QX/T 89─2008)[3]中太阳总辐射气候学计算方法，其经验计算公式为：

Q=Q0(a+bs)

(1)

式(1)中Q与Q0分别为月实际太阳总辐射[MJ/(m2·d)]和月天文太阳总辐射[MJ/(m2·d)]，Q0由当月逐日天文总辐射量相加得到；s为月日照时数百分率；a、b为经验系数。

其中,天文太阳总辐射计算公式为[3]

(2)

式(2)中Q0为日天文辐射总量[MJ/(m2·d)]，T为周期(24×60min/d)，I0为太阳常数[0.0820MJ/(m2·min)]，ρ为日地距离系数，φ为地理纬度(rad)，δ为太阳赤纬(rad)，ω0为日落时角(rad)。

1.2.2 经验系数a、b值的确定 根据南宁、桂林1961～2010年和北海1993～2010年历年各月的太阳总辐射、同期天文辐射以及日照百分率，采用最小二乘法计算得到3个辐射站各月的经验系数a、b值。

对于无辐射观测的其余87个站，利用站点分区方法[1]，以桂林、南宁、北海3个辐射站为中心，将广西其余87个气象站按相关系数最大法归入相应的3个辐射站片区；在交界附近两边的气象站，采用U检验方法进行调整(具体计算方法详见文献[1])。

2 计算结果

2.1 a、b值计算结果

表1为3个辐射代表站各月太阳总辐射经验系数a、b值及利用经验系数带入公式(1)得到的太阳辐射推算值与实测值之间的相对误差。3个代表站各月平均相对误差为：南宁6.9%，桂林9.4%，北海4.6%，各站各月相对误差为3.1%～11.0%，除桂林1～4月、南宁2月相对误差在10%～11%外，其余都在10%以下。总体上看，代表站各月均在误差允许范围之内，表明方程拟合精度较高。

表1 辐射站各月经验系数a、b值及相对误差

2.2 站点分区结果

由广西各站点经验系数分区图(图1)可见，广西中北部基本上以24° N为分界线：24° N以北有42个站归入桂林(Ⅰ区)，中南大部分地区的36个站归入南宁(Ⅱ区)，南部沿海地区有12个站归入北海(Ⅲ区)。根据分区结果选用各片区相应的经验系数建立各站点的太阳辐射方程。

2.3 太阳总辐射计算结果

根据广西各站点建立的太阳辐射估算方程，得到广西90个气象站各月的太阳总辐射量，由此累加可以得到各站季、年的太阳总辐射量。由表2可知，广西平均太阳总辐射为4395.5 MJ/m2，全区各地太阳总辐射3682.2～5642.8 MJ/m2。

3 太阳能资源特征分析

3.1 时间特征分析

3.1.1 年和年代际变化特征 由图2-a可见，1961～2010年广西太阳总辐射年际变化较明显，广西全区平均及南宁、桂林代表站均呈减少趋势(趋势系数均通过0.05显著性检验)，全区平均每10年的减幅为43.84 MJ/m2，南宁、桂林每10年的减幅分别为37.93、61.80 MJ/m2；1995～2010年北海代表站(该站1993、1994年观测不连续)的太阳总辐射呈增加趋势(趋势系数通过0.05显著性检验)。广西全区和南宁、桂林代表站的年代际变化趋势基本相同(图2-b)，都呈现为单谷型：大值期出现在20世纪60年代，低值期全区和南宁出现在90年代前后，桂林则出现在80年代，随后逐渐升高，在21世纪初期达到次大值。

3.1.2 月际变化特征 从太阳总辐射的逐月变化曲线图(图3-a)来看，广西太阳总辐射月变化趋势为：从3月开始至7月，太阳总辐射量呈现逐月上升趋势，7月太阳总辐射达到全年的峰值，大部分地区为450～600 MJ/m2；从8月开始各地的太阳总辐射量逐月下降，2月份降至最低值，为太阳总辐射量最少的月份，大部地区为170～250 MJ/m2，各地月太阳总辐射的变幅一般在300 MJ/m2左右。从季节变化来看(图3-b)，太阳总辐射在夏季最高，秋季、春季次之，冬季最低。

3.2 空间特征分析

广西各地年太阳总辐射地域分布特点是：南部多、北部少，盆地平原多、丘陵山区少。梧州、玉林两市南部，钦州、北海两市，右江河谷及宁明、横县在4700 MJ/m2以上，其中北海、合浦、涠洲岛及上思等地超过5000 MJ/m2，最多的涠洲岛为5642.8 MJ/m2。

桂林、河池两市大部、柳州市北部在4100 MJ/m2以下，其中桂北靠近湘、黔两省的边缘各县及金秀低于3800 MJ/m2，最低的金秀为3682.2 MJ/m2。广西中部大部分地区在4100～4700 MJ/m2之间(图4)。

图1 广西各站点经验系数分区图

表2 广西全区平均和代表站逐月和年太阳总辐射

MJ/m2

图2 广西年太阳总辐射年际(a)和年代际(b)变化图

图3 广西太阳总辐射月际(a)和季节(b)变化图

4 太阳能资源丰富程度评价

在文献[3]的基础上，结合广西的太阳能资源状况，将标准中“资源丰富”的分区阈值3780～5040 MJ/m2内插等分为3个级别，得到广西的太阳能资源分区指标(表3)。

根据广西太阳能资源分区指标(表3)，结合广西年太阳总辐射分布结果(图4)，广西的太阳资源丰富程度主要分为以下几个区域：

资源很丰富区：该区主要分布在广西沿海及十万大山北坡，是广西太阳能利用的最佳区域；一级资源丰富区：位于广西南部，包括梧州、玉林、钦州及南宁南部部分地区，是广西太阳能利用的理想区域；二级资源丰富区：位于广西中部，包括贵港市，百色、崇左、南宁、来宾等大部地区，是广西太阳能利用的较理想区域；三级资源丰富区：位于广西北部，包括桂林、柳州、河池、贺州等大部分地区；资源一般区：位于桂北靠近湘、黔两省的边缘的部分县及金秀大瑶山地区。

表3 广西太阳能资源分区指标

图4 广西年太阳总辐射分布图

5 结论

广西年平均太阳总辐射为4395.5 MJ/m2，各地为3682.2～5642.8 MJ/m2，1961～2010年呈减少趋势，全区平均每10年的减幅为43.84 MJ/m2。广西的太阳总辐射20世纪60年代最大，低值出现在80～90年代，进入21世纪初期达到次大值。夏季太阳总辐射最高，其中7月份达到全年峰值，大部地区为450～600 MJ/m2；秋季、春季次之，冬季最低。

广西年太阳总辐射的空间分布呈南部多、北部少，盆地平原多、丘陵山区少的特点：梧州、玉林两市南部，钦州、北海两市，右江河谷及宁明、横县在4700 MJ/m2以上，其中北海、合浦、涠洲岛及上思等地超过5000 MJ/m2；桂林、河池两市大部、柳州市北部在4100 MJ/m2以下。

根据广西太阳能资源丰富程度分区指标，得到广西的太阳能资源很丰富区主要分布在广西沿海及十万大山北坡，是广西太阳能利用的最佳区域；具备一定开发利用潜力的资源丰富区，主要位于广西南部的梧州、玉林、钦州及南宁南部部分地区，是广西太阳能利用的理想区域；位于广西中部包括贵港市，百色、崇左、南宁、来宾等大部分地区，是广西太阳能利用的较理想区域。

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Estimation and Analysis of Solar Energy Resources of Guangxi in Recent 50 Years

HE Ru1,2， ZHOU Shao-yi1,2， SU Zhi1,2， LI Yan-lan2

(1. Guangxi Meteorological Service Center, Nanning 530022, China； 2. Guangxi Climate Center, Nanning 530022, China)

Based on the observational global solar radiation and sunshine data from 3 solar radiation stations and 90 weather stations from 1961 to 2010, the global solar radiation of every stations was estimated in Guangxi, the characteristics of solar energy resource spatio-temporal distributions were analyzed, the abundance of solar energy resource was evaluated. The results showed that the annual global solar radiation of every stations was from 3682.2 MJ/m2to 5642.8 MJ/m2in Guangxi, the average annual global solar radiation was decreased, which was the strongest in the 1960s and weakest in the 1980s and the 1990s, and secondary strongest in the 2000s. The distribution of the global solar radiation was more abundant in the south than that in the north, and more abundant in the plains than that in the hill and mountain areas, the more rich resource region was in the coast and the north slope of Shiwan mountain, which was the best utilization region of Guangxi, the cities of south of Guangxi such as Wuzhou city, Yulin city, Qinzhou city and Nanning city were the rich resource region of development and utilization potential.

Solar energy resource; Global solar radiation; Spatio-temporal characteristics; Guangxi

2015-08-05

广西自然科学基金资助项目(2015GXNSFBA139189、2011GXNSFA018008)。

何如(1983─)，女，广西柳州人，硕士研究生，从事气象能源开发与气候应用服务研究。

P964

A

1001-8581(2016)03-0109-04

许晶晶)