内蒙古赤峰市太阳能资源评估与开发潜力分析

王志春，张新龙，苑 俐，吴亚娟，史玉严

（赤峰市气象局，内蒙古 赤峰 024000）

随着化石能源供应的日趋紧张，及其引发的气候变化、环境污染压力，清洁能源的开发利用已成为当前能源发展的重要途径。太阳能作为一种最有潜力的可再生能源，以其优质的资源属性，受到了全球的关注，开发利用太阳能被认为是一种解决全球能源危机与气候问题的有效途径，各国纷纷加大了对太阳能资源的开发利用[1]。未来，以太阳能为主的可再生能源必将成为世界能源消费的主导，也必将成为我国未来战略能源之一。要开发利用太阳能资源，首先需要对当地的太阳能资源储量和可利用程度进行评估。由于我国太阳辐射观测站稀少，对于某地太阳辐射量的计算，左大康[2]、翁笃鸣[3]、王炳忠[4]、祝昌汉[5-6]、孙治安[7]等学者均采用了气候学计算方法，取得了较好的效果，成为目前太阳能评估普遍采用的方法。

随着清洁能源开发利用越来越受重视，诸多学者对太阳能资源进行了深入研究。李柯等[8]对中国陆地太阳能资源开发潜力进行了区域分析，结果表明，内蒙古中西部地区太阳能资源非常丰富，东北部地区相对偏弱。近年来，针对内蒙古太阳能资源方面的研究颇多[9-11]，均将内蒙古太阳能资源的时空分布特征作为研究的重点，同时，马玉峰等[9]还研究了太阳总辐射的气候学计算方法，彭军[11]对光伏发电开发的可行性进行了分析。另外，张立春[12]、王彦平[13]等分别针对通辽市、呼伦贝尔市的太阳能资源进行了可利用性和区划研究。

以往对太阳能资源的评估，大多是对其储量和稳定度的时空分布特征进行分析[8-14]，没有综合考虑地形地势、土地利用类型等环境条件对太阳能资源开发潜力的影响。内蒙古自治区是全国能源大区，太阳能资源极为丰富，居全国第二位，赤峰市属于较丰富的二类地区，太阳能利用有着巨大的潜力[15]，截至目前，光伏电站的装机容量已接近500 MW，主要位于翁牛特旗和敖汉旗，规模较大光伏电站分布见图1。本文以作为内蒙古实施光伏发电重点地区的赤峰市为例，基于地形条件对太阳能资源开发潜力进行分析，以期为当地的能源布局及转型发展提供参考。

1 研究区概况

赤峰市地处蒙古高原到辽河平原的过渡带，地形以丘陵、山地为主，地势起伏大，海拔高度在255~2 061 m，高海拔地区分别为北部的大兴安岭余脉和西南部的七老图山脉，翁牛特旗东部和阿鲁科尔沁旗南部海拔较低，在500 m以下（图1）。赤峰市无太阳辐射观测站，锡林浩特辐射站位于赤峰市的西部稍偏北，所处纬度与赤峰市相当，因此用锡林浩特站的资料来确定辐射与日照的经验系数。

图1 研究区地形及气象站点分布

2 资料与方法

2.1 资料来源

赤峰市14个国家气象观测站1986—2015年逐日日照时数资料，锡林浩特站1986—2019年逐日日照时数和太阳辐射资料，来源于中国气象科学数据共享服务网。90 m×90 m数字高程（DEM），来自于美国航天飞机雷达地形测绘任务（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）。1：250 000行政区划及土地利用类型数据，来源于国家基础地理信息中心。

2.2 计算方法

2.2.1 太阳能资源计算

采用当前最为通用的气候学方法，建立太阳总辐射与日照的关系模型，计算方法[16-19]为：

式中，Q是到达地面的太阳总辐射（MJ/m2），Q0为地外天文总辐射（MJ/m2），S为日照百分率（%），a、b为各月经验系数，通过最小二乘法拟合求得。

FAO推荐温带地区a=0.18，b=0.55[20]，锡林浩特站拟合的a、b值见表1，可以看出两者的差距很大。

表1 锡林浩特站拟合的各月a、b值及决定系数

采用FAO推荐的系数和拟合的系数，分别计算锡林浩特站2017—2019年的年太阳辐射总量，并与实际观测值进行对比（表2）。可以看出，采用FAO推荐系数的计算值比实测值小得多，约偏少10%，而采用拟合系数的计算值与实测相差不大，误差在2%以内。因此，采用拟合系数推算的太阳辐射量更加精准，本文采用拟合系数作为推算当地太阳辐射量的参数值。

表2 2017—2019年锡林浩特站太阳辐射计算值与实测值的对比分析 MJ/m2

2.2.2 太阳能资源稳定度计算

太阳能资源稳定度表征的是某地太阳能资源年内波动的幅度，通常采用各月日照时数＞6 h天数的最大值与最小值之比来表示[8]。

式中，K为太阳能资源稳定度指标，无量纲；D1，D2，…D12为1—12月各月日照时数＞6 h天数，单位：d；max、min分别为求最大值、最小值的标准函数。

3 结果与分析

3.1 赤峰市太阳能资源空间分布与评估

赤峰市年太阳辐射量在5 600.78~6 262.45 MJ/m2，平均为6 025.16 MJ/m2。由图2可见，不同地区间太阳能资源差异显著，其中阿鲁科尔沁旗南部、巴林左旗南部、巴林右旗东南部、克什克腾旗东南部、翁牛特旗、松山区、敖汉旗，太阳辐射量超过了6 000 MJ/m2。根据《太阳能资源评估方法》（GB/T 37526—2019）[21]中的太阳能资源等级划分标准，赤峰市年太阳总辐射量均高于5 040 MJ/m2，是太阳能资源很丰富区。

图2 赤峰市太阳能资源储量空间分布

3.2 赤峰市太阳能稳定程度评估

采用公式（2）计算赤峰市太阳能资源稳定程度并空间化（图3），得出所有地区K值均在2以内，太阳能资源均达到了稳定等级。相对而言，东南部地区的稳定程度更高。

图3 赤峰市太阳能资源稳定度空间分布

4 基于地形的太阳能资源开发适宜性区划

上述太阳能资源评估主要从资源储量的空间分布上进行分析的，而在实际的太阳能资源开发利用中，需要综合考虑获取太阳能资源的可能性和难易程度[22-25]。本研究主要考虑不同地形（坡度、坡向）对地表接收太阳辐射量的影响，不涉及交通等非自然因素。太阳能资源开发中应遵循坡向优先于坡度，阳坡、平坡优先的原则，在充分保证接收太阳辐射最大化的同时，降低开发成本。坡度的等级界定标准参考《水土保持综合治理规划通则》（GB/T 15772-1995）[26]。将太阳能资源的可利用程度划分为4个等级（表3），Ⅰ为最适宜开发利用区，Ⅱ为次适宜开发利用区，Ⅲ为可利用开发区，Ⅳ为不适宜开发利用区。

表3 太阳能开发适宜性区划标准

对赤峰市太阳能资源开发适宜性进行区划，结果如图4所示。Ⅰ、Ⅱ类主要分布在阿鲁科尔沁旗南部、巴林左旗东南部、巴林右旗南部、克什克腾旗西部、翁牛特旗中东部、松山区中东部、元宝山区、喀喇沁旗东部、宁城县东部和敖汉旗中北部，这些地势平坦且坡向多为偏南或偏东南向的地区；Ⅲ、Ⅳ类主要分布在北部的大兴安岭余脉，西南部的七老图山和敖汉旗南部的努鲁尔虎山地区，这些地区地势起伏大且坡向不佳。

图4 赤峰市太阳能资源开发适宜性区划

统计赤峰市太阳能4个开发适宜性分区的面积及比例（表4），最适宜开发的Ⅰ类区面积约3.2×104km2，占35.4%，Ⅱ类次适宜开发面积约3.7×104km2，占41.4%，Ⅲ、Ⅳ类分别占19.1%和4.1%。Ⅰ、Ⅱ类共计占76.8%，因此，从地形地势方面比较，赤峰市是适宜太阳能开发的。

表4 赤峰市太阳能开发适宜性分区统计

5 基于土地利用类型太阳资源开发利用潜力评估

赤峰市大部地区适宜太阳能资源开发，但建设光伏电站需要布设大面积的太阳能电板，土地利用类型对其限制较大，因此，需要结合不同土地利用类型来分析太阳能资源的开发利用潜力[27-29]。

将土地利用类型归为6大类：耕地（水浇地、水田、旱地、其它农业用地）、草地、林地、水域（河流、湖泊、库塘）、城镇用地（建筑、人类活动用地、交通路网）、裸地。将土地利用类型与太阳能开发适宜性分区进行叠加分析，来评估太阳能开发潜力。

统计不同开发适宜性分区的土地利用类型比例（表5），Ⅰ、Ⅱ类地区中草地所占比例最高，分别为20.3%和25.0%，次之为耕地和裸地，耕地保护不能触碰，裸地适合开发，草地和裸地共计在Ⅰ类地区占26.4%、在Ⅱ类地区占30.7%。因此，赤峰市太阳能开发潜力巨大。

表5 赤峰市太阳能各等级开发适宜性分区在不同土地利用类型中所占面积比例/%

6 结论与讨论

6.1 结论

赤峰市年总辐射量均在5 600 MJ/m2以上，属于太阳能资源很丰富区，最高值达6 262.45 MJ/m2，接近了太阳能储量的最高等级。赤峰市地处大陆性季风气候区，阴雨天气少，日照充足，太阳辐射稳定。基于地形的太阳能资源开发适宜性区划结果表明，Ⅱ类次适宜开发面积最大，高达41.4%，Ⅰ类最适宜和Ⅱ类次适宜开发的总面积占赤峰市面积的76.8%，因此，从地形地势方面比较，赤峰市是适宜太阳能开发的。从开发建设成本、耕地及生态环境保护方面分析，草地和裸地受太阳能设施的影响最小，比较适合太阳能开发建设，叠加开发适宜性分区进行分析，Ⅰ、Ⅱ类地区中草地和裸地所占面积比例分别达26.4%和30.7%，因此，赤峰市太阳能资源开发利用潜力巨大。

6.2 讨论

由于太阳辐射观测站较少，一般需要应用其它常规观测的气象要素，通过构建与辐射量的相关推算模型，来增加太阳能评估数据点的密度。在选择辐射观测代表站时，需要遵循以下三点：一是地理位置与推算站点距离尽可能近；二是气候类型相同；三是与所推算站点在相同的纬度带内。满足以上三点，就能保证推算模型的适用性。

在进行太阳能资源精细化评估时，空间插值方法（模型）直接关系到插值结果的准确性。大多数气象要素与地理信息具有显著的相关性，可以通过回归分析来构建空间插值模型，而太阳辐射采用回归分析大都不能通过检验。另外，常用的地统计插值方法，如克里金法、反距离权重法、径向基函数法等[30]，不能引入地形因素参与插值，因此不能很好地体现地形对太阳能资源的影响。本文所选用的薄盘样条插值方法[31]，可以引入地形作为协变量参与空间插值，从而能够更加客观地表达太阳能资源的空间分布特征，由图2可以清晰地看出，地形因素对太阳能资源分布的影响，特别在赤峰市西部和北部的多山地区尤为显著。

在太阳能资源开发适宜性区划分析时，仅考虑了坡度和坡向2个因素，受局部地形的影响，适宜区可能受附近高大山体的遮蔽而变得不再适宜。因此，在实际太阳能开发选址时，应综合考虑大地形、局部地形、交通条件、建设成本等因素。目前，赤峰市光伏发电新建项目均要求建在荒漠区、采煤沉陷区、露天煤矿排土场等地类上，同时优先支持光伏和储能项目建设。