2021年-河南省的太阳能资源及其利用区划

河南省的太阳能资源及其利用区划太阳能是一种取之不尽用之不竭的清洁能源,其缺点是能量密度低。目前太阳能虽然不是常规能源,但它是常规能源的重要补充。随着太阳能利用技术水平的提高,太阳能将在能源建设中居于重要地位。对太阳能的研究包括设备和资源两个相辅相成的方面,太阳能资源状况直接影响利用太阳能设备的技术性能和经济价值。因此在研究利用太阳能设备的同时,必须研究太阳能资源的特点及其利用价值。本文将在阐明河南省的太阳能资源的基础上提出太阳能利用区划。一、太阳能资源概况太阳能资源通常用太阳总辐射和日照时数来示。(一)太阳总辐射太阳总辐射是地面上所获得的太阳辐射能量的总和。河南省只有郑州、安阳、郾城和固始四个站有太阳总辐射的实测资料,广大台站均无辐射资料,需要推算。我们曾推算河南各地的月总辐射量〔1〕,平均相对误差小于8%,推算式是Q＝a+BQ0S式中Q和Q0分别为月总辐射量和天文辐射量,S为月日照百分率,a、b为与云量、云状、大气透明状况有关的系数。根据此式计算了河南省个台站月、年总辐射量,加上四个日射站的实测值绘制了各月和年的总辐射量分布图。由图看出,河南省年平均总辐射量在107-124千卡/厘米2·年（以下略去厘米2·年）之间。年总辐射量分布的突出特点是从太行山前丘陵平原向南到伏牛城东麓山前丘陵平原（以下简称伏牛山前丘陵平原）折向西南到伏牛山南侧山地、南阳盆地西南部,形成一条东北西南向的年总辐射量低值带。这个低值带包括两个明显的低值区和一个相对低值区,即太行山及其山前平原低值区、伏牛山南侧山地及南阳盆地西南部低值区以及黄河沿岸和伏牛山前丘陵平原相对低值区。前两个低值区年总辐射量在115千卡以下,其中南召、内乡年总量仅为107千卡,是全省年总辐射量最少之区。居于这两个低值区之间的黄河沿岸（郑州到开封）和伏牛山前丘陵平原,年总辐射量在115千卡左右,是一个相对低值区。低值带的东边是高值带,包括有豫北平原东部高值区、黄河平原（指黄河到沙颖河之间的平原,下同）高值区以及淮北平原高值区。低值带的西北边是豫西黄土丘陵山地高值区。这些高值区年总辐射量均在118千卡以上,其中三门峡、尉氏、商丘和兰考超过千卡,形成高值中心。上述年总辐射量的分布形势与夏季西太平洋副热带高压（简称副高）的分布以及地形有密切关系。夏季特别是6月中旬到8月中旬副高脊线北跳到25o以后,外围558线伸至河南省,呈东北西南向,其平均位置与年总辐射量低值带大体一致。由于副高西北边缘,常有西南气流带来充沛的暖湿空气与随西风带东移的低槽带来的冷空气相遇,加上伏牛山、太行山的抬升作用,使山地的迎风面和山前丘陵平原地带的云量增多,特别是低云量增多,日照减少,总辐射受到削弱,因而形成低值带,而豫东平原和豫西山地,或由于副高控制或由于副高西北边缘到达的机会较少,因而云量较少,日照相对较多,形成年总辐射量高值带(区)。除了上述总的分布形势外,在河南东部地区还有三个范围较小的低值区。一是大别一一桐怕山南坡低值区,年总量为110一114千卡,这与迎风坡的位置和山地对暖湿气流的抬升作用密切相关。二是夏邑低值区,年总量为114一115千卡,这是由于夏季特别是七月,黄河类气旋路经该地,受邻近残丘地形影响,移速减缓,造成降水较多,使总辐射受到削弱所致。三是上蔡低值区,年总量为115千卡左右,与这一带有相当大的水面,低云量较多密切相关。太阳总辐射量具有明显的季节变化。12月至2月的冬季月份,全省月总辐射量最少。12月是全年各月中总辐射量最少的月份,月总量在5.0一6.5千卡之间。从3月份起,月总辐射量明显增加,中北部尤甚。4月份总辐射量为9.6一11.4千卡,比12月份增多4一5千卡。夏季月份〔6一8月〕虽然大气湿度大,云量较多,但由于天文辐射量大,总辐射量仍有增加,总辐射最高月值就出现在这一季节(北部出现在6月,南部出现在7月)。7月份总辐射量在11.7一14.6千卡之间,比4月份增加2一4千卡,南部增加的幅度较大。9月份以后,月总辐射量逐渐减少。10月总辐射量在7.9一9.8千卡之间,比7月份减少3一4千卡。太行山前丘陵平原和豫西黄土丘陵山地,由于秋雨相对较多,加上天文辐射量较少,因而10月份总辐射量减少最多。例如,豫北的安阳和豫西的灵宝10月份辐射量比7月份分别减少4.6千卡和5.5千卡。总之,河南各地太阳总辐射量是夏季最大,春秋季居中,冬季最小。代表站的月平均太阳总辐射的具体量值可参见表。各月总辐射量的分布形势虽随季节而有变化,但基本形势仍与年总辐射的分布相似。河南省的太阳能资源及其利用区划表1河南四个日射站月、年平均太阳总辐射量(千卡/厘米2)站名安阳郑州郾城固始年代1960-19771958-19771962-19771961-19771月5.896.306.416.532月6.737.006.876.853月9.709.689.709.524月10.9510.6910.6010.545月14.0413.3413.2013.176月13.9214.0414.6114.447月12.5512.6513.7614.598月11.4111.8713.0014.039月9.649.569.649.9610月7.968.198.649.2611月5.796.156.506.9412月5.275.795.906.05全年113.85115.27118.83121.89（二）日照时数日照时数是表征太阳总辐射可利用性的重要指标。由图看出,全省年日照时数在1953~2644小时之间,南乐站最多（2644小时）,鸡公山站最少（1953小时）。2200小时等值线自东而西大致穿过沙颖河与洪河,沿伏牛山北麓通过,豫东北部和豫中部形成两个明显的高值区,全年日照时数超过2300小时,高于2500小时的台站有11个（南乐、淮阳、内黄、清丰、安阳、汲县、延津、商丘、兰考、温县、武涉）,形成高值中心。沙颖河和伏牛山以南为日照时数低值区,年日照时数低于2200小时,低于2200小时的站有个（内乡、南召、光山和鸡公山）,形低似中心。日照时数的季节变化比较明显。由表2看出,夏季各月日照时数日均值最大,年中最大值月出现于这个季节,北部和中部出现于6月,日均值可达9小时,南部出现在7月或8月,日均值为7一8小时。冬季各月日均值最小,12月或1月是全年的最小值月,此时北部日均值为5一6小时,南部为4一5小时。春秋季的日均值居中。除豫东南地区由于春雨较多,致使4月份的日照时数偏少,其日均值稍小于10月外,其余广大大地区春季日照时数均多于秋季,4月份的日均值大于10月。由图3看出,自北而南各月日照时数日平均值是逐渐减小的。位于豫北的濮阳,各月日照时数的日均值比位于大别山的新县要大得多,特别是3一6月份,蹼阳日均值比新县多2一3小时,这显示出豫北的太阳能利用条件要比像南优越得多。（三）太阳总辐射与日照时数在分布上的差异及其原因比较图1与图2,可以看出年总辐射址与年日照时数在分布上既有联系又有区别。在河南省西部地区年总辐射量与年日照时数是同步的,两者都是北高南低。东部地区两者的关系比较复杂,主要是太行山东麓丘陵平原和黄河沿岸的年日照时数比淮北二平原、大别山北麓丘陵平原多一小时,而年总辐射量反而低7一9千卡。这是因为日照时数和日照百分率是影响总辐射量的重要因素,但不是唯一因素。影响总辐射量的因索除日照条件外,还有天文辐射量和反映云量、云状和大气透明度状况的a、b值。发生上述不同步的原因是:天文辐射量的差异—例如,安阳(位于豫北)的天文辐射量比固始(位于豫东南)少12千卡/厘米2,·年。大气透明度的不同—豫北和豫中冬春季节多风沙,特别是郑州至开封的黄河沿岸地区更是如此,使这些地区大气透明度差,总辐射因而减少。(3)日照百分率季节分配情况的差别一安阳、郑州虽然年日照时数多,日照百分率也较高,但7一8月的日照百分率,安阳比固始少1一3%,而7一8月的总辐射量占年总辐射最的21%以上,仅这两个月,安阳就比固始少2一4千卡。正是由于上述因素的综合作用,使太行山东麓丘陵平原和黄河沿岸虽日照时数多,但总辐射量较少；淮北平原和大别山北麓丘陵平原日照时数少,而总辐射量却较多。基于以上情况,我们认为太阳总辐射量是表征一地太阳能资源多少的最基本的指标,而月照时数则是表征一池太阳能资源利用条件的贡要指标。二、太阳能资源利用区划河南省太阳能利用的潜力是很大的。平均而言,我省太阳总辐射量为115千卡/厘米·年,如果我们把投射到全省16.7万平方公里而积上的这些辐射能完全利用并按10%的效率折算的话,就等于一年内可获得236221亿瓦·小时的电力,这个数值为我省煤炭探明储量、按上述效率折算的可能发电量的1.4倍,为目前全省年发电总量的1135倍。可见从长远观点来看,我省太阳能资源是一种具有巨大潜力并有很大经济价值的能源。但是太阳能资源分布具有明显的地域差异,其利用条件也很不相同,要想充分利用太阳能资源，需要进行利用区划。在太阳能利用中,首先要考虑太阳能资源的丰富程度,其次要考虑其利用条件（如日照、温度和风速等条件）,因此利用区划系统是多级的。（一）第一级区划第一级区划任务主要是反映太阳能资源的丰富程度,区划单位为地区,划分的主要指标是太阳总辐射年总量,并考虑区域单位的完整性。河南太阳总辐射年总量在107一124千卡之间,从全国范围来看,处于资源较丰和资源2即≧118千卡为太阳能资源较丰地区,<118千卡为资源较贫地区。这不仅比较符合河南省太阳能资源分布特点(图1),而且也大致反映资源利用的经济价值。例如水平放置的一平方米集热器,在资源较丰地区一天大约可获得一市斤好煤的热量,而在资源较贫地区则达不到这个数值。河南省≧118千卡的地区并不连续,明显地分裂为三大块(图1),根据区域单位连续性原理,应划分为三个地区,连同一个资源较贫地区,共分出四个地区(图4),即Ⅰ豫东北资源较丰地区,Ⅱ豫东南资源较丰地区Ⅲ豫西北资源较丰地区Ⅳ豫北一豫西南资源较贫地区(二)第二级区划第二级区划任务主要反映太阳能资源的利用条件,区划单位是区。太阳能资源利用的条件是很多的,但最基本的是日照条件,它直接影响太阳能资源的可利用性和效率。由于云雾等天气现象阻挡了太阳直射光线,每天实际日照时数的原始数据是不连续系列,使光热、光电效应的效率大为降低。在不连续系列的情况下,每天必须有较多的日照时数才有利用价值。根据试验,一天内如有6小时以上的日照时间,通常认为这一天的太阳能资源在生产2全省117个站各月日照时数的日平均值。显然,如果某月日照时数的日平均值》6小时,说明该月有一半左右的天数有6小时以上的日照时间,则该月太阳能资源利用条件较好反之,某月日照时数日平均值小时。说明该月有一半左右的天数不足小时,则该月太阳能资源利用条件较差。就全年各月而论,某地日照时数日平均值》小时的月数愈多,则该地太阳能资源利用条件愈好反之愈差。根据日照时数日平均值6≧小时的月数,用条件可分为四级,其如表3所示。据此,我们以各月日照时数日平均值数作为二级区划单位―――区的主要划分指标。太阳能资源利6≧小时的月河南各月日照时数日平均值存在着明显的季节变化和区域差异,其特点是:各地日平均值的年内变化基本上呈单峰型,中北部地区6月最大,12月最小。南部地区7月或8月最大,1月最小(表2)。(2)日照时数日平均值≧6小时的月数,自北而南逐渐减少。北部在8个月以上,中部6~7个月,南部3~5个月（图5）。（3）自北而南各月日照时数日平均值逐渐减小,北部地区高于中部,中部地区又高于南部,亦即北部地区的日照时间比南部地区长（图3）。以上特点说明全省太阳能资源利用条件具有较大差异。就季节而论,夏季最好,春秋季次之,冬季最差。就地区而论,中北部条件最好或较好,南部条件一般或较差。根据以上情况并考虑区域单位的连续性,全省可划分出12个二级区。各区的范围和特点见图4和表4。可以看出,淮阳一商丘区（Ⅰ1）、尉氏区（Ⅱ1）、沁阳区（Ⅲ1）,的年总辐射量大于118千卡,每年各月日照时数日平均值大于6小时的月数达到个月以上,是河南省太阳能资源利用条件最好的地区。豫东南的新县、光山（Ⅳ5）,无论是年总辐射量还是日照时数日平均值都是条件较差的地区。显而易见,同样的太阳能利用设备,在利用条件最好或较好的地区将得到较高的经济效益,而在利用条件较差的地区,则经济效益较差。在试验和推广太阳能利用设备时,应该充分考虑这种情况。主要参考文献1）李克煌,河南太阳总辐射的计算和分布特征,河南师大学报自然科学版,年第期2）王炳忠,中国太阳能资源利用区划,太阳能学报年第期。