內蒙古赤峰市太陽能資源評估與開發潛力分析

王志春，張新龍，苑 俐，吳亞娟，史玉嚴

（赤峰市氣象局，內蒙古 赤峰 024000）

隨著化石能源供應的日趨緊張，及其引發的氣候變化、環境污染壓力，清潔能源的開發利用已成為當前能源發展的重要途徑。太陽能作為一種最有潛力的可再生能源，以其優質的資源屬性，受到了全球的關注，開發利用太陽能被認為是一種解決全球能源危機與氣候問題的有效途徑，各國紛紛加大了對太陽能資源的開發利用[1]。未來，以太陽能為主的可再生能源必將成為世界能源消費的主導，也必將成為我國未來戰略能源之一。要開發利用太陽能資源，首先需要對當地的太陽能資源儲量和可利用程度進行評估。由于我國太陽輻射觀測站稀少，對于某地太陽輻射量的計算，左大康[2]、翁篤鳴[3]、王炳忠[4]、祝昌漢[5-6]、孫治安[7]等學者均采用了氣候學計算方法，取得了較好的效果，成為目前太陽能評估普遍采用的方法。

隨著清潔能源開發利用越來越受重視，諸多學者對太陽能資源進行了深入研究。李柯等[8]對中國陸地太陽能資源開發潛力進行了區域分析，結果表明，內蒙古中西部地區太陽能資源非常豐富，東北部地區相對偏弱。近年來，針對內蒙古太陽能資源方面的研究頗多[9-11]，均將內蒙古太陽能資源的時空分布特征作為研究的重點，同時，馬玉峰等[9]還研究了太陽總輻射的氣候學計算方法，彭軍[11]對光伏發電開發的可行性進行了分析。另外，張立春[12]、王彥平[13]等分別針對通遼市、呼倫貝爾市的太陽能資源進行了可利用性和區劃研究。

以往對太陽能資源的評估，大多是對其儲量和穩定度的時空分布特征進行分析[8-14]，沒有綜合考慮地形地勢、土地利用類型等環境條件對太陽能資源開發潛力的影響。內蒙古自治區是全國能源大區，太陽能資源極為豐富，居全國第二位，赤峰市屬于較豐富的二類地區，太陽能利用有著巨大的潛力[15]，截至目前，光伏電站的裝機容量已接近500 MW，主要位于翁牛特旗和敖漢旗，規模較大光伏電站分布見圖1。本文以作為內蒙古實施光伏發電重點地區的赤峰市為例，基于地形條件對太陽能資源開發潛力進行分析，以期為當地的能源布局及轉型發展提供參考。

1 研究區概況

赤峰市地處蒙古高原到遼河平原的過渡帶，地形以丘陵、山地為主，地勢起伏大，海拔高度在255~2 061 m，高海拔地區分別為北部的大興安嶺余脈和西南部的七老圖山脈，翁牛特旗東部和阿魯科爾沁旗南部海拔較低，在500 m以下（圖1）。赤峰市無太陽輻射觀測站，錫林浩特輻射站位于赤峰市的西部稍偏北，所處緯度與赤峰市相當，因此用錫林浩特站的資料來確定輻射與日照的經驗系數。

圖1 研究區地形及氣象站點分布

2 資料與方法

2.1 資料來源

赤峰市14個國家氣象觀測站1986—2015年逐日日照時數資料，錫林浩特站1986—2019年逐日日照時數和太陽輻射資料，來源于中國氣象科學數據共享服務網。90 m×90 m數字高程（DEM），來自于美國航天飛機雷達地形測繪任務（Shuttle Radar Topography Mission，SRTM）。1：250 000行政區劃及土地利用類型數據，來源于國家基礎地理信息中心。

2.2 計算方法

2.2.1 太陽能資源計算

采用當前最為通用的氣候學方法，建立太陽總輻射與日照的關系模型，計算方法[16-19]為：

式中，Q是到達地面的太陽總輻射（MJ/m2），Q0為地外天文總輻射（MJ/m2），S為日照百分率（%），a、b為各月經驗系數，通過最小二乘法擬合求得。

FAO推薦溫帶地區a=0.18，b=0.55[20]，錫林浩特站擬合的a、b值見表1，可以看出兩者的差距很大。

表1 錫林浩特站擬合的各月a、b值及決定系數

采用FAO推薦的系數和擬合的系數，分別計算錫林浩特站2017—2019年的年太陽輻射總量，并與實際觀測值進行對比（表2）。可以看出，采用FAO推薦系數的計算值比實測值小得多，約偏少10%，而采用擬合系數的計算值與實測相差不大，誤差在2%以內。因此，采用擬合系數推算的太陽輻射量更加精準，本文采用擬合系數作為推算當地太陽輻射量的參數值。

表2 2017—2019年錫林浩特站太陽輻射計算值與實測值的對比分析 MJ/m2

2.2.2 太陽能資源穩定度計算

太陽能資源穩定度表征的是某地太陽能資源年內波動的幅度，通常采用各月日照時數＞6 h天數的最大值與最小值之比來表示[8]。

式中，K為太陽能資源穩定度指標，無量綱；D1，D2，…D12為1—12月各月日照時數＞6 h天數，單位：d；max、min分別為求最大值、最小值的標準函數。

3 結果與分析

3.1 赤峰市太陽能資源空間分布與評估

赤峰市年太陽輻射量在5 600.78~6 262.45 MJ/m2，平均為6 025.16 MJ/m2。由圖2可見，不同地區間太陽能資源差異顯著，其中阿魯科爾沁旗南部、巴林左旗南部、巴林右旗東南部、克什克騰旗東南部、翁牛特旗、松山區、敖漢旗，太陽輻射量超過了6 000 MJ/m2。根據《太陽能資源評估方法》（GB/T 37526—2019）[21]中的太陽能資源等級劃分標準，赤峰市年太陽總輻射量均高于5 040 MJ/m2，是太陽能資源很豐富區。

圖2 赤峰市太陽能資源儲量空間分布

3.2 赤峰市太陽能穩定程度評估

采用公式（2）計算赤峰市太陽能資源穩定程度并空間化（圖3），得出所有地區K值均在2以內，太陽能資源均達到了穩定等級。相對而言，東南部地區的穩定程度更高。

圖3 赤峰市太陽能資源穩定度空間分布

4 基于地形的太陽能資源開發適宜性區劃

上述太陽能資源評估主要從資源儲量的空間分布上進行分析的，而在實際的太陽能資源開發利用中，需要綜合考慮獲取太陽能資源的可能性和難易程度[22-25]。本研究主要考慮不同地形（坡度、坡向）對地表接收太陽輻射量的影響，不涉及交通等非自然因素。太陽能資源開發中應遵循坡向優先于坡度，陽坡、平坡優先的原則，在充分保證接收太陽輻射最大化的同時，降低開發成本。坡度的等級界定標準參考《水土保持綜合治理規劃通則》（GB/T 15772-1995）[26]。將太陽能資源的可利用程度劃分為4個等級（表3），Ⅰ為最適宜開發利用區，Ⅱ為次適宜開發利用區，Ⅲ為可利用開發區，Ⅳ為不適宜開發利用區。

表3 太陽能開發適宜性區劃標準

對赤峰市太陽能資源開發適宜性進行區劃，結果如圖4所示。Ⅰ、Ⅱ類主要分布在阿魯科爾沁旗南部、巴林左旗東南部、巴林右旗南部、克什克騰旗西部、翁牛特旗中東部、松山區中東部、元寶山區、喀喇沁旗東部、寧城縣東部和敖漢旗中北部，這些地勢平坦且坡向多為偏南或偏東南向的地區；Ⅲ、Ⅳ類主要分布在北部的大興安嶺余脈，西南部的七老圖山和敖漢旗南部的努魯爾虎山地區，這些地區地勢起伏大且坡向不佳。

圖4 赤峰市太陽能資源開發適宜性區劃

統計赤峰市太陽能4個開發適宜性分區的面積及比例（表4），最適宜開發的Ⅰ類區面積約3.2×104km2，占35.4%，Ⅱ類次適宜開發面積約3.7×104km2，占41.4%，Ⅲ、Ⅳ類分別占19.1%和4.1%。Ⅰ、Ⅱ類共計占76.8%，因此，從地形地勢方面比較，赤峰市是適宜太陽能開發的。

表4 赤峰市太陽能開發適宜性分區統計

5 基于土地利用類型太陽資源開發利用潛力評估

赤峰市大部地區適宜太陽能資源開發，但建設光伏電站需要布設大面積的太陽能電板，土地利用類型對其限制較大，因此，需要結合不同土地利用類型來分析太陽能資源的開發利用潛力[27-29]。

將土地利用類型歸為6大類：耕地（水澆地、水田、旱地、其它農業用地）、草地、林地、水域（河流、湖泊、庫塘）、城鎮用地（建筑、人類活動用地、交通路網）、裸地。將土地利用類型與太陽能開發適宜性分區進行疊加分析，來評估太陽能開發潛力。

統計不同開發適宜性分區的土地利用類型比例（表5），Ⅰ、Ⅱ類地區中草地所占比例最高，分別為20.3%和25.0%，次之為耕地和裸地，耕地保護不能觸碰，裸地適合開發，草地和裸地共計在Ⅰ類地區占26.4%、在Ⅱ類地區占30.7%。因此，赤峰市太陽能開發潛力巨大。

表5 赤峰市太陽能各等級開發適宜性分區在不同土地利用類型中所占面積比例/%

6 結論與討論

6.1 結論

赤峰市年總輻射量均在5 600 MJ/m2以上，屬于太陽能資源很豐富區，最高值達6 262.45 MJ/m2，接近了太陽能儲量的最高等級。赤峰市地處大陸性季風氣候區，陰雨天氣少，日照充足，太陽輻射穩定。基于地形的太陽能資源開發適宜性區劃結果表明，Ⅱ類次適宜開發面積最大，高達41.4%，Ⅰ類最適宜和Ⅱ類次適宜開發的總面積占赤峰市面積的76.8%，因此，從地形地勢方面比較，赤峰市是適宜太陽能開發的。從開發建設成本、耕地及生態環境保護方面分析，草地和裸地受太陽能設施的影響最小，比較適合太陽能開發建設，疊加開發適宜性分區進行分析，Ⅰ、Ⅱ類地區中草地和裸地所占面積比例分別達26.4%和30.7%，因此，赤峰市太陽能資源開發利用潛力巨大。

6.2 討論

由于太陽輻射觀測站較少，一般需要應用其它常規觀測的氣象要素，通過構建與輻射量的相關推算模型，來增加太陽能評估數據點的密度。在選擇輻射觀測代表站時，需要遵循以下三點：一是地理位置與推算站點距離盡可能近；二是氣候類型相同；三是與所推算站點在相同的緯度帶內。滿足以上三點，就能保證推算模型的適用性。

在進行太陽能資源精細化評估時，空間插值方法（模型）直接關系到插值結果的準確性。大多數氣象要素與地理信息具有顯著的相關性，可以通過回歸分析來構建空間插值模型，而太陽輻射采用回歸分析大都不能通過檢驗。另外，常用的地統計插值方法，如克里金法、反距離權重法、徑向基函數法等[30]，不能引入地形因素參與插值，因此不能很好地體現地形對太陽能資源的影響。本文所選用的薄盤樣條插值方法[31]，可以引入地形作為協變量參與空間插值，從而能夠更加客觀地表達太陽能資源的空間分布特征，由圖2可以清晰地看出，地形因素對太陽能資源分布的影響，特別在赤峰市西部和北部的多山地區尤為顯著。

在太陽能資源開發適宜性區劃分析時，僅考慮了坡度和坡向2個因素，受局部地形的影響，適宜區可能受附近高大山體的遮蔽而變得不再適宜。因此，在實際太陽能開發選址時，應綜合考慮大地形、局部地形、交通條件、建設成本等因素。目前，赤峰市光伏發電新建項目均要求建在荒漠區、采煤沉陷區、露天煤礦排土場等地類上，同時優先支持光伏和儲能項目建設。