甘肅省武威市涼州區太陽能資源評估及Meteonorm數據適應性分析

王重洋，弓 衛，王 帥

（陜西省水利電力勘測設計研究院,陜西 西安 710000）

0 引言

甘肅省各地年日照時數在1700 h～3320 h之間,自西北向東南逐漸減少。河西走廊西部年日照時數在3200 h以上；隴南南部,在1800 h以下；其余地區在2000 h～3000 h之間。因此,甘肅省氣候資源豐富,太陽能資源可開發利用程度較高。

甘肅省地處青藏高原、黃土高原和內蒙古高原的交匯區域。如圖1所示,甘肅行政區域整體形狀呈狹長狀,氣候特點：南部主要為亞熱帶季風氣候、中部主要為溫帶季風氣候和溫帶大陸性干旱氣候、北部主要為高原山地氣候。根據甘肅省氣象臺站分布及觀測范圍,甘肅區域內有輻射觀測資料的氣象站僅有6 個,分別是敦煌氣象站、酒泉氣象站、民勤氣象站、西峰氣象站、榆中氣象站和蘭州氣象站。因此區域太陽輻射觀測站較為稀少,僅依賴實測數據分析太陽資源空間分布特征并不全面。

圖1 甘肅省太陽能資源分布圖

本文利用最新氣象站實測數據資料和經驗方法對甘肅武威涼州區太陽能資源進行分析,同時判斷Meteonorm數據在該地區的適用性,并對兩種數據展開對比分析研究。

1 資料與方法

1.1 資料

（1）距離涼州區最近的具有太陽輻射量觀測業務的是民勤氣象站,直線距離約60 km。而距離涼州區最近,且緯度、海拔較為接近的除輻射以外的其他氣象數據觀測氣象站為武威氣象站,直線距離約25 km。武威氣象站海拔高度、緯度與涼州區較為一致,因此選擇武威氣象站為參證氣象站。

（2）本次收集到為民勤氣象站1989 年～2018 年水平面總輻射、日照時數和日照百分率月數據,以及武威氣象站1989年～2018年的日照時數和日照百分率月數據。

（3）使用涼州區域的Meteonorm數據,Meteonorm由Meteotest開發的廣泛應用于能源行業氣象軟件,其數據源來自世界氣象組織（WMO/OMM）、全球能量平衡檔案館（GBEA）和瑞士氣象局等權威機構,共包含全球7750 個氣象站輻射數據。該軟件數據庫收錄了我國98 個氣象輻射觀測站中的大部分站點數據。Meteonorm8.0 最新氣象數據主要來源為全球能量平衡檔案館20年（1991年～2010年）數據,但是目前國內除北京以外,大部分地面氣象站的數據更新非常慢或者已經不更新,所以國內可用的仍是以1991 年～2010 年的數據為主[2]。

1.2 分析方法

根據《太陽能資源評估方法》（GB/T 37526-2019）,在統計民勤站和武威站相關參數基礎上,利用已知民勤站1989年～2018年太陽總輻射量通過經驗關系計算武威氣象站太陽總輻射量值,具體步驟如下：

1）地外法向太陽輻照度EDNI

式中：EDNI代表地外法向太陽輻照度,W/m2；E0代表太陽常數,一般取值為1366.1 W/m2；n代表積日,計算日期在一年當中的序數。

2）地外水平面太陽輻照量

式中：EDRd代表日地外水平面太陽輻照量,MJ/m2；代表落日時刻的時角,（°）。

式中：φ代表緯度,（°）,-90°≤φ≤90°；δ代表太陽赤緯角,（°）,-23.45°≤δ≤23.45°。

月地外水平面太陽輻射量EHRm可將當月日輻照量累計求和得到。

3）月太陽總輻射量計算

式中：GHRm代表月水平面總輻照量,MJ/m2；a、b代表經驗系數,選取距離參證站最近的具有輻射觀測業務的國家氣象站實測數據,按照（5）式計算得到。

系數a、b的確定：

月水平面總輻射量經驗公式系數a、b的計算方法選取距離參證站最近的具有輻射觀測業務的國家氣象站數據作為計算參考。依據該處氣象站多年水平總輻射和月日照百分率,計算系數a和b,見下式：

通過計算得到武威站的輻射數據。

表1 經驗公式推算的武威站1989年～2018年多年月平均輻射量 單位：MJ/m2

圖2 為推算得到的武威氣象站輻射與民勤氣象站輻射數據對比直方圖。

圖2 武威氣象站輻射與民勤氣象站輻射數據對比直方圖

對比武威站點處meteonorm8.0 數據與氣候學推算結果可見（見表2）,meteonorm8.0 數據呈明顯偏高特征,累年平均太陽總輻射量相比于氣候學推算值偏大6.17%,各月偏差在2.65%～10.91%之間浮動。同時,考慮到meteonorm8.0 數據為臺站數據和衛星數據插值得到,插值數據時間為1991 年～2000年,而氣候學推算使用數據時間序列為1989年～2018年,且武威氣象站距離涼州區27 km屬于同一氣候區,地形簡單,后者更具有代表性。因此,建議采用推算所得的武威氣象站輻射數據分析涼州區輻射[3]。

表2 武威氣象站點處Meteonorm8.0數據與氣候學推算數據對比表 單位：MJ/m2

2 太陽能輻射資源分析

（1）日照時數和日照百分率

1989年～2018年武威氣象站年平均日照小時數為2909.2 h,近30年日照時數呈現微弱減小的趨勢,最低值出現在2018年,為2654.9 h；最高值出現在1997 年,為3255.3 h。

酒泉站的日照百分率年際變化與日照時數年際變化趨勢基本一致,近30年逐漸減少,最低值出現在2017 年,最高值出現在1990年,日照百分率處于60%～74%之間。

武威氣象站日照時數的年內變化可以看出,日照時數在5月達峰值,最小值出現在12 月。1989 年～2018 年期間平均最大日照時數為277.9 h,最小為214.2 h。

武威氣象站1989年～2018年期間全年平均日照百分率為70.4%,日照百分率在10月最高,為77.2%,在7月最低,為58.8%。

（2）太陽總輻射量

根據民勤氣象站輻射、日照百分率觀測資料及武威氣象站的日照百分率數據,推算得到武威氣象站的總輻射量。武威氣象站年平均太陽輻射量為5862.35 MJ/m2,最低值出現在2018 年,最高值出現在1997 年。武威氣象站太陽輻射的年變化較大,其數值在286.0 MJ/m2～675.1 MJ/m2之間,月總輻射在5月達最高值,6月、7月和8月略小于5 月,冬季12月為最小值。

3 太陽能資源綜合評價結論

參照《太陽能資源評估方法》（GB/T 37526-2019）中相關規定,涼州區平均太陽輻射量為5862.4 MJ/m2,資源等級為很豐富（B級）；水平面總輻射穩定度GHRS為0.4236,穩定度等級一般（B級）；涼州區太陽能資源直射比（DHRR）為0.6327,直射比等級為很高（A級）。綜合考慮,該地區適宜太陽能資源開發[1]。

4 結語

（1）在武威地區,meteonorm8.0輻射數據整體數值明顯偏大,直接應用需慎重。

（2）因甘肅全省具有太陽輻射觀測業務的氣象站點較少,空間占有率極低,多數學者雖然采用各類方法估算太陽能資源,但任何評估方法均存在部分不足,其可靠性有待進一步驗證。因此,一方面,有必要通過方法效果檢驗增強評估結論的準確性和精細度；另一方面,需增加觀測站點,通過大量數據積累,修正優化評估結果,這對于太陽能資源的合理開發利用有重要作用。