ABSTRACT

Based on the meteorological data of total solar radiation and sunshine duration from 1998 to 2017 from Hami National Reference Climatological Station, the temporal and spatial distribution characteristics of solar radiation in Hami are analyzed by various statistical methods, and the solar energy resources in Hami are evaluated from the aspects of solar energy resource abundance, stability, available value and optimal utilization period. The results show that the average solar radiation in Hami in the past 20 years is 6105.47 MJ/m², which varies greatly from year to year. The average sunshine duration was 3424.5 h, showing a significant growth trend. The total radiation and sunshine duration are the maximum in May and the minimum in December. Hami has good solar energy resource and belongs to abundance belt in resource. The solar energy resource is stable, the average number of daily sunshine duration more than 6 hours is 326 d, and the solar energy utilization value is very high. The best utilization period is 9~17 o’clock every day. Except for the relatively short sunshine hours in the morning of November-December, the rest time is the best utilization period throughout the year.

Keywords:Hami, Solar Radiation, Sunshine Duration, Solar Energy Resource

哈密市太阳能资源评估

魏哲花，冯广麟

哈密市气象局，新疆 哈密

收稿日期：2019年2月16日；录用日期：2019年3月1日；发布日期：2019年3月8日

摘 要

利用哈密市国家基准气候观测站1998~2017年太阳总辐射和日照时数气象资料，通过采用多种统计方法，对哈密市太阳辐射时空分布特征进行了分析，并从太阳能资源丰富度、稳定性、可利用价值、最佳利用时段等方面对哈密市太阳能资源情况进行评估。结果表明：哈密市近20 a年平均太阳辐射量为6105.47 MJ/m²，年际变化较大；平均日照时数为3424.5 h，呈显著增长趋势。总辐射和日照时数均为5月份最大，12月份最小；哈密市具有较好的太阳能资源，属于资源很丰富带；太阳能资源稳定；年日照时数大于6小时天数平均为326 d，太阳能利用价值很高；每日9~17时为最佳利用时段，全年中除了11~12月上午日照时数相对偏短之外，其它时间均为最佳利用时段。

关键词 :哈密，太阳辐射，日照时数，太阳能资源

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1. 引言

新疆太阳能资源十分丰富，年日照时间较长，日照百分率为60%~80%，全疆日照6 h以上的天数在 250~325天。新疆水平表面年太阳辐射总量为5000.7 MJ/m²~6500.7 MJ/m²，年平均值为5800.7 MJ/m²，年总辐射量比同纬度地区高10%~15%。哈密市地处新疆维吾尔自治区最东部，地跨天山南北。地理坐标为东经91˚06'33''~96˚23'00''，北纬40˚52'47''~45˚05'33''，平均海拔2692.1 m。哈密市属典型的温带大陆性干旱气候，干燥少雨，晴天多，日照充足，为全国光能资源丰富地区之一。近年来，新疆气象工作者对太阳能资源有较多论述，如阿帕尔等 [1] 对昌吉市太阳总辐射进行了气候学计算，杨勇等 [2] 对博州地区太阳能资源进行了分析评估，杜军剑 [3] 分析了和静县山区及平原地区太阳总辐射变化特征等。但针对哈密市太阳能资源评估方面的研究较少。由于哈密市太阳能资源丰富，现已成为国家级重要能源基地，大力发展光热发电，将有效地改善能源结构，增加可再生能源的比例，优化电力系统电源结构，对实现该区域经济的可持续发展，具有重要作用。因此，研究哈密区域太阳辐射强度变化特征，分析、评估太阳能资源利用价值，为光热发电设计提供科学的数据支撑，对太阳能资源充分利用具有重要意义。

2. 资料来源和方法

哈密市现有太阳辐射观测项目的气象站是哈密市国家基准气候观测站，为二级站，观测项目有太阳总辐射、净辐射。此站建站时间长，气象条件无根本变化，气象资料经过气象业务主管部门严格质量控制，数据完整，符合一致性和可靠性要求。本文选取1998~2017年近20 a逐年、月、日太阳辐射和日照观测资料进行统计，分析时空分布特征；同时利用线性气候倾向率，分析总辐射量和日照时数变化趋势及空间分布特征；用Mann-Kendall方法 [4] 对近20a总辐射量和日照时数时间序列进行突变检验。

3. 太阳辐射和日照时数分析

3.1. 太阳辐射年际变化

哈密市近20 a年平均太阳总辐射量为6105.47 MJ/m²，年际变化如图1所示。其数值5431.6 MJ/m²~7138.6 MJ/m²之间变化，年际变化比较大；最大值出现在2006年，达到7138.63 MJ/m²；最小值出现在2012年，为5431.6 MJ/m²。由图2可以看出，太阳总辐射自2006年起呈现显著下降趋势，下降趋势的突变年份为2006年，2010年下降趋势突破0.05的显著性检验。

图1. 哈密市太阳总辐射变化曲线

图2. 哈密市太阳总辐射M-K检验

3.2. 太阳辐射月际变化

20a间哈密太阳辐射的月际变化较大(如图3所示)，其数值在158.85 MJ/m²~986.78 MJ/m²之间，最大值出现在2016年6月，为986.78 MJ/m²，最小值出现在2000年12月，为158.85 MJ/m²；多数时间(3月~9月)处于高值区，均在470 MJ/m²以上；1月、2月、11月和12月较小，其值均在300 MJ/m²以下。如图3所示，月均总辐射年内分布呈单峰式分布，月总辐射量从3月份开始快速增加，至5月达最大，为769.75 MJ/m²；8月以后开始迅速下降，到冬季的12月达到最小值，为199.44 MJ/m²。

3.3. 日照时数年际变化分析

近20 a年来哈密市平均日照时数为3424.6 h，1998年日照最少为3154.4 h，2009年最多为3672.9 h，极差(最多与最少年之差)为518.5 h。从近20 a日照时数年际变化趋势来看(如图4所示)，哈密市年日照时数呈增长趋势，增速为13.391/10a。由图5可知，从2000年起，日照时数有明显的增长趋势，到2002年增长趋势超过了0.05显著性临界线，直到2006年这种增长趋势甚至已经超过了0.001显著性水平，这充分表明哈密市日照时数的增长趋势是十分显著的。根据UF和UB的交点位置可以看出，哈密市日照时数增长突变发生在2000年，此后一直保持增多趋势。

图3. 哈密市逐月平均太阳总辐射变化情况(MJ/m²)

图4. 哈密日照时数变化曲线(h)

图5. 哈密市日照时数M-K检验

3.4. 日照时数月际变化和季节变化分析

从近20a的日照时数月平均值来看，最大值为5月，日照时数356.6 h；最小值为12月，日照时数195.2 h。由图6可见，月变化呈单峰型分布。从日照时数的四季分布来看，夏季日照时数占全年比例的30.4%，冬季最少，占18.3%；春秋两季所占比例相差不大，分别为24.5%和26.8%。

图6. 哈密市日照时数月变化曲线

4. 太阳能资源评估

4.1. 太阳能资源丰富度评估

根据1998~2017年太阳辐射观测资料统计，哈密市近20a平均总辐射量为6105.47 MJ/m²。根据《太阳能资源等级——总辐射》等级划分标准(表1) [5] ，当地太阳能资源属于B类“很丰富带”。

表1. 太阳能资源丰富度等级

4.2. 太阳能资源稳定程度评估

太阳能资源稳定程度用各月的日照时数大于6小时的最大值与最小值的比值表示，见下面公式，其等级见表2。

$K=\frac{\max \left({\text{Day}}_1,{\text{Day}}_2,\cdots ,{\text{Day}}_{12}\right)}{\min \left({\text{Day}}_1,{\text{Day}}_2,\cdots ,{\text{Day}}_{12}\right)}$

式中，K为太阳能资源稳定指标，无量纲数； ${\text{Day}}_1,{\text{Day}}_2,\cdots ,{\text{Day}}_{12}$ 为1至12月各月日照时数大于6小时天数，单位为天(d)；max( )、min( )分别是求最大值和最小值的函数。该项指标是太阳能资源评估的重要指标之一，该值越小说明该地区日照越充裕、越稳定，受天气变化影响越小，越有利于太阳能资源的开发利用。

表2. 太阳能资源稳定程度等级

根据以上公式计算得出哈密各月太阳稳定度K值(表3)，哈密市平均K值为1.4，各月的K值均<2，这表明哈密市太阳能资源稳定，非常适宜太阳能资源开发利用。

表3. 哈密市各月K值

4.3. 太阳能利用价值的评估

在太阳能利用价值的评估中，一般认为若单日日照时数小于6 h，太阳能就不具有利用价值。经统计得出(如图7所示)，近20 a来哈密市年日照时数大于6小时天数平均为326天，在305~349 d区间变化，呈增加趋势；2011年日照时数大于6小时天数最多，为349 d；1998年天数最少，为305 d。因此，太阳能可利用天数多，有很高的利于价值。

图7. 哈密市年日照时数大于6小时天数变化曲线

4.4. 太阳能资源日最佳利用时段评估

根据太阳能资源评估行标，利用太阳能日变化的特征作为指标，评估太阳能资源日变化规律。以当地正太阳时9~10时的年平均日照时数作为上午日照情况的代表，以正太阳时11~13时的年平均日照时数作为中午日照情况的代表，以正太阳时14~15时的年平均日照时数作为下午日照情况的代表。哪一段时期的年平均日照时数长，则表示该段时间是一天中最有利太阳能资源利用的时段。

统计近20a哈密市各月逐时日照时数，哈密市正太阳时年平均日照时数上午时段为0.79 h，中午时段和下午时段平均日照时数均为0.89 h。如图8所示，全天中9时~17时均为可利用最佳时段。从各月分布来看(如图9)，除11~12月上午日照时数相对偏少之外，其它月份白天太阳能资源均为最佳利用时段。

5. 结论和讨论

1) 哈密市近20 a年平均太阳辐射量为6105.47 MJ/m²，年际变化较大，自2006年起出现突变性下降趋势，2010年下降趋势达到显著。平均日照时数为3424.5 h，2000年起出现突变性增长趋势，2002年增长趋势达到显著。太阳总辐射和日照时数在月际变化中均呈单峰型分布，其值均为5月份最大，12月份最小。

图8. 哈密市平均逐时日照时数变化曲线

图9. 哈密市各月逐时日照时数变化曲线

2) 哈密市具有较好的太阳能资源，属于资源很丰富带；各月太阳稳定度K值均小于2，为稳定级别；年日照时数大于6小时天数平均为326 d，太阳能利用价值很高；全天中9~17时为最佳利用时段，全年中除了11~12月上午日照时数相对偏少之外，其它月份白天太阳能资源均为最佳利用时段。

哈密市的太阳年总辐射量高于新疆平均值。从地形来看，因自西向东移动的气流到达哈密区域后，受东部祁连山所阻分为两股，一股进河西走廊，另一股经库鲁克塔克格低山区倒灌塔里木盆地，因此，哈密区域低层气流减弱，高层气流下沉，导致哈密气候干旱，晴天日数多，降水、雾、沙尘日数相对较少，云量较少，空气中水分少，以上条件保证了大气较好的透光性，能够有更多的太阳直射到达地面。因此，哈密市太阳能资源利用价值高，具有开发利用价值。

文章引用

魏哲花,冯广麟. 哈密市太阳能资源评估
Evaluation of Solar Energy Resource in Hami[J]. 气候变化研究快报, 2019, 08(02): 168-174. https://doi.org/10.12677/CCRL.2019.82019

参考文献