甘肃省武威市凉州区太阳能资源评估及Meteonorm数据适应性分析

王重洋，弓 卫，王 帅

（陕西省水利电力勘测设计研究院,陕西 西安 710000）

0 引言

甘肃省各地年日照时数在1700 h～3320 h之间,自西北向东南逐渐减少。河西走廊西部年日照时数在3200 h以上；陇南南部,在1800 h以下；其余地区在2000 h～3000 h之间。因此,甘肃省气候资源丰富,太阳能资源可开发利用程度较高。

甘肃省地处青藏高原、黄土高原和内蒙古高原的交汇区域。如图1所示,甘肃行政区域整体形状呈狭长状,气候特点：南部主要为亚热带季风气候、中部主要为温带季风气候和温带大陆性干旱气候、北部主要为高原山地气候。根据甘肃省气象台站分布及观测范围,甘肃区域内有辐射观测资料的气象站仅有6 个,分别是敦煌气象站、酒泉气象站、民勤气象站、西峰气象站、榆中气象站和兰州气象站。因此区域太阳辐射观测站较为稀少,仅依赖实测数据分析太阳资源空间分布特征并不全面。

图1 甘肃省太阳能资源分布图

本文利用最新气象站实测数据资料和经验方法对甘肃武威凉州区太阳能资源进行分析,同时判断Meteonorm数据在该地区的适用性,并对两种数据展开对比分析研究。

1 资料与方法

1.1 资料

（1）距离凉州区最近的具有太阳辐射量观测业务的是民勤气象站,直线距离约60 km。而距离凉州区最近,且纬度、海拔较为接近的除辐射以外的其他气象数据观测气象站为武威气象站,直线距离约25 km。武威气象站海拔高度、纬度与凉州区较为一致,因此选择武威气象站为参证气象站。

（2）本次收集到为民勤气象站1989 年～2018 年水平面总辐射、日照时数和日照百分率月数据,以及武威气象站1989年～2018年的日照时数和日照百分率月数据。

（3）使用凉州区域的Meteonorm数据,Meteonorm由Meteotest开发的广泛应用于能源行业气象软件,其数据源来自世界气象组织（WMO/OMM）、全球能量平衡档案馆（GBEA）和瑞士气象局等权威机构,共包含全球7750 个气象站辐射数据。该软件数据库收录了我国98 个气象辐射观测站中的大部分站点数据。Meteonorm8.0 最新气象数据主要来源为全球能量平衡档案馆20年（1991年～2010年）数据,但是目前国内除北京以外,大部分地面气象站的数据更新非常慢或者已经不更新,所以国内可用的仍是以1991 年～2010 年的数据为主[2]。

1.2 分析方法

根据《太阳能资源评估方法》（GB/T 37526-2019）,在统计民勤站和武威站相关参数基础上,利用已知民勤站1989年～2018年太阳总辐射量通过经验关系计算武威气象站太阳总辐射量值,具体步骤如下：

1）地外法向太阳辐照度EDNI

式中：EDNI代表地外法向太阳辐照度,W/m2；E0代表太阳常数,一般取值为1366.1 W/m2；n代表积日,计算日期在一年当中的序数。

2）地外水平面太阳辐照量

式中：EDRd代表日地外水平面太阳辐照量,MJ/m2；代表落日时刻的时角,（°）。

式中：φ代表纬度,（°）,-90°≤φ≤90°；δ代表太阳赤纬角,（°）,-23.45°≤δ≤23.45°。

月地外水平面太阳辐射量EHRm可将当月日辐照量累计求和得到。

3）月太阳总辐射量计算

式中：GHRm代表月水平面总辐照量,MJ/m2；a、b代表经验系数,选取距离参证站最近的具有辐射观测业务的国家气象站实测数据,按照（5）式计算得到。

系数a、b的确定：

月水平面总辐射量经验公式系数a、b的计算方法选取距离参证站最近的具有辐射观测业务的国家气象站数据作为计算参考。依据该处气象站多年水平总辐射和月日照百分率,计算系数a和b,见下式：

通过计算得到武威站的辐射数据。

表1 经验公式推算的武威站1989年～2018年多年月平均辐射量 单位：MJ/m2

图2 为推算得到的武威气象站辐射与民勤气象站辐射数据对比直方图。

图2 武威气象站辐射与民勤气象站辐射数据对比直方图

对比武威站点处meteonorm8.0 数据与气候学推算结果可见（见表2）,meteonorm8.0 数据呈明显偏高特征,累年平均太阳总辐射量相比于气候学推算值偏大6.17%,各月偏差在2.65%～10.91%之间浮动。同时,考虑到meteonorm8.0 数据为台站数据和卫星数据插值得到,插值数据时间为1991 年～2000年,而气候学推算使用数据时间序列为1989年～2018年,且武威气象站距离凉州区27 km属于同一气候区,地形简单,后者更具有代表性。因此,建议采用推算所得的武威气象站辐射数据分析凉州区辐射[3]。

表2 武威气象站点处Meteonorm8.0数据与气候学推算数据对比表 单位：MJ/m2

2 太阳能辐射资源分析

（1）日照时数和日照百分率

1989年～2018年武威气象站年平均日照小时数为2909.2 h,近30年日照时数呈现微弱减小的趋势,最低值出现在2018年,为2654.9 h；最高值出现在1997 年,为3255.3 h。

酒泉站的日照百分率年际变化与日照时数年际变化趋势基本一致,近30年逐渐减少,最低值出现在2017 年,最高值出现在1990年,日照百分率处于60%～74%之间。

武威气象站日照时数的年内变化可以看出,日照时数在5月达峰值,最小值出现在12 月。1989 年～2018 年期间平均最大日照时数为277.9 h,最小为214.2 h。

武威气象站1989年～2018年期间全年平均日照百分率为70.4%,日照百分率在10月最高,为77.2%,在7月最低,为58.8%。

（2）太阳总辐射量

根据民勤气象站辐射、日照百分率观测资料及武威气象站的日照百分率数据,推算得到武威气象站的总辐射量。武威气象站年平均太阳辐射量为5862.35 MJ/m2,最低值出现在2018 年,最高值出现在1997 年。武威气象站太阳辐射的年变化较大,其数值在286.0 MJ/m2～675.1 MJ/m2之间,月总辐射在5月达最高值,6月、7月和8月略小于5 月,冬季12月为最小值。

3 太阳能资源综合评价结论

参照《太阳能资源评估方法》（GB/T 37526-2019）中相关规定,凉州区平均太阳辐射量为5862.4 MJ/m2,资源等级为很丰富（B级）；水平面总辐射稳定度GHRS为0.4236,稳定度等级一般（B级）；凉州区太阳能资源直射比（DHRR）为0.6327,直射比等级为很高（A级）。综合考虑,该地区适宜太阳能资源开发[1]。

4 结语

（1）在武威地区,meteonorm8.0辐射数据整体数值明显偏大,直接应用需慎重。

（2）因甘肃全省具有太阳辐射观测业务的气象站点较少,空间占有率极低,多数学者虽然采用各类方法估算太阳能资源,但任何评估方法均存在部分不足,其可靠性有待进一步验证。因此,一方面,有必要通过方法效果检验增强评估结论的准确性和精细度；另一方面,需增加观测站点,通过大量数据积累,修正优化评估结果,这对于太阳能资源的合理开发利用有重要作用。