福建地区太阳能资源特征及光热利用分析

来源:用户上传      作者: 范亚明

　　[摘要]分析福建典型气象年数据,结果表明:(1)福建地区太阳辐射和日照时数的空间分布由沿海城市向内陆西北地区减少;(2)太阳辐射和日照时数时间分布为夏秋季较大,冬春季较小;(3)采暖季节的气候环境温度较高,热状况较为优越。由此可见福建地区具有太阳总辐射量大、直接辐射较多、太阳能可利用日数较多,气候环境温度高等自然气候条件,太阳能资源丰富,可开发条件优越,综合利用太阳能的潜力巨大。并结合分析福建地区太阳能热利用的现状,提出了促进太阳能热利用的措施。
　　[关键字]福建太阳辐射太阳能热利用
　　
　　
　　 全球范围内的非再生能源大量消耗引起了一系列的问题,如:全球能源危机、环境污染和气候变暖。太阳能作为一种取之不尽、用之不竭、能量巨大的自然能源,成为最引人注目、开发研究最多、应用最广的清洁能源。《中国新能源和可再生能源发展纲要(1996 年～2010 年) 》中明确指出,要把推广应用节能型太阳能建筑、太阳能热水器和光伏发电系统作为新能源和可再生能源、减少环境污染的有效途径,并被列为国家九五计划和2010 年长远规划优先发展项目主要内容之一。福建地区地处中低纬度,四季阳光充足,太阳能资源较丰富,但太阳能的利用程度较低。本文分析了福建地区太阳辐射分布特征和太阳资源的利用现况,并对促进福建地区太阳能光热开发利用的措施进行了探讨。
　　1资料来源
　　 资料选用中国气象局信息中心气象资料室根据全国270个地面气象站1971年~2003年的实测气象数据整理出的典型气象年数据[1] [2]。
　　2福建地区太阳能资源分布及其特征
　　 据相关气象资料统计,福建地区年日照时数1300～2500小时,年辐射总量为4200～5000 MJ/m2。随着近年来气候及环境的变化,福建地区太阳能资源呈逐渐上升的趋势,以下具体针对福建地区太阳辐射分布特点进行分析。
　　2.1 太阳辐射分布特点
　　2.1.1福建地区太阳总辐射的时空分布特征 表1分析表明,福建地区各地太阳总辐射年平均值最高值在崇武,为5089MJ/m2;最低值出现在永安,为4223.4 MJ/m2。从图1可知,太阳总辐射递减速率明显体现出由沿海城市向内陆西北地区减少(图1a)。从太阳辐射的成分看,福建地区的直接辐射年总量为1817.16 MJ/m2～2707.45 MJ/m2,占太阳总辐射量的28.24%～53.1%,其中最低值在永安,最高值在崇武。太阳直射的分布主要受气候和地形的影响,分布形势为由东至西、由南至北减弱(图1b),与降水量分布相反,与日照分布相一致。太阳散射等值线的走向接近东西向(图1c),表现其空间分布以经向差异为主。在东西方向上分布形势呈两高一低型。 除沿海半岛、岛屿小面积高值区外,年平均散射辐射有随高度升高而增大的趋势[3],闽中大山带南段和沿海东山岛、厦门等地,散射辐射年平均辐照度超过2500 MJ/m2。由于目前的太阳能利用装置主要利用的是直接辐射,而福建除少数内陆西北地区外,大部分地区的直接辐射比例大于40%,因此福建地区的太阳辐射分布特征对于太阳能的利用十分有利。
　　表1福建地区各地月太阳总辐射量(MJ/m2 )
　　 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 总量
　　厦门 总辐射 285.7 221.4 299.3 343.3 440.5 437 529 499.5 468.8 415.9 349.7 324.6 4614.7
　　 直射 108.3 67.0 97.0 92.2 188.2 183.4 288.2 173.5 170.5 169.5 171.8 170.4 1879.9
　　 散射 177.4 154.5 202.3 251.1 252.3 253.6 240.8 326.0 298.3 246.4 177.8 154.2 2734.8
　　永安 总辐射 235.4 257 324.2 354.8 416 419.8 501 444.4 385.8 349.4 277.2 258.4 4223.4
　　 直射 53.5 50.4 61.5 63.2 113.1 115.6 221.8 129.8 112.9 108.5 78.0 86.1 1194.3
　　 散射 181.9 206.7 262.7 291.6 302.9 304.2 279.3 314.7 272.9 240.8 199.1 172.3 3029.1
　　
　　 (接上表1)
　　 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 总量
　　上杭 总辐射 252.3 226.2 236.5 280.5 380.2 462.2 535.2 481.4 438.2 423.7 325.4 274.5 4316.3
　　 直射 108.5 79.4 60.5 46.2 150.6 250.7 258.8 163.0 168.7 232.3 180.1 120.3 1819.0
　　 散射 143.8 146.8 176.0 234.3 229.6 211.5 276.4 318.5 269.5 191.4 145.4 154.2 2497.2
　　南平 总辐射 230.5 258.3 326.8 404.1 431.7 437 540.9 506.4 401.8 371.2 271.7 213.8 4394.2
　　 直射 60.8 52.4 83.4 94.3 124.0 126.6 270.8 176.2 122.0 133.5 78.2 59.1 1381.3
　　 散射 169.7 205.9 243.5 309.8 307.7 310.4 270.1 330.2 279.8 237.8 193.5 154.7 3013.0
　　福州 总辐射 221 234.4 277.1 349.9 449.2 466.9 568.1 512.6 421.6 367 264.1 212.4 4344.3
　　 直射 95.0 101.9 123.8 189.1 205.9 241.8 288.9 277.3 178.0 212.0 121.5 118.4 2153.7
　　 散射 126.0 132.5 153.3 160.8 243.3 225.1 279.2 235.3 243.6 155.0 142.7 94.0 2190.7
　　建瓯 总辐射 237 235 372.4 387.8 512.8 492.1 628.3 572.8 547.4 424.8 311.9 226.7 4949
　　 直射 133.3 123.8 202.8 185.3 209.2 215.7 390.1 293.9 303.5 271.0 179.9 119.2 2627.5
　　 散射 103.7 111.2 169.6 202.5 303.6 276.5 238.3 278.9 243.9 153.8 132.0 107.5 2321.4
　　崇武 总辐射 296.7 256.7 308.1 348.1 477.6 509.1 631.9 606.5 481.1 455.9 327.2 390.3 5089.2
　　 直射 164.7 95.8 90.4 77.0 298.7 326.6 399.9 349.2 224.9 252.3 148.2 275.3 2703.2

　　 散射 131.9 160.9 217.7 271.1 178.9 182.5 232.0 257.3 256.2 203.5 178.9 115.0 2386.0
　　
　　
　　2.1.2太阳辐射的月分布特点。各地太阳总辐射的月平均辐射,均以7月为总辐射最多月,8月次之。太阳总辐射至12月至2月期间逐月降低,其中以9月至12月之间降低最明显。12月至次年2月,总辐射值变化不大。南部多以2月,北部多以12月为太阳辐射最少月。自2月至7月,总辐射值逐月增大。6月至7月间总辐射值增多最明显。直接辐射随季节变化明显,一般以7月或6月最多,2月最少,并且最多月直射量是最少月的3～5倍。在12月或1月散射辐射最少,在5月～6月或8月为最多。因为12月和1月的福建地区为少雨季节,云量少,大气透明度高, 5～6月为降水最多月,而夏秋之交多台风和暴雨。
　　
　　(a) 太阳总辐射(b)太阳直射(c)太阳散射
　　图1福建沿海地区太阳辐射分布图
　　2.1.3太阳辐射的季节分布。福建地区太阳辐射季节分布较均匀,以夏季(6―8月)的辐射量最多,约占全年的34%;再次是秋季(10―11月),约占25%,其次是春季(3―5月),约占全年的24%;冬季(12―2月)最少,约占17%。
　　2.2 日照分布特点
　　2.2.1日照时数空间分布特点。分析表2数据可以看出福建东南沿海崇武地区是年日照时数的高值区,福州、建瓯地区高达1900小时以上,厦门等地1800小时以上,永安和上杭地区达到1700小时以上,南平日照时数最少,不足1500小时,日照时数由闽南沿海地区向内陆西北地区减少。
　　
　　
　　
　　
　　
　　表2福建地区各地日照时数(h)
　　 1月 2月 3月 4月 5月 6月 7月 8月 9月 10月 11月 12月 总量
　　厦门 131 86 82 130 147 156 221 175 167 165 189 191 1840
　　永安 83 79 90 114 224 194 226 165 156 133 111 133 1708
　　上杭 124 72 73 80 157 190 193 187 150 201 180 138 1745
　　南平 81 68 92 99 176 170 209 157 109 134 104 73 1472
　　福州 111 88 117 136 164 191 251 244 160 206 138 127 1933
　　建瓯 132 106 145 130 153 161 230 205 220 225 148 113 1968
　　崇武 169 83 87 116 185 210 301 283 200 221 179 257 2291
　　
　　2.2.2日照时数月分布特点。由图2可以看出,日照时数逐月变化与气温大体相当。日照时数2月最小,从2月起逐渐增加,7月为峰值,后又急降至最低点。绝大部分地区从4月起,月日照时数可达100小时以上,厦门、福州和建瓯地区可达130小时以上,唯上杭地区不足100小时。
　　
　　图2福建地区月平均日照分布情况
　　2.2.3日照时数的季节分布。从图2数据得出福建地区日照季节分布是夏多冬少,春季略多于秋季,但总体比较均匀。各地冬季(12～2月)日照为349小时,占年总日照时数的19%左右;春季(3～5月)日照为389 小时,约占日照总数的21%左右。各地夏季日照约占全年日照时数的33%左右;秋季日照约占全年日照时数的27%左右。
　　2.3 气温变化与太阳能利用的关系[4-6]
　　 环境温度是影响太阳能利用的因子之一,当环境温度较低时不利于太阳能的利用[4]。福建地区年平均气温为17～21.6 ℃,且80%的年份介于18～23℃,最冷月(1 月) 平均气温为7℃～13℃;最热月(7月) 平均气温28～30℃;秋春季月平均气温17～18℃。其供暖季节的气候环境温度较高水平,热状况较为优越,太阳能利用效率也较高。
　　 总的来说,在福建地区利用太阳能资源最有利的地区是闽南及沿海岛屿地区,因地理纬度较低、太阳高度角较高、总雨量较少、阴天日数少和日照时数多等原因,而成为全省太阳年总辐射的高值区;最有利的季节是春、夏两季,但在秋季和冬季太阳的日照时数相对较多,因此充分利用全年的太阳能资源具有较大的潜力。
　　3太阳能光热利用分析[7-11]
　　 太阳能热利用技术是指把太阳能转化为热能并加以利用。其中太阳能热水器技术是最成熟、光热转换效率最高(全玻璃真空管的光热转换效率已高达90%以上)、应用最广泛、产业化发展最迅速的方式。
　　3.1 现状和前景分析
　　 截至2000年,我省太阳能热水器保有量为513 万m2 ,相当于年提供0.1636 万t 标煤的能源,其中2000年度新增213 万m2。目前,我国共有太阳能热水器生产企业3000余家,其中具有一定规模的生产企业1000余家。太阳能热水器目前的一次性投资比常规(电、燃气)热水器高,每m2约1500元,但是日常消耗比常规热水器少,每m2集热器每年可节约用电700～800kWh,节约标准煤500kg,无SO2 和CO2 废气排放,且使用寿命达10年以上。2007年福建地区常住人口为3581万人,居民人均纯收入为4453.85元,这是太阳能利用的巨大市场。但与市场的高需求和高发展形成极大反差的是,消费者对太阳能热水器整体满意度低,仅为53.9%。原因主要有以下几个:一热水器价格贵,初投资较高;二是大部分太阳能热水器性能不稳定;三是缺乏热水器与建筑一体化设计安装;四是在春季梅雨季节,使用电加热时间长,导致电耗大。
　　3.2 实施措施分析
　　 促进太阳能热利用的推广实施需要在技术保证前提下,发挥政府和市场的双重作用,其中针对新的节能技术,政府的调控作用日益重要。
　　3.2.1技术保障。提供高性能的集热器和稳定的太阳能热水器管路配件;考虑采用可考虑和空气源热泵热水系统联供系统方式,改善阴雨天气电加热时间过长问题,达到最佳的节能效果。
　　3.2.2政策法规建设。福建省建设厅已发布《居住建筑与太阳能热水系统一体化设计、安装及验收规程》,有利于促进我省居住建筑与太阳能热水系统的推广利用。
　　3.2.3经济杠杆。政府对开发与推广太阳能应用产品实行优惠贷款政策、特别折旧和税收减免措施,对太阳能利用推广和示范项目实行补贴制度,同时对太阳能开发利用给予财政补贴。
　　3.2.4信息宣传。大力宣传太阳能科普知识,让社会各界更多地了解太阳能、利用太阳能。同时,做好技术咨询、技术培训、技术服务工作,协调行业关系、拓展太阳能市场。
　　4结论
　　4.1 福建地区太阳辐射的空间分布由沿海城市向内陆西北地区减少,年平均值最高值在崇武,为5089MJ/m2;最低值出现在永安,为4223.4 MJ/m2。但除少数内陆西北地区外,大部分地区的太阳总辐射大于4300 MJ/m2,直接辐射比例大于40%。
　　4.2 福建地区的太阳能资源具有明显的月变化,夏秋季较大,冬春季较小,其中7月为总辐射最多,562.1MJ/m2;2月最小,241.3 MJ/m2。
　　4.3 福建地区日照时数的空间分布由东至西、由南至北减弱,东南沿海崇武地区是年日照时数的高值区高达2291小时以上,南平日照时数最少,不足1500小时,大部分地区大于1700小时。
　　4.4 福建地区日照时数的时间分布夏多冬少,春季略多于秋季,但总体比较均匀,7月为峰值,233小时;2月最少,83小时。
　　 由此可见福建地区具有太阳总辐射量大、直接辐射较多、太阳能可利用日数较多,气候环境温度高等自然气候条件,太阳能资源丰富,可开发条件优越,综合利用太阳能的潜力巨大。针对福建地区太阳能热利用的现状,加强技术保障、政策法规、经济激励和信息宣传方面工作以促进太阳能热利用在福建地区推广。
　　
　　参考文献:
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