王玉玲 史洋 盖宇函 陈思雨

摘要 根据围场县2017—2020年逐小时太阳辐射数据，采用气候学统计和有关行业标准等，计算承德县的逐日太阳辐照量，并对承德县地区太阳能资源分布特征进行了分析评估。结果表明：河北省承德县年均太阳辐照量为6 095.86 MJ/m2，夏季辐射丰富，冬季少，东部乡镇太阳辐照量相对较高，西北部乡镇对较低；年日照时数为2 753.6 h，5月最多，11月最少，东北部乡镇日照时数相对较多，南部乡镇相对较少；＞6 h为267.5 d，可利用时间长，平均K值为1.73，整体处于稳定等级，承德县太阳能资源很丰富，开发利用条件总体较好。

关键词 太阳能；太阳辐照量；日照时数；开发利用

中图分类号：P49 文献标识码：B 文章编号：2095–3305（2023）09–0-03

随着经济的不断发展，能源短缺问题日益凸显，合理开发利用可再生能源已成为缓解能源短缺问题的有效途径。全面了解和掌握当地的风能、太阳能等气候资源的分布及状况，越来越受到当地政府和公众的关注[1-2]。太阳能资源因其取之不尽、用之不竭、无污染、经济等特点，被国际公认为未来最具竞争性的能源之一，而太阳总辐射和日照时数是表征太阳能资源的2个重要指标，作为21世纪最具潜力的能源，太阳能产业发展潜力巨大[3-7]。

承德县位于河北省东北部，总面积为3 648 km2，辖23个乡镇，总人口为42.76万，是河北首批扩权县，燕山—太行山集中连片特殊困难地区扶持县，先后获评国家级园林县城、全国绿化模范县、全国休闲农业和乡村旅游示范县、中国国光苹果之乡等荣誉称号。北接辽蒙、南邻京津，东南北环抱承德市区，地势北高南低，海拔为222.0～1 755.1 m，地形复杂多样。京承、锦承、承隆、张唐4条铁路，承唐、承朝、承赤、承秦4条高速和101、112等国省干道穿境，承德普宁机场坐落境内，京哈高铁在县设2处客运站。5 min上高速、15 min赶高铁、30 min到机场、2 h达港口，立体化交通四通八达。气候属温带大陆性季风气候，冬季寒冷干燥，夏季高温多雨。采用传统气候学方法，对河北承德县太阳能资源进行评估，依托GIS平台，利用样条函数插值法，绘制空间分布图，为当地合理开发利用太阳能资源、规划太阳能产业、发展能源经济提供科学依据。

1 资料和方法

1.1 资料来源

中国从20世纪中期开始对地表太阳能进行观测，目前，全国仅100多个地面气象站有太阳辐射，承德市围场县在2016年开始有观测设备，所采用资料包括围场县气象局2017—2020年逐小时太阳辐射数据，承德县气象局2017—2020年逐日日照时数和月日照百分率数据，所有数据均经过严格的质控。因太阳辐射观测年限短，不足10年，暂不做太阳辐射及日照年际分析，时间尺度以2017—2020年为基础。

1.2 计算方法

1.2.1 太阳辐照量计算 根据2019年国家市场监督管理总局、中国国家标准化管理委员会发布的《太阳能资源评估方法》，选择承德市围场县辐射观测站2017—2020年逐小时太阳辐射数据，利用经验公式拟合求得经验系数a、b，再代回公式计算承德县的月太阳总辐照量[8]。

GHRm=GHRm×EHRm（a+bs）（1）

式（1）中，GHRm为月水平面总辐照量（MJ/m2）；EHRm为月地外水平面太阳辐照量（MJ/m2），可将当月逐日辐照量累计求和得到；a、b为经验系数；s为月日照百分率（%）。具体计算方法参考文献，拟合得到的经验系数a=0.3222，b=0.4451，计算误差低于2%[9]。

1.2.2 太阳能资源丰富程度评估 计算承德县的年水平面总辐照量，按照表1评价该地区太阳能资源的丰富程度[10]。

1.2.3 太阳能资源稳定度计算 太阳能资源稳定度用来表征太阳能资源年内波动的幅度，根据《太阳能资源评估方法》及相关文献，通常采用各月日照时数大于6 h天数的最大值与最小值的比值表示，计算公式如下[11]。

K=（2）

式（2）中，K为太阳能资源稳定度指标，无量纲；D1， D2，…D12为1—12月各月日照时数大于6 h的天数，单位为d；max（ ）为求最大值的标准函数，min（ ）为求最小值的标准函数。K<2，稳定；2≤K≤4，较稳定；K<4，不稳定。

1.2.4 太阳能资源利用价值估算 太阳能资源的利用价值通常用月日照时数大于6 h的天数进行分析，通常认为一天中日照时数如果小于6 h，其太阳能一般没有利用价值[12]。

1.2.5 样条函数插值法 应用GIS技术绘制出承德县太阳辐照量、日照时数的空间分布图，其中，点数据转换为面数据时采用的插值方法为样条函数插值法，该方法是使用二维最小曲率样条法将点插值成栅格表面，生成的平滑表面恰好经过输入点，更适用于像太阳能这样空间分布连续、样点数据准确的插值[13]。

2 结果与分析

2.1 太阳总辐射的时空变化

2.1.1 太阳总辐射年、季、月变化 根据《太阳能资源评估方法》，计算得到承德县的年均太阳辐照量为6 095.86 MJ/m2，为资源很丰富区，等级为B；春季（3—5月）平均为1 938.77 MJ/m2，夏季（6—8月）为2 007.70 MJ/m2，秋季（9—11月）为1 239.11 MJ/m2，冬季（12月—翌年2月）为910.28 MJ/m2。夏季>春季>秋季>冬季。

承德縣太阳总辐射月变化呈单峰型（图1），从1月开始增加，5月达到最高值，之后逐月减少，12月出现全年最低值，4—8月是太阳辐照量最高的时间，占全年总辐照量的52.6%。

2.1.2 太阳总辐射空间分布 利用同样方法，基于围场县辐射数据，计算承德县周边隆化县、承德市、平泉市、宽城县、兴隆县、滦平县的年均太阳辐照量，利用空间插值方法得到承德县精细化到乡镇的年均太阳辐照量分布图（图2）。由图2可知，承德县东部的五道河乡、六沟镇、三家镇的东部、三沟镇镇的东部等地区太阳辐照量相对较高，高寺台镇、岗子乡、两家乡等地太阳辐照量相对较低。

2.2 日照时数的时空变化

2.2.1 日照时数的年、季、月变化 承德县年均日照时数为2 753.6 h。其中，2020年相对较多，为3 087.0 h。春季（3—5月）平均为803.3 h，夏季（6—8月）为681.6 h，秋季（9—11月）为643.6 h，冬季（12月—翌年2月）为609.0 h，春季>夏季>秋季>冬季。

承德县日照时数月变化也呈单峰型（图3），1—5月逐月增加，5月达到最高值，之后开始逐渐减少，8月相对较少，9—10月缓慢增加，11月为全年日照时数最少月份。

2.2.2 日照时数空间分布 计算承德县周边隆化县、承德市、平泉市、宽城县、兴隆县、滦平县的年日照时数，利用空间插值方法得到承德县精细化到乡镇的年均日照时数分布图（图4）。由图4可知，承德县东北部的磴上乡、三家镇、五道河乡等乡镇的日照时数相对较多，南部的八家乡、满杖子乡、下板城镇等乡镇的日照时数相对较少。

2.3 太阳能资源利用价值

太阳能并不是一种随时随地都能利用的资源，它受到天气、气候、地形等因素的影响，具有明显的日变化和季节变化[13]。太阳能资源的利用价值通常用月日照时数大于6 h的天数进行分析。统计承德县2017—2020年年均为267.5 d，占全年的73.3%。利用同样方法，计算承德县周边隆化县、承德市、平泉市、宽城县、兴隆县、滦平县的可利用天数，利用空间插值方法得到承德县精细化到乡镇的空间分布图（图5）。由图5可知，东北部的磴上乡、三家镇、五道河乡等乡镇的可利用天数相对较多，南部的八家乡、满杖子乡相对较少。

2.4 太阳能资源稳定度

统计承德县各月日照时数＞6 h的天数，2017年最大值出现在5月，为28 d，最小值出现在10月，为15 d，K值为1.87，2018年K值为1.56，2019年K值为1.47，2020年K值为2.0，平均K值1.73，因此承德县多数年份属于稳定等级。利用同样方法，计算承德县周边隆化县、承德市、平泉市、宽城县、兴隆县、滦平县的K值，利用空间插值方法得到承德县精细化到乡镇的空间分布图（图6）。由图6可知，东部乡镇比西部乡镇的K值相对较低，更稳定。

3 结论

第一，承德县的年均太阳辐照量为6 095.86 MJ/m2，为资源很丰富区，等级为B，夏季>春季>秋季>冬季，最高值出现在5月，最低值出现在12月。在空间分布上，承德县东部的五道河乡、六沟镇、三家镇的东部、三沟镇镇的东部等地区太阳辐照量相对较高，西北部的高寺台镇、岗子乡、两家乡等地太阳辐照量相对较低。

第二，年日照时数为2 753.6 h，春季>夏季>秋季>冬季，5月最多，11月最少。在空间分布上，承德县东北部的磴上乡、三家镇、五道河乡等乡镇的日照时数相对较多，南部的八家乡、满杖子乡、下板城镇等乡镇的日照时数相对较少。

第三，年日照时数＞6 h的天数为267.5 d，可利用时间较长。在空间分布上，东北部的磴上乡、三家镇、五道河乡等乡镇的可利用天数相对较多，南部的八家乡、满杖子乡相对较少。

第四，平均K值1.73，整体处于稳定等级。在空间分布上，东部乡镇比西部乡镇的K值相对较低，更稳定。

综上所述，河北省承德县太阳能资源很丰富，开发利用条件总体较好。

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Analysis and Evaluation of Solar Energy Resources in Chengde County of Hebei Province

Wang Yu-ling et al（Chengde Meteorological Bureau， Chengde， Hebei 067000）

Abstract Based on the hourly solar radiation data of Weichang County from 2017 to 2020， the daily solar irradiance of Chengde County was calculated using climatological statistics and relevant industry standards， and the distribution characteristics of solar energy resources in Chengde County were analyzed and evaluated.The results show that the average annual solar irradiance was 6 095.86 MJ/m2 in Chengde County， Hebei Province， which was abundant in summer and less in winter. The solar irradiance was relatively high in the eastern townships and low in the northwestern townships. The annual sunshine duration was 2753.6 h， the highest in May and the lowest in November. The sunshine duration was relatively higher in the northeast and less in the south. The number of days > 6 h was 267.5 days， the available time was long， the average K value was 1.73， and the whole was in a stable level. Chengde County was rich in solar energy resources， and the development and utilization conditions were generally good.

Key words Solar energy; Solar irradiance; Sunshine duration; Development and utilization