中国太阳能风能综合利用区划[1]_朱瑞兆应用气候论文集-QQ阅读男生历史网

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中国太阳能风能综合利用区划[1]

朱瑞兆

（国家气象局气象科学研究所）

太阳能和风能在利用时都受到气候、季节和地理等多种因素的影响。我国属季风气候区，一般冬半年干燥、风大，太阳辐射强度小；夏半年湿润、风小，太阳辐射强度大。两者变化趋势基本相反，可相互补充利用。为了适应太阳能、风能的变化规律，有人研究了太阳能-风能联合装置。如丹麦Busch N.E.和Mφllenbach K.提出了太阳能和风能综合利用系统［1］，美国能源部正在研究太阳能-风能混合系统，西德尤尔格·施来提出了太阳能-风能发电机的设想［2］，澳大利亚已研制成太阳能与风能联合发电装置，余华扬等也提出一种太阳能-风能发电机的设想［3］。1982年8月中国空气动力研究会和中国太阳能学会风能专业委员会在北京召开了新概念型发电装置（即太阳能-风能综合发电装置）讨论会。美国麻省理工学院设计了一种预制结构的风能-太阳能住宅［4］。巴西正在建造一座以阳光和风力为能源的新城市，它坐落在伯尔南布科州。廖少葆等还进行了太阳能（太阳能、风能、生物能、水力能）综合体的系统分析［5，6］。

本工作的目的是针对各地太阳能和风能资源的特点，在综合分析基础上，讨论相应的互补利用方式，以尽可能有效地利用这两种能源。

一、区划的指标

太阳能—风能综合利用，首先应了解当地的实际潜力和一年中的时间分配，再对这两种能源相互补充情况进行分析。

有效的太阳能和风能是互补的两个变量，可以计算出两者变化的时间尺度差，如小时、日或季得到的能量。互补因子可用下式表示［7］：

式中：FC——两种能量资源互补的数量，称互补因子；

Si——时间间隔i的有效太阳能；

—平均有效太阳能；

ωi——时间间隔i的有效风能；

—平均有效风能；

n——间隔的总次数（小时、日、月或季）。

当FC=-1，上式描述的关系为全互补，也就是两个变量间有位相差；当FC值趋近+1时，互补因子逐渐减少，如当FC=+1时，两个变量没有互补，即是同位相的。

目前，我国的太阳能和风能作为辅助能源在分区时还不能按上式进行定量计算，仍只能根据太阳能、风能的自然变化规律，分析其在月、季、年中相互变化的关系。

我们将太阳能作为一级区划标准，共分为四个区。太阳辐射总量大于150kcal/（cm2·a）为太阳能丰富区，以“Ⅰ”表示；150～130kcal/（cm2·a）为较丰富区，以“Ⅱ”表示；130～110kcal/（cm2·a）为可利用区，以“Ⅲ”表示；小于110kcal/（cm2·a）为欠缺区，以“Ⅳ”表示。风能作为二级区划标准，也分为四个区。有效风能密度大于200W/m2和风速3～20m/s的累积小时数在5000h以上者为风能丰富区，以“A”表示；200～150W/m2和5000～3000h为风能较丰富区，以“B”表示；150～50W/m2和3000～2000h为可利用区，以“C”表示；50W/m2和2000h以下为欠缺区［8］，以“D”表示。

利用太阳能年总辐射分布图［9］和风能密度及风速3～20m/s年累积小时数分布图［10］，按上述的一二级区划标准各自划出各个区域，再将这两种能源分布投影到一张图上，区分两者重合与不重合的区域，便可得出各种不同的组合区。如“ⅠA”区，为太阳能、风能均丰富区，“ⅣC”区为太阳能欠缺、风能可利用区等，以此类推。

各个区域能量的季节变化作为三级区划标准，以太阳能和风能的各自月变化曲线，按其两者是同位相还是反位相进行分类。根据我国400余个台站的资料，大致可以分为5个不同类型，即：

1.太阳能和风能冬夏的位相相反，也就是夏季太阳能大，风能小；冬季太阳能小而风能大，以“a”表示，如图1所示。

2.太阳能和风能冬春季的变化是同位相的，即二者最大值都在春末；夏季变化是反位相的，太阳能较大而风能最小，以“b”表示，如图2所示。

3.太阳能和风能的最大值都出现在7—9月，位相相同。春季太阳能较大而风能较小，是反相位的，以“c”表示，如图3所示。

4.太阳能只有一个最大值，在夏季；风能有两个较大值，在春末和夏末。太阳能和风能在春季是反位相的，以“d”表示，如图4所示。

5.太阳能和风能同位相，即太阳能和风能的季节变化趋势基本一致，春季太阳能、风能最大，冬季最小，以“e”表示，如图5所示。

图1　北京太阳能和风能的年变化

图2　阜新太阳能和风能的年变化

图3　阳江太阳能和风能的年变化

图4　杭州太阳能和风能的年变化

图5　澜沧太阳能和风能的年变化

根据上述的一级、二级、三级区划的原则，考虑到我国大气环流、天气气候和地形的特征，将全国划分为13个大区，31个类型区，图中数字为地区，如图6所示。

图6　中国太阳能和风能综合利用区划

二、各区特征及其评价

1.太阳能风能均丰富区，分布在内蒙古中西部（ⅠA01a），是我国唯一连成一片的太阳能和风能都丰富的地区。这里年降水量少，太阳辐射值取决于太阳高度，月总辐射量最小值出现在太阳高度最低的12月，最大值出现在6—7月。10月以后，每当冷空气过境，有5～6级以上的大风，所以冬半年风大。夏半年，地面为热低压占据，水平气压梯度小，风力不大，两种能源出现的最大和最小值的时间是相反的，正好补充了两者各自不足，是综合利用太阳能—风能最优越的地区，大有潜力。

2.太阳能丰富区、风能较丰富区，分布在紧靠ⅠA区的内蒙古和甘肃的河西走廊（ⅠB02a）。这一区的太阳能和风能的天气和气候的成因与（ⅠA01a）区相同，唯风速小些。有风库之称的安西，新疆著名的三个泉到后沟的“三十里风区”和鄯善东北部红旗坎到哈密西的“百里风区”也都在这一地区。另一个区在青藏高原北部（ⅠB03a），全国最大的年总辐射量在这一区，如定日为244.1kcal/cm2，噶尔为262.9kcal/cm2。这一区太阳能丰富，大气透明度高，降水少，纬度又低，海拔高，空气稀薄，所以辐射强度大。从现有的气象资料来看，青海的冷湖日照时数可达3602.9h，一年中平均每天有9h52min的日照时间，年日照百分率为81%，为全国之冠。这一区的风能较丰富，主要是由于海拔高，空气密度小，使风能密度较小。若按≥3m/s的小时数来看，这里可达5000h，相当于风能丰富区。

3.太阳能丰富、风能可利用区，分布在塔里木盆地南部、青藏高原的东部和南部、甘肃、宁夏的一部分（ⅠC04a）。这一区基本上是青藏高原边缘的祁连山、六盘山等地区，冷空气一般绕过这些地形东南而下，所以风力较小。由于云量少，这一区太阳总辐射量大。该区太阳能的月际变化仍是有相位差的地区。这一区应以开发利用太阳能为主，风能为辅。

4.太阳能丰富、风能欠缺区，分布在雅鲁藏布江河谷（ⅠD05a）和塔里木盆地（ⅠD06a）。雅鲁藏布江的拉萨有“日光城”之称，太阳辐射年总量在200kcal/cm2以上，是全国最大的。塔里木盆地、哈密年日照数为3413.9h，日照百分率达77%。这两个地区太阳能是很丰富的，但由于四面环山，风能很小，基本上无利用价值。

5.太阳能较丰富、风能丰富区，分布在两个地区。一个在内蒙古锡林郭勒盟（ⅡA07a），它与ⅠA01a相似，只是太阳能较小些。另一个在辽东半岛沿海（ⅡA08a），由于该半岛突出在海上，三面受海洋的影响，风力较内陆大。这一区是我国太阳能—风能联合利用的良好地区，特别是辽东半岛沿海，是我国沿海唯一的太阳能较好、风能最佳区。

6.太阳能风能均较丰富区，分布在三个相互隔离的地区。这与具体地形有关。一个在渤海沿岸（ⅡB09a），因受海面的影响，风力较大；一个在内蒙古的哲盟和昭盟（ⅡB10a），因受大兴安岭余脉的影响，风力较东部大；一个在准噶尔盆地（ⅡB11a），因南面为天山，阻碍冷空气南下，特别在冬春季，盆地成为冷空气南下的通道，风力较大。而在这一区的阿拉山口，风能密度可达685W/m2，6～8级以上风速一年有180天。该区虽属风能较丰富区，但在一些山口可以达到风能丰富区。北疆年降水量为200～400mm，而南疆年降水量仅50mm左右，有的地方还不到10mm，云是影响辐射的主要因子，因而北疆比南疆的太阳辐射小。这三个区的太阳能和风能的年变化曲线都属于有相位差的，可以匹配利用。

7.太阳能较丰富、风能可利用区，这一区分布在三个地区：天山山脉和塔里木盆地北侧（ⅡC12a），华北大部、陕北、甘南和青藏高原的东侧（ⅡC13a）及辽宁和河北交界地区（ⅡC14b），这区是一个过渡带，太阳能由丰富区过渡到较丰富区，风能由较丰富区过渡到可利用区。在（ⅡC14b）区，两种能源都在春季最大，夏季才有明显的相位差，在利用上与全年有位相差的地区不同，在4月、5月正当农业需要用能的时候，风能和太阳能可同时利用是其优点。

8.太阳能可利用、风能丰富区，分布在三个地区。山东半岛沿海区（ⅢA15a），它和辽东半岛相似，但太阳能低了一个等级。东南沿海、东海、南海群岛、台湾及海南的西部区（ⅢA16c），这一区的风能为全国最大的，风能密度可达500W/m2以上，我国目前较大的风力机都安装在该地区。这一区秋季的风能密度大，这是由于秋季台风活动频繁所致。还有一个是松花江下游区（ⅢA17a）。这三个地区的太阳能虽属可利用区，但在7—9月还是很好的。特别应指出的是东南沿海，海域面积较大，且有台湾海峡的狭管作用，是发展海滩风力发电机群比较合适的地区之一。

9.太阳能可利用、风能较丰富区，分布在四个地区。黄海沿岸区（ⅢB18a），这一区由于台风影响不大，且无狭管作用，所以风能较东南沿海小，成为风能较丰富区。浙江东北部（ⅢB19d），这一区太阳能和风能位相不一，太阳能在长江以南最大值出现在7—8月。东南沿海50～100km地带、台湾、海南的东部区（ⅢB20c），本区和ⅢA16c相同，就是风速小些。松花江上游区（ⅢB21a），东北风能分布特点是中间大，南北端小，这是由于大小兴安岭构成的喇叭口使风速加大之故。这四个区，实际上前三个区是连成一片的，只是风能、太阳能位相不同而已。其中ⅢB18a是传统利用风能的地区。

10.太阳能、风能均可利用区，散布在四个地区。华北南部、江淮下游、福建西部、关中、甘南和四川西部（ⅢC22a），该区面积很广，和ⅡC13a相似，只是太阳辐射年总量较小。两广沿海区（ⅢC23c），太阳能风能秋季最大，春季风能较小。辽宁大部和吉林一部分（ⅢC24b），太阳能与风能春季大，夏秋有位相差。大小兴安岭地区（ⅢC25a）风速较小。这四个区实际上是季节可利用区。由于太阳能、风能在某一季节都很丰富，但全年平均能量小些，故成为可利用区。

11.太阳能可利用、风能欠缺区，分布在云南西部及南部（ⅢD26e）和东南丘陵及南岭山地（ⅡD27a）。这两个区的风能密度都很小，仅30～40W/m2，云南景洪年平均风速仅0.4m/s，孟定为0.6m/s，是全国风速最小的地区。广东韶关的年平均风速为1.8m/s，梅县仅0.9m/s，这里的风能基本上不能利用。太阳能可季节性利用，如景洪在旱季的4月、5月，韶关在夏季的7月、8月，太阳能还是较丰富的。

12.太阳能欠缺、风能可利用区，分布在洞庭湖和鄱阳湖区（ⅣC28a）周围。这里受水面的影响，风速较大，太阳能虽属欠缺区，但处于分区标准的上限，夏季仍可利用。

13.太阳能风能都欠缺区，这一区很集中，它以四川为中心，向四周扩展。但由于太阳能和风能出现峰值不同，又可分为四川东部和南部、贵州北部、湖南大部、鄂西、陕南（ⅣD29a），成都平原（ⅣD30b）及贵州西部和云南东北部（ⅣD31e）。三个类型区。这一区太阳能和风能从大范围来看是全国最小的，如四川的灌县、峨眉、雅安太阳年总辐射量为80kcal/cm2，有效风能密度仅30W/m2左右，年平均风速仅1.0m/s左右，这一区无论是太阳能还是风能都很难利用。

区划系列中各区的主要特征见表1。

表1　区划系列中各区的主要特征表