风能、太阳能应用于农业生产的可行性研究

摘要： 为评估晋西黄河谷地地区风能、太阳能资源在区域农业生产中的开发利用价值，本文选取了该区域内11个具有代表性的气象站点，运用气候学以及ArcGIS相关分析方法详细分析了风能、太阳能的时空分布特征。结果显示：（1）二者在空间分布上均呈现由北向南递减的趋势。（2）平均风速集中于2.0-2.5m/s左右，呈现春夏（2.5m/s）大于秋冬（2.0m/s）的特征，不宜开发。（3）太阳辐射年值为5467.9 MJ/m2左右，年日照时数为2500h左右，属太阳能资源区划三类地区，太阳能资源较为丰富。红枣成熟干燥时期的日照时数所占全年日照时数比重约为30%左右，结合实地调研，区域太阳能资源对于当地农产品的加工干燥具有一定的应用价值。

Abstract： In order to evaluate the value of development and utilization of the wind energy and solar energy in regional agricultural production of the Yellow River Valley in the western-area of Shanxi Province， the spatial and temporal distribution characteristics of wind energy and solar energy are analyzed by using the analytical methods of climatology and ArcGIS， which are based on the climate data of 11 representative meteorological stations in local area. The results are as follows： （1） There is a trend that decreases progressively from north area to south area on the spatial distribution characteristics of wind energy and solar energy. （2） The mean wind speed is appropriately between 2.0m/s and 2.5m/s， and the wind speed in spring and summer is larger than that in autumn and winter and is about 2.5m/s and 2.0m/s， which cannot be exploited easily. （3）The value of annual solar radiation is about 5467.9 MJ/m2， and the annual sunshine duration is around 2500h， so the solar energy resource in the research area is rich relatively and it is identified as the third level region in China. In addition， it indicated that the percentage of sunshine duration is about 30% in annual sunshine duration when the red dates is maturing and drying. According to the result of investigation， the regional solar energy is meaningful for the processing dryness of agricultural products in local area.

关键词： 风能；太阳能；晋西黄河谷地；ArcGIS；时空分布

Key words： wind energy；solar energy；the Yellow River Valley of Shanxi Province；ArcGIS；spatial and temporal distribution

中D分类号：P422.1；TK51 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）22-0155-05

0 引言

能源是人类生存与经济发展的物质基础，随着世界经济持续、高速的发展，能源供需矛盾日益突出，大力发展风能、太阳能等储量巨大、无污染的可再生能源，使能源逐渐由化石能源时展过渡到可再生能源时代，已成为能源战略的必然选择。这不仅是出于生存的需要，也是经济可持续发展的必然选择[1]。

位于山陕交界处的晋西黄河谷地地区，是山西省重要的红枣加工产出地区，红枣是当地农民重要的收入来源。为提高当地红枣的销售价格及其品质，对红枣进行人工干燥是不可或缺的环节之一。目前，传统的红枣烘干系统依靠燃烧大量的煤炭，对环境造成严重的污染，制约当地经济的可持续发展，若在红枣加工过程中使用清洁能源将有助于缓解当地的能源压力，且能够改善当地的环境污染问题。

近些年来，很多学者对清洁能源的开发利用进行了大量的研究。闫加海，张冬峰等学者通过采用气候学方法对山西省太阳总辐射的时空分布特征进行分析，客观评估了山西省的太阳能资源潜力[4]。龚强，于华深，蔺娜等学者通过分析辽宁省的平均风速、风功率密度、日照时数、太阳辐射等气象要素，对该省的风能、太阳能资源作出评估[1]。

上述研究多基于评估省内的风能、太阳能资源利用情况，研究区域范围较大，研究结果对局地的产业活动的指导意义不大，本文在先前学者研究的基础上以晋西黄河谷地小区域范围内的部分气象站点为依托，通过计算60年间风速、日照时数等气象要素数据，运用气候学相关分析方法以及ArcGIS空间分析方法，从时间和空间尺度上评估当地的风能、太阳能资源，并分析能源总量与红枣干燥过程中传统能源需求量的匹配情况，为清洁能源应用于晋西地区农业生产的可行性提供科学依据。

1 研究区概况

1.1 地区概况

晋西黄河谷地，位于山西省与陕西省交界处的黄河中上游、吕梁山以西地区，包括陕西省东部及北部的神木、绥德、延长、韩城等地，山西省北部、西部以及西南部的河曲、五寨、兴县、离石、隰县、吉县、运城等县市。地处东经109.46°-112.33°，北纬34.54°-39.73°，位于第二级阶梯的黄土高原上，平均海拔为1000m以上。该地属中纬度暖温带半湿润地区，气候类型为温带季风气候，年降水量为400-800mm，多集中于夏秋季节。

1.2 红枣概况

红枣作为晋西黄河谷地地区的支柱型产业，其产量相当可观。山西的临县、稷山、太谷、石楼、保德、柳林等县市区，以及陕西的佳县、清涧、延川、大荔、泾阳、阎良等地为红枣主要种植区，其产量占到全国红枣总产量的6.46%和10.23%左右[5]。其中，临县的红枣种植面积约为85万亩，产量超过4.6亿斤，被誉为“红枣之乡”。以临县克虎镇的红枣加工厂为例，当地加工的红枣主要来自新疆，且从红枣的筛选到干燥等工序方面有较为完整的加工技术。

2 资料与研究方法

2.1 数据来源

本文的数据来源于中国气象科学数据共享服务网，主要为晋西黄河谷地地区包括韩城、河曲、离石等在内的11个具有代表性的气象站点的日数据，内含平均风速、平均气温、日照时数等气象要素数据，时间跨度为1953-2014年（部分站点由于建设原因存在数据短缺，只有2009-2014年的数据，比如韩城、吉县、神木、延长气象站点）。

2.2 研究方法

日照时数和到达地面的太阳总辐射量是表征太阳能资源的主要参数[1]，本文对于太阳能资源分布状况的分析主要参考这两个参数。对于风能资源的评估采用平均风速。

首先对从气象数据共享网上获得的11个站点的原始数据进行加工处理，计算各个站点在年、季、月不同时间区段内相对应的平均风速、日照时数、太阳辐射等气象要素数据，并在EXCEL中制作图表，从时间尺度上分析风能与太阳能的分布特征。其中，季节的划分采用气象学标准：春季为3-5月，夏季为6-8月，秋季为9-11月，冬季为12月和次年1月、2月[6]。

其次，将所求得的气象要素数据导入ArcGIS软件中，采用Kriging插值的方法，制作平均风速与太阳总辐射分布的空间等值线图，从空间尺度分析晋西黄河谷地地区风能与太阳能的资源分布特征。

本文对于太阳辐射的计算主要参考中华人民共和国气象行业标准（QX/T 89―2008）[7]中所涉及的太阳能资源评估方法，通过计算日天文总辐射量，间接求取月太阳总辐射量和年太阳总辐射量。

2.3 太阳辐射的计算方法

2.3.1 日天文总辐射量

Qn=■（？棕0sin？渍sin？啄+cos？渍cos？啄sin？棕0）（1）

式中：

Qn――日天文太阳总辐射量，单位为兆焦每平方米天（MJ/（m2・d）），本文以每月15日为参考值；

T――时间周期为24×60min・d-1；

I0――太阳常数为0.0820，单位为兆焦每平方米分（MJ/（m2・min））；

？籽――日地距离系数，无量纲；

？渍――地理纬度，单位为弧度（rad）；

？啄――太阳赤纬，单位为弧度（rad）；

？棕0――日出、日落时角，单位为弧度（rad）。

2.3.2 月太阳总辐射量

文中主要\用经验公式对月太阳总辐射进行计算：

Qm=Q0（a+bS）（2）

式中：

Qm――月太阳总辐射量，单位为兆焦每平方米天（MJ/（m2・d））；

S――月日照百分率，查资料获得；

a，b――经验系数，分别为0.105和0.708，主要参考王晨亮[8]等人在中国太阳总辐射的气候学计算法研究一文中所提供的中国北方地区的参数值；

Q0――月天文太阳总辐射量，单位为兆焦每平方米天（MJ/（m2・d）），由每月日天文辐射量乘以该月天数获得。

年太阳总辐射量由各月太阳辐射量累计可得。

2.3.3 重要参数的计算

①太阳赤纬。

？啄=0.3723+23.567sinx+0.1149sin2x-0.1712sin3x-0.7580cosx+0.3656cos2x+0.0201cos3x（3）

x=2？仔×（N-N0）/365.2422（4）

N0=79.6764+0.2422（y-1985）-INT[0.25×（y-1985）]

式中：

？啄――太阳赤纬，单位为弧度（rad）；

x――计算参数，无量纲数；

N0――计算参数；

y――计算年份，无量纲数；

INT（）――取整数的标准函数。

②日地距离系数的计算。

？籽2=1.000423+0.032359sinx+0.000086sin2x-0.008349cosx+0.000115cos2x（5）

x――计算参数，无量纲数，由式（4）计算可得。

③时角。

？棕0=cos-1（-tan？渍tan？啄） （6）

3 结果与分析

3.1 风能时空分布特征

3.1.1 年分布特征

由图1可知，该地区平均风速整体呈现由北向南递减的趋势。高值区集中于研究区域北部地区，包括山西西北部的兴县、五寨等地，还有南部的运城，风速为2.5m/s左右。低值区包括研究区域南部的延长、吉县、韩城等地，以及北部的河曲（地处晋、陕、蒙交界地带），风速为2.0m/s左右。由于受地形因素的影响较大，五寨、兴县地处吕梁山北段或接近北段地区以及内蒙古高原边缘，海拔高度较高，约为1000m以上，且为冬季风南下之要冲，属于山西风能资源高值区，开发利用价值较大[9]。

由图2可知，部分气象站点的平均风速整体呈下降趋势，其中，五寨的平均风速在1989年和1993年下降至2.0m/s以下，运城风速于2002年低至1.90m/s左右。张涛涛，延军平等人在气候变化对晋西北地区风能资源的影响一文中提到晋西北风能资源呈明显减弱趋势[6]，与此结果基本相符。（图中主要分析了部分具有代表性的气象站点的60年间平均风速变化趋势，依次为研究区北部的河曲、五寨，中部的绥德以及南部的运城等地）

尽管运城在1973-1978年间，风速多年持续达到3.0m/s以上，但由于持续时间较短，不宜开发利用。

3.1.2 季分布特征

由图3可知，晋西黄河谷地地区的平均风速季节性差异明显，主要表现为春夏风速较大，秋冬风速较小（吉县、五寨、兴县三地情况较为特殊，秋冬季节风速明显高于夏季风速）。春季平均风速为2.4m/s左右，高值区集中于绥德、五寨、兴县、运城等地，低值区集中于韩城、河曲、吉县、延长等地，平均最高风速为3.2m/s左右，平均最低风速为1.6m/s左右。夏季风速仅次于春季风速，平均风速为2.0m/s左右，最高值出现在运城，平均风速为2.8m/s左右，最低值出现在延长，平均风速为1.4m/s左右。秋冬季节风速较小，平均风速为1.9m/s左右，除五寨、兴县、运城等地平均L速略高于2.0m/s外，其余站点平均风速基本维持在2.0m/s以下，最高值为2.5m/s左右，最低值为1.2m/s左右，开发利用价值较小。

3.2 太阳能时空分布特征

3.2.1 年分布特征

由图4可知，研究区内太阳辐射北部及中部地区明显高于南部地区，经计算太阳辐射基本维持在5467.9MJ/m2左右，其中河曲、五寨等地为高值集中区，南部的吉县、延长、运城等地为低值集中区，最高值出现在山西西北部的五寨，约为5904.1MJ/m2，最低值出现在山西西南部的吉县，约为4826.8MJ/m2。

由图5可知，研究区内全年日照时数整体呈现由北向南递减的趋势，经计算表明其数值可达2500h左右，高值区主要集中于研究区北部地区，包括陕西省北部的神木，山西省的河曲、五寨等地，全年日照时数最高可达2700h左右；低值区主要集中于山西西南部的吉县、运城以及陕西东部的韩城等地，全年日照时数为2100h左右。中值区包括研究区域中部的离石、隰县、绥德等县市，集中于2500h左右。

由图6可知，该研究区域内日照时数主要集中于6-8h之间，整体呈现下降的趋势。河曲、五寨两地在1962-1965年间日照时数出现高值，高达8.7h以上。运城在60年间的日照时数明显低于其他地区，且其间多次出现极低值，在2007年甚至低至5h以下。

3.2.2 季分布特征

研究区内太阳辐射的季节性差异明显，其主要表现为夏季最多，均值为1818.6MJ/m2；春季次之，均值为1651.7MJ/m2；秋冬较少，均值分别为1133MJ/m2和865.2 MJ/m2。地理空间分布呈现由北向南递减的趋势，与平均风速分布状况大致相同，山西西北部以及陕西东北部地区为高值集中区，山西西南部以及陕西东部地区为低值集中区。

由图7可知，夏季太阳辐射最高，最高值出现在山西省忻州市的河曲县，为1985.2MJ/m2，最低值出现在山西西南部的吉县，为1554.0MJ/m2。春季太阳辐射仅次于夏季，空间分布趋势与夏季相近，最高值出现在陕西省榆林市神木县，为1797.7MJ/m2；最低值出现在山西西南部的运城市，为1476.6MJ/m2。秋季太阳辐射与春夏相比明显有所下降，空间分布特征基本不变，最高值出现在山西西北部的五寨，太阳辐射为1265.1MJ/m2；最低值出现在陕西省延安市的延长县，太阳辐射为967.2MJ/m2。冬季太阳辐射与秋季相比略微有所下降，区域内太阳辐射分布比较接近，无较大差异，最高值出现在山西西部的隰县，太阳辐射为955.7MJ/m2；最低值出现在吉县，太阳辐射为750.6MJ/m2。

3.2.3 红枣成熟干燥期（9-12月）日照时数所占比重评估

秋冬季节为红枣收获成熟并开始干燥的季节，为更好地利用当地丰富的太阳能资源，从而达到代替部分煤炭资源对红枣进行干燥加工，需要对该时间区段内的太阳能资源丰富度进行评估。本文以晋西黄河谷地地区约60年间各气象站点9-12月平均日照时数为参考值，在EXCEL中制作表格，分析秋冬季节日照时数占全年日照时数的比重（延长、吉县、神木、韩城等地除外）。由表1可知，大多数区域所占比例随时间的推移变化不大，基本维持在30%左右，说明秋冬季节太阳能资源较为稳定，其中，绥德所占比例较小，约为20%左右，说明该气象站点附近的太阳能资源在春夏季节较为丰富，秋冬相对弱一些。研究区北部的兴县、五寨、河曲等地太阳能资源较为丰富，该时间区段内日照时数所占比重略大于其他地区。

4 讨论

近几十年来，多数学者研究一致表明中国风速存在明显的下降趋势[10]，晋西黄河谷地地区也符合这一情况，但是变化较小，基本稳定在2.5m/s左右，高值区主要集中在北部地区及南部的运城一带，低值区主要集中在南部的延长、吉县、韩城一带，整体风速值偏小。季节的变化主要表现为春夏大于秋季，区域分布状况与年相似，但是因为红枣的干燥处理过程主要在秋冬进行，所以不利于开发利用。

研究区域内年太阳辐射总量为5467.9MJ/m2左右，年日照时数为2500h左右，在我国的太阳能资源区划中属于三类地区，太阳能资源较为丰富，相当于170-200t标准煤燃烧所发出的热量。1953-2014年年间，日照时数变化呈现减小的趋势，但波动范围较小，空间分布上呈现由北向南递减的趋势，与风速分布状况相近。太阳辐射在季节分布上主要表现为夏季>春季>秋季>冬季，春夏太阳辐射约为1700MJ/m2左右，秋冬太阳辐射约为900-1000MJ/m2左右，这与韩虹，任国玉等人所研究的黄土高原的太阳辐射分布情况基本一致[11]。

以临县克虎镇为例，当地红枣干燥技术主要以燃煤为能源驱动蒸汽锅炉，并将烧煤锅炉产生的蒸汽分别送入蒸干房，反复抽取空气直至烘干红枣为止。平均每干燥1.5t鲜枣大约需要燃烧1t煤，但是煤炭成本过高，且严重污染环境，相关数据表明，燃烧1t煤的烟尘排放量为10kg，产生24kg的SO2以及7.6kg的NO2。如果利用太阳能进行干燥，理论上每年可替代燃煤170-200t，即可减少烟尘排放量1700-2000kg，SO2排放量4080-4800kg，NO2排放量1292-1520kg。经研究计算，秋冬收获季节的日照时数约占全年的30%左右，对于当地的红枣干燥具有一定的参考应用价值。

5 结论

经研究表明，当地风能资源较差，不宜开发利用，但仍具有一定潜力；太阳能资源较为丰富，且清洁无污染，对于当地农产品的加工干燥具有一定的应用价值。但是使用太阳能干燥红枣的缺点是干燥周期长，干燥效果一般，且容易受天气等因素的影响[5]。此外，本文主要从时空角度初步评估了晋西黄河谷地地区风速、太阳辐射、日照时数等气象要素的时空分布特征，为当地能源利用的可行性提供了一定的依据，具体应用时需结合当地实际情况。

参考文献：

[1]龚强，于华深，蔺娜，等.辽宁省风能、太阳能资源时空分布特征及其初步区划[J].资源科学，2008，30（5）：654-655.

[2]戚桓瑜，袁雅琳.太阳能资源开发与利用[M].西安：西北工I大学出版社，2015.

[3]孙曾芹，刘芳.完善我国可再生能源法律制度的几点建议[J].干旱区资源与环境，2013，27（2）：6.

[4]闫加海，张冬峰，安炜，等.山西省太阳能资源时空分布特征及利用潜力评估[J].干旱气象，2014，32（5）：712.

[5]弋肖康.热风干燥特性及品质试验研究[M].北京：中国农业出版社，2017.

[6]张涛涛，延军平，等.气候变化对晋西北地区风能资源的影响[J].干旱气象，2012，30（2）：202-206.

[7]QX/T 89―2008，中华人民共和国气象行业标准[S].

[8]WANG Chenliang， YUE Tianxiangand FAN Zemeng.Solar Radiation Climatology Calculation in China[J]. Journal of Resources and Ecology，2014，5（2）：137.

[9]赵建柱，李景春.山西省风能利用与可持续发展[J].科技信息，2011，17：26.

[10]江滢，罗勇，赵宗慈，等.中国及世界风资源变化研究进展[J].科技导报，2009，27（13）：99.

[11]韩虹，任国玉，王文，等.黄土高原地区太阳辐射时空演变特征[J].气候与环境研究，2008，13（1）：64-66.