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图析太阳能光伏资源的算法

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  • 更新日期:2014-11-03
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太阳是个核聚变的大火球,每秒使用5亿吨的氢原子参与聚变,其中有400万吨的物质转化成能量,相当于一秒钟内同时爆炸910亿颗100万吨级的氢弹。每分钟所释放的热量则相当于1.3亿亿吨煤燃烧时释放的热量。一秒内太阳的能量都集中到地球3秒地球水全无。

好在太阳距离地球很远,地球获得的能量只是太阳辐射的所有能量的二十二亿分之一。不过这个数量也是巨大的,太阳能资源每年达到地球约88.5亿亿千瓦时,大概是目前全球年能源消耗总量的5000倍。这么多的能量人类要是都能用起来,那能源危机就彻底解决了。

理论上说地球上除了核能、潮汐能和地热能,剩下所有能源都是太阳赋予的:煤炭石油是百万年前的太阳能,而风能、水能、太阳能是实时的太阳能。直接用太阳能的莫过于光伏效应和光热效应了,而目前最有开发潜力的是光伏发电。据国际能源署IEA预测,2050年可能全球电能的16%来自于光伏发电,11%来自于光热发电,太阳能发电共提供了全球27%的电能。
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既然要开发太阳能资源,就要先测算有多少可以利用。一般人们利用太阳能都是地面的太阳能,太阳能的多少有两个要素:一是阳光是直射还是斜射,同样一束光柱,直射到的面积必然小于斜射面积,所以直射表面单位面积的太阳能也必然大于斜射表面的太阳能;另一个因素是大气的散射作用,大气中的颗粒越多,散射越强,达到地面的太阳能就越少,北京的这种雾霾天是不要想有什么太阳能的,另外聚光光伏的效率高到30%多的一个因素就是他可以利用直射和散射的所有光线。

一般在太阳直射的情况下,地球上1平米的地方接受的辐射量是1kW,地球上所有地方一年的光照时间都是4380小时,一年8760小时的一半,也就是一个地方最多一年接受4380kWh的太阳能。不过因为太阳高度角或者说直射和斜射的差异,纬度低的地方一般比纬度高的地方接受的太阳能辐射更多。一般1500kWh/m2/y以上的辐射量就算资源比较好的地区了。下图是全球资源分布。
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高原地区肯定比同纬度海拔低的地方辐射量大,因为空气稀薄散射小,比如南美科迪勒拉山脉的高原以及我国的青藏高原。不过有趣的是,中非、巴西和印尼的一些在赤道上的地方反而不如中东、北非、南非、澳大利亚等地区的辐射度大。这是因为这些赤道地区的热带雨林太茂盛了,空气中水分太多,阳光散射就多,反而不如热带的干旱、半干旱地区辐射量大,即便干旱半干旱地区的直射量少了一点点。欧洲的平均辐照度是1200kWh/m2/y,中东是1800-2300kWh/m2/y。

下面就说到我们可以利用的太阳能量了,这每平米1kW的太阳能我们是不可能都吸收的,我们一般会用所得能量除以辐射能量,得到的就是光伏的光电能量转化效率。比如单晶硅光伏板能量转化效率20%,那么每平米光伏板就能获得200W的能量。不同的技术,光电转化效率不同,下图就是不同公司不同技术的效率,资料来自IEA的《2014光伏技术路线图》。硅基光伏一般在15%-25%的效率,薄膜光伏一般在10%-15%的效率。

光伏发电装机容量的单位是瓦W,或者叫“峰瓦”Wp(watt-peak),与名义效率无关。名义效率是在标准工况(standard test conditions,STC)下测得的发电容量(标准工况是25℃,1.5倍大气厚度,垂直入射,辐照度为1000W/m2)。例如标准工况下,1平米大的光伏板,在15%的效率下,发电容量是150W,在20%的效率下,容量是200W。而“峰瓦”是实际输出的功率,除了取决于光电转化效率外,还与光伏资源量、光伏板角度、光伏系统的综合效率(performance ratio,PR)有关。综合效率的相关因素很多,包括组件实际温度、组件匹配度、辐射条件、灰尘、电路阻抗、逆变器损耗等等。良好设计的光伏电站,年均PR可以达到80%-90%。所以我们计算光伏资源量不能只看光伏板的能量转化效率,还要看它安装在什么地方、角度如何、以及系统的综合效率如何。

例如,一个光伏发电系统年接受阳光辐照度1200kWh/m2,当PR是85%时,年发电量1020kWh/kW,也就是1020个年利用小时,或容量系数11.6%(1020/8760)。当阳光强烈达到2500kWh/m2时,同样的系统能发电2125kWh/kW,容量系数为24.3%。

当然,光伏板的角度也有很大关系,如果是可以跟踪太阳位置的光伏板,比如单轴或双轴的光伏系统,虽然造价高了,但实际的发电量也会提高。例如法国某地区的年辐照量只有1300kWh,但用了优秀的单轴和双轴跟踪系统后,可以将光伏板接受的辐照量提高到1500kWh。

所以要计算全球的光伏资源量,与光伏能量转化的技术、安装地点、板对太阳的角度、系统的综合效率都有关系,非常之复杂。但总体来说,太阳能资源非常丰富,即便只有1%的太阳能转化为了电能,那也是全球年耗能量的几十倍。
 
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