图析太阳能光伏资源的算法

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。

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。

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。