太阳能资源分析

太阳能资源分析太阳能作为可再生能源成员中主要的发展对象，其大规模的开发利用是目前人类调整能源消费结构、缓解能源危机、改善生态环境的最及时有效途径。太阳是一颗自己能发光的气体星球，其内部不断进行着热核反应，因而每时每刻都在稳定地向宇宙空间发射能量。人类开发太阳能主要是利用太阳光辐射所产生的能量，由于地球表面大部分被海洋覆盖，达到陆地表面的能量约占太阳达到地球范围内太阳辐射能的10%，然而太阳每秒钟到达地球陆地表面的辐射能相当于世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的3.5万倍，因此太阳能的开发利用日益受到人们的青睐。受日地距离（日地运动）、气象条件及地理位置等多种因素综合影响，不同季节、不同气象条件下地球上不同地区的太阳能资源分布又各不相同，因此对应于不同等级的太阳能资源。太阳能资源分析是大规模太阳能开发利用过程中较为关键的环节，资源分析结果的差异对大规模太阳能项目启动、开发利用及投资收益产生重大的影响。了解我国的太阳能资源分布、采用适当的方式获取有效的太阳能资源数据，利用先进的方法处理太阳能资源数据，依据国家颁布的太阳能资源评估标准（或规范）对拟开发项目的太阳能资源进行分析，其结果对太阳能资源的开发利用有着重要的指导意义。太阳能资源分析其广义分析范围包含：全球（含海洋）太阳能辐射资源分布与分析概况、区域或国家大气候太阳能资源分布与分析；小气候形成的地域太阳能资源分布与分析。本文针对具体工程项目的需求，结合国内外现有技术水平和发展趋势，只对距离（具有代表性的小气候环境）观测站较近或容易获取有效辐照数据的项目地点进行太阳能资源分析，力求太阳能资源分析具备实用性和精确性，至于影响太阳能资源的各种因素（云量、气溶胶等）不在本文分析范围内。1.我国太阳能资源分布及辐射分析1.1我国太阳能资源分布我国幅员辽阔，有着十分丰富的太阳能资源。据估算，我国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50×1018kJ，全国各地太阳年辐射总量达335～837kJ/cm2·a，中值为586kJ/cm2·a。从全国太阳年辐射总量的分布来看，西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大，那里平均海拔高度在4000m以上，大气层薄而清洁，透明度好，纬度低，日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市，1961年至1970年的平均值，年平均日照时间为3005.7h，相对日照为68％，年平均晴天为108.5天，阴天为98.8天，年平均云量为4.8，太阳总辐射为816kJ/cm2·a，比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小，其中尤以四川盆地为最，那里雨多、雾多，晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市，年平均日照时数仅为1152.2h，相对日照为26％，年平均晴天为24.7天，阴天达244.6天，年平均云量高达8.4，其它地区的太阳年辐射总量居中。我国太阳能资源分布的主要特点有：1、太阳能的高值中心和低值中心都处在北纬22°～35°这一带，青藏高原是高值中心，四川盆地是低值中心；2、太阳年辐射总量，西部地区高于东部地区，而且除西藏和新疆两个自治区外，基本上是南部低于北部；3、由于南方多数地区云多雨多，在北纬30°～40°之间，太阳能的分布情况与一般的太阳能随纬度而变化的规律相反，太阳能不是随着纬度的升高而减少，而是随着纬度的升高而增加。根据太阳年总辐射量的大小，可将中国划分为四个太阳能资源带，如图1.1所示。图1.1中国太阳能资源分布图（单位：兆焦耳/平方米，年）关于我国太阳能资源分布研究，中国科学院电工研究所在起草《中国“十一五”光伏发展规划建议报告》中，为使该建议报告具有坚实的科学研究基础，曾特聘我国资深气象科学家朱瑞兆主持编制了我国第一份《中国分省太阳能资源图集》草图（于2006年3月完成，内部资料未付梓），图集非常清晰的绘制了各分省太阳能资源等值线，对于指导我国因地制宜、有序开发太阳能资源提供一些借鉴和参考。1.2我国太阳能辐射分析由上图1.1可见，我国的西藏地区太阳能最为丰富，新疆、甘肃、内蒙及四川西部都非常丰富，华北、东北、华南及长江中下游平原太阳能资源与同纬度的北美洲相比，资源也是较为丰富的，只是重庆、贵州等地的太阳能资源较少。太阳能资源的分布具有明显的地域性。这种分布特点反映了太阳能资源受气候和地理等条件的制约。2.太阳能资源数据获取用户可根据自身的不同需求获取太阳能资源数据，主要可以从地面长期测站、公共气象数据库和商业气象（辐射）软件包等几方面获取。2.1地面长期测站长期测站包含气象站、辐射站、生态站等台站，相关台站能部分或全部承担气象辐射观测。（我国）对于承担气象辐射观测项目（任务）的气象站，按辐射观测内容分为一级辐射站、二级辐射站和三级辐射站。其中，一级辐射站为总辐射、辐射、太阳直接辐射、反射辐射和净全辐射观测的辐射观测站；二级辐射站为只进行总辐射和净全辐射观测的辐射观测站；三级辐射站为只进行总辐射观测的辐射观测站。截至2005年6月底，全国共建立122座太阳能辐射观测站，随着各省太阳能资源的开发力度的加大，各省后期均积极增设，气象局对近年贵州沿河、陕西澄城、湖北等省市新设的观测点（太阳能辐射观测站）做过相关报道。2.2公共气象数据库中国气象科学数据共享服务网是覆盖全国、分布式的科学数据共享服务系统。用户通过身份认证系统，可对共享网站上的气象辐射资料、数据的检索和下载，可获取网站内存在的站点收集包含近30年的（总辐射、净辐射、散射辐射、直接辐射和反射辐射）五个要素的气象辐射资料。美国国家航空航天局（英文首字母缩略词：NASA）气象数据库是一个可以免费查询到全球任何地点的气象数据的服务网站。用户可以通过注册用户、登陆网站，仅输入项目地点的经纬度即可获得太阳能资源（太阳能辐射量）以及相关（降水量、风速）气象资料。2.3商业气象（辐射）软件包在国家发改委/GEF/世界银行中国可再生能源项目支持下，上海电力学院太阳能研究室承担了2003年快速反应基金，杨金焕教授主持创建了“中国太阳能辐射资料库”软件，共收录整理了591个地区（站点）气象辐射资料，包含每个站点1—12月份的总辐射和直接辐射数据，范围涵盖全国特别是我国西部地区。瑞士联邦能源部（SwissFederalOfficeofEnergy）所开发的气象计算软件Meteonorm是一种可以计算全球任何地理位置的太阳辐射和气象资料软件，软件的计算首先依赖于一些预先设定的数据库和运算法则，它包含了对全球906个地区（含亚洲73个地区）至少长达十年的气象监测资料。软件依据其所处气候区域的气象资料库，通过一定的计算法则与插件计算模拟可得到每月、每天、每小时的气象资料，然后根据海拔高度、地形及其他一些浑浊因素进行修正。3.太阳能资源数据处理太阳能辐射资源的数据处理包括：缺测数据的处理、数据合理性验证、不完整记录的统计、水平代表年数据订正以及太阳能计算资源所需参数的确定，此部分主要针对地面长期测站或从公共气象数据库获取的数据进行处理。对于承担气象辐射观测的长期测站，为了完整、正确规范地记录地面气象辐射观测数据及相关背景信息，便于数据的归档、存储、管理和使用，我国已统一地面气象辐射观测数据的归档的格式，便于用户获取。3.1缺测数据的处理在地面气象辐射观测中，若没有按照规定的时间或要求对气象辐射要素进行观测，或未将观测结果记录下来，造成气象辐射数据的空缺，需采用一定方法（插补订正、线性回归、相关比值法等）进行缺测数据的处理。3.2数据合理性的校验依据日天文辐射量等对其合理性进行判断，总辐射最大辐照度＜太阳常数（太阳常数为：1367±7W/㎡）；日总辐射曝辐量＜大气层上界日太阳总辐射曝辐量。对数据进行检验后，列出所有不合理的数据和缺测的数据及其发生的时间。对不合理数据再次进行判别，挑出符合实际情况的有效数据，回归原始数据组。将备用的或可供参考的同期记录数据，经过分析处理，替换已确认为无效的数据或填补缺测的数据。3.3不完整记录的统计计算气象辐照有效数据的完整率，有效数据完整率应达到一定百分比。有效数据完整率可按照下列公式进行计算：式中：应测数目——测量期间小时数；缺测数目——没有记录到得小时平均值数目；无效数据数目——确认为不合理的小时平均值数目。3.4水平年代表数据订正为了对太阳能资源进行正确的预测，作为太阳能辐射分析基础的水平年代表数据就必须具有长期气候代表性。水平年代表数据订正是根据长期测站的总辐射观测数据经验证后，订正为一套能长期代表年气象辐射平均变化规律的一组标准气象辐照年数据。太阳能辐射资料要素必须从逐月月份的气象辐射资料中选出具有代表性的平均月，将这12个平均月连在起组成一个标准气象辐照年。3.5气象辐射数据相关性计算气象辐射相关性计算是指将气象站的水平年辐射代表数据转换为项目建设地点数据的相关性计算，即长期测站与项目地点气象辐射数据有效映射。4.太阳能资源分析太阳能资源分析从两个方面（量、质）三个指标（总量等级、稳定性等级、辐射形式等级）对太阳能资源进行分级。4.1太阳能资源辐射总量分析关于太阳能资源等级，我国早在20世纪80年代初已展开相关研究，目前已经出现多种不同的太阳能资源评价分级方法，因此也导致了评价结果的差异。太阳能资源多寡以太阳总辐射曝辐量度量，它直接反应了太阳能资源可开发程度。根据QX/T89-2008《太阳能资源评估方法》与《太阳能资源等级-总辐射（征求意见稿）》中对太阳能年总辐射量分类，形成如下指标表。表4.1太阳能年总辐射量指标表等级符号年总辐射量（MJ/m2）年总辐射量（kWh/m2）平均日辐射量（kWh/m2）极丰富带I≥6300≥1750≥4.8很丰富带II5040–63001400–17503.8–4.8丰富带III3780–50401050–14002.9–3.8一般IV378010502.9这四个太阳能资源带的年总辐射量指标，如表4.1所示。4.2太阳能资源稳定性分析水平年代表数据中各月总辐射量（月平均日曝辐量）的最小值与最大值的比值可表征总辐射年变化的稳定度，在实际大气中其数值在(0,1)区间变化，越接近于1越稳定。采用稳定度作为分级指标，将太阳能资源分为四个等级：稳定（A），较稳定（B），一般(C)以及不稳定(D)。表4.2稳定性等级名称符号分级阈值稳定A≥0.45较稳定B0.38–0.45一般C0.28–0.38不稳定D0.28太阳能资源的稳定性还可以用各月的日照时数大于6小时天数的最大值与最小值的比值表示，见公式（1）其等级见表4.3。（1）式中：——太阳能资源稳定程度指标，无量纲数；——1至12月各月日照时数大于6h天数，单位为天（d）;——求最大值的标准函数；——求最小值的标准函数；表4.3太阳能资源稳定程度等级表太阳能资源稳定程度指标稳定程度＜2稳定2~4较稳定＞4不稳定4.3太阳能资源辐射形式分析太阳能辐射形式与当地的纬度决定太阳能资源开发利用的形式。水平面总辐射由水平面直接辐射和散射辐射两种形式组成，不同气候类型地区，直接辐射和散射辐射占总辐射的比例有明显差异，不同地区应根据主要辐射形式特点进行开发利用。直射比可以用来表征这一差异，在实际大气中其数值在[0,1)区间变化，越接近于1，直接辐射所占的比例越高。采用直射比作为衡量指标，将全国太阳能资源分为四个等级：直接辐射主导（A），直接辐射较多（B），散射辐射较多(C)以及散射辐射主导(D)。表4.4辐射形式等级名称符号分级阈值直接辐射主导A≥0.6直接辐射较多B0.5–0.6散射辐射较多C0.35–0.5散射辐射主导D0.35在太阳能应用系统设计中，常常需要知道当地的月平均太阳总辐照量和直接辐照量。但有时可能只有月平均太阳总辐射量的数据，可以采用“直散分离”经验公式得出各月直接辐射量占总辐照量得比例。