1、太阳能资源开发利用及其气象服务需求,（湖北省气象能源技术开发中心，武汉）,2011-10,提纲,一、认识太阳能二、太阳能开发利用方式三、太阳能开发利用进展四、对气象服务的需求分析,JRC预测：未来百年世界能源结构,目前，太阳能资源（SES）开发利用在整个可再生能源（RE）投资中增速最快。到2030年，RE将占30%以上，太阳能发电提供10%以上的电力。到2040年，RE将占50%以上，太阳能发电提供20%的电力。到本世纪末，RE将占80%以上，太阳能发电将占60%以上。,欧盟联合研究中心（EU, JRC），2004,IEA预测：光伏发电将成为主要的电力来源。,2010-2050年光伏发电及占电
2、力比重（IEA, Technology Roadmap Solar photovoltaic energy， 2010年）,假定下个十年光伏市场平均增长17%，到2020年全球累计光伏安装容量为200GW。下下个十年光伏市场平均增长率为11%，则2030年全球累计光伏安装容量将为900GW，同时每年新增安装量100 GW，这样到2040年全球光伏安装量将为2000 GW，到2050年可达到3000 GW。2030年光伏发电将提供全球5%的电力，到2050年光伏发电提供的电力将占11%。,过去十年的事实证明：所有机构都低估了太阳能发电的快速发展趋势。,一、认识太阳能,太阳中氢原子核在超高温时聚变
3、释放巨大能量，源源不断地向宇宙空间放射电磁波或粒子，称为太阳辐射。太阳每秒释放的能量是3.8651026J，1/22亿到达地球大气层，强度为173亿kW。年到达量相当于130万亿吨煤，是目前全球能耗的1万倍。,水，金，地，火，木，土，天王，海王，冥王,广义太阳能包括地球上绝大多数能量，还包括风能，化学能（化石能源、生物能），热能、光伏发电、聚光热发电、水势能等。太阳能是人类能源的宝库，未来的希望。太阳能（Solar Energy），一般是指太阳光的辐射能量。,太阳能的定义,太阳能的光谱特性,到达地表的太阳辐射波长范围0.15-4m，辐射能主要集中在可见光区和红外光区。又称短波辐射。生物利用主要
4、集中在可见光区（效率1-1.5%）；光热利用为全波段；光伏利用只集中在0.32-1.1m（15-20%；聚光光伏25-40%）。,7% 50% 43%,全球太阳能资源空间分布,全球太阳能资源最丰富的地区位于美国西南部、非洲、澳洲、我国西北部、中东等（即sun belt），平均总辐射量在2000 kWh/m2/a以上。其中撒哈拉沙漠、阿拉伯半岛地区在2500 kWh/m2/a以上。,全球太阳能总辐射年总量空间分布(1981-2000),换算关系：1kWh=3.6MJ,中国太阳能资源空间分布,我国年平均总辐射量空间分布（气候学方法推算结果）,我国年平均总日照时数空间分布（实测结果）,据测算，我国太
5、阳能理论捕获量达每年17000亿吨标准煤，年平均日辐射量在4kWh/m2以上，与美国相近，比欧洲、日本优越，开发潜能巨大。潜在可发电量42000TWh/a，远大于目前的年用电需求5000TWh/a。我国的新疆东南部、内蒙古西部、甘肃西部、青海和西藏大部分地区太阳能资源最丰富区或很丰富区，约占国土面积的20%；四川盆地的太阳能资源相对一般；其它地区均为丰富区。,太阳能资源丰富程度等级表太阳能资源评估方法（QX/T 89-2008),太阳辐射的时间变化,太阳辐射具有明显的日、季周期变化，也有年代际变化；太阳辐射随天气具有波动性、随机性乃至间歇性。,武汉站2010年8月1-7日逐时太阳辐射变化,武汉
6、站太阳辐射季节变化（1981-2010年平均）,日周期变化,随机性,季周期变化,间歇性,优势能量巨大：每年到达地球表面上的太阳辐射能约相当于130万亿吨煤，是现今世界上可以开发的最大能源。可再生：据估算太阳中氢的贮量能维持上百亿年，可以说太阳的能量是用之不竭的。无处不在：阳光普照大地，没有地域的限制，可直接开发和利用，无须开采和运输。清洁无害：不会产生有害气体和废渣，因而不污染环境，为“干净能源”。几乎没有噪音，没有户外旋转部件，不会对鸟类产生生态危害。,太阳能优缺点,缺点能流密度低：尽管太阳能总量很大，但能量密度最大夏季为1kW/m2，冬季为1/2，阴天为1/5，年平均只有200W左右。要得
7、到一定的转换功率，往往需要大面积能量收集和转换设备，造价高，气象环境影响大。间歇性与不稳定性：由于受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度、天气变化等限制，到达某地的太阳辐照度具变化大，给大规模应用增加了难度。成本仍偏高：目前太阳能开发理论上可行，技术成熟，由于以上原因，成本仍较高。当效率提高、规模扩大，成本下降到可与常规能源相比，大规模开发利用将迎来爆炸式增长。,间接利用： 化石能源（煤、石油、天然气等）、水势能、风能等 生物质能再利用：沼气、秸秆发电、油料作物制醇（汽车动力）直接利用： 被动利用（passive）：光合作用、建筑采光 主动利用(direct)：集热（光热转换）、发电（光伏、聚光热
8、发电、制氢）,二、太阳能开发利用方式,化石能源（煤、石油、天然气等） 水势能 风能,被动利用：光合作用：植物、藻类和某些细菌利用叶绿素，在光的照射下，将二氧化碳、水或是硫化氢转化为碳水化合物。建筑采光/采暖：通过建筑朝向和周围环境的恰当布置，建筑内、外空间布局的巧妙处理以及围护结构和建筑材料的合理选择，使建筑物本身能在冬季汲取、贮存和分配太阳热能，在夏季又能遮蔽太阳辐射、散逸室内热量。,建筑采光/采暖/通风,植物光合固碳作用,主动利用：太阳能集热：太阳能热水器、太阳能采暖系统、太阳能灶、太阳能空调太阳能发电：光伏发电（PV，CPV）、聚光热发电（CSP）光化学利用：利用太阳辐射能直接分解水制氢
9、的光化学转换方式。目前主要指利用光伏发电再制氢。,太阳能热利用,将太阳辐射能转化为热能。传统热利用（低温）： 太阳能热水器（目前主流）-关键是集热(集热器)和保温(贮热水箱）。 太阳能供热采暖系统（未来趋势）-由太阳能集热器、贮热水箱、循环管道及相关装置、设备(水泵、控制部件等)和末端散热设备组成。近年来，包括区域供热在内的大型综合系统的工程应用发展较快。 太阳能灶-利用聚光镜获取太阳辐射，加热炊事烹饪食物。,上世纪80年代，我国在太阳能热利用关键技术如新型集热器及制造工艺上取得突破。清华大学发明了“选择性吸收涂层”，真空管式太阳能热水器成为主力产品。我国是世界上最大太阳能热水器生产国和市场利
10、用国，也是我国唯一在生产能力和利用规模上绝对领先的可再生能源产业。我国太阳能热水器2010年年产量4900万，占世界年产量80%左右。2010年保有量为16800万，占世界总量60%，每千人均占有量为123.5，高于德国水平。我国集热器类型：平板型；全玻璃真空管；玻璃一金属真空管。今年底，国家将正式出台该行业第一个强制性国家标准家用太阳能热水系统能效限定值及能效等级，太阳能供热将持续、快速、规范发展。,太阳能发电技术,光伏发电技术（主流技术），把太阳辐射直接转变为电能的发电方式。分普通光伏发电和聚光光伏发电两种。前者分单晶、多晶、非晶（薄膜、有机）、多结。后者者分低倍、高倍聚光。聚光热发电（C
11、SP）技术，利用聚光集热器将太阳能聚集起来产生高温热能，加热介质（如蒸汽）来驱动发电机发电的技术，其他组成部分与常规发电设备类似，是从光-热-电的间接发电方式。又分为三种（槽式、塔式、碟式），原理不完全相同。太阳能发电呈现多样化趋势。,普通光伏发电及并网的基本原理,并网逆变器，实现最大功率点跟踪控制，将光伏阵列输出的直流电进行变换转成交流电后才能接入电网。,光伏效应（PV，Photovaltaic），半导体表面受到太阳光照射时，其内产生大量电子-空穴对，在内建电场作用下运动，产生光生直流电。,1954年研制成效率达6%的单晶硅太阳电池，1958年应用于卫星。70年代以前，效率低，售价昂贵（$1
12、360/W），主要应用在空间。70年代以后，对太阳电池材料、结构和工艺进行了广泛研究，在效率大幅提高和成本急剧（$1/W），地面应用规模逐渐扩大。目前，世界上实验室最高效率为：InGaPGaAs双结电池3028%（AM1）单晶硅电池24（4cm2)，多晶硅电池18.6%（4cm2）非晶硅电池14.5%（初始）、12.8%（稳定），碲化镉电池15.8%，硅带电池14.6%，二氧化钛有机纳米电池10.96%。商品化组件效率从1013%提高到1216%。目前世界上太阳能开发应用最广泛的是太阳电池。,太阳能电池的发展,世界光伏组件在过去15年平均年增长率约15%。90年代后期，发展更加迅速，最近3年平
13、均年增长率超过60%。2010年达到历史性的20.0GW。在产业方面，各国一直通过扩大规模、提高自动化程度、改进技术水平、开拓市场等措施降低成本，并取得了巨大进展。国内整个光伏产业的规模逐年扩大，截至2007年底中国光伏电池总产量达到1.088GW，超越欧洲和日本，成为世界上最大的太阳能电池制造国，2010年超过8.0GW，已连续5年世界第一。,图 2001-2010年全球光伏电池年产量,单晶硅电池,多晶硅电池,薄膜电池,第一代多晶硅单晶硅电池,第二代薄膜电池有机电池,电池组件module,电池cell,CPV,聚光光伏发电技术,CPV通过透镜或镜面聚集成百上千倍太阳能于效率极高的小光电池上，
14、具有电池面积小、光谱吸收宽、转换效率高、耐高温、适合于日照强烈地区等优点，成本低，能耗小。相比之下，CPV系统采用多结-V 族化合物电池，理论转换率50，考虑聚光和追踪误差损失，仍可达25，高于晶硅电池（17）。并将长期与晶硅、薄膜电池共存。,低倍聚光太阳电池,400 X,500 X,250 X,250 X,中高倍聚光太阳电池,聚光热发电（CSP）技术,利用聚光集热器将太阳能（直接辐射）聚集起来产生高温热能，加热介质（如蒸汽、油）来驱动发电机发电的技术，是从光-热-电的间接发电方式。其他与常规发电类似。20年多前，美国加州建成9座总装机354MW的槽式聚光热发电站，年发电10.8亿kWh，可供
15、50万人使用。2007年新的聚光热发电系统才在美国内华达（60 MW）投产。,槽式,塔式,碟式,三种聚光发电系统的性能比较,陈于平. 2010.聚光热发电技术应用与前景J. 电网与清洁能源，26 (7)：29-33,PV是直接发电方式。除跟踪式外无旋转部件，不易损坏，安装容易和灵活，易于在建筑上集成。属于主流技术，近年成本下降快，大规模商业化应用已持续多年。缺点是所发电力波动大且无法储存。CSP是间接发电方式。不需要光伏材料，理论上可以24小时发电，但尚有许多技术问题需解决（如聚光设备可靠性、集热器性能、介质温度不高、热损失和阻力损失较大、储能能力有限等，也即其缺点），仍处于商业化示范阶段。,
16、光伏发电VS聚光热发电,三、太阳能开发利用进展,1、光伏发电步入高速发展,2000-2010年全球光伏发电年装机容量分布（欧洲光伏产业协会统计，Solar photovoltaic electricity empowering the world ，2011）,太阳能光伏发电技术成为增长最快的可再生能源发电技术。2008年出现历史上高位增长，年增长率达136.1%，因金融危机，2009年有所放缓。2010新增装机恢复增长达18.2GW,相对于2009年增幅152.7%。,李芬，陈正洪，何明琼，徐静。太阳能光伏发电的现状及前景，水电能源科学，2011，（12）即将发表,截止2010年底，全球累计
17、光伏装机容量近40GW。德国占世界的45%，达18 GW，占其电力供应的13%左右。其次是西班牙，日本，意大利，美国，捷克和法国（占世界40%）。2010年年底，中国累计装机容量为893MW。,2000-2010年全球光伏发电累计装机容量分布（欧洲光伏产业协会 Global market outlook for photovoltaics until 2015 ）,全球主要的光伏市场国家分布,截止2010年年底全球人均光伏拥有量国家分布,截止2010年底，两个国家人均光伏拥有量超过100W。德国人均光伏拥有量世界第一，达到206W。其次是捷克，人均达187W 。,并网光伏发电成为绝对主流,20
18、00年，并网光伏系统首次超过离网光伏系统。目前并网光伏发电成为主流，欧洲2008年年底累计并网光伏发电份额超过98.7%。2009年新增的离网系统不到3.7%，而新增并网系统占到96.3%以上。,最近五年全球并网、离网光伏系统年装机容量,大规模并网光伏电站发展迅猛,08年兆瓦级占到大规模光伏电站75%以上,大型并网光伏电站（200KW）占累计装机容量比值,08年大规模约占总装机容量54%,未来光伏发电发展目标,光伏组件及配套部件在制造过程中会产生温室气体，运营期则无排放，根据EPIA 2011的调查，光伏发电系统在制造过程排放CO2折合15-20g/kWh，而世界平均常规能源发电排放CO2是6
19、00g/kWh。随着技术进步，制造过程排放将逐年下降。,2010-2020年光伏发电发展目标（欧洲光伏产业协会，EPIA， 2010年）,*成本不仅仅与技术进步有关，也有市场的成熟水平有关。*南欧接受的年辐射总量在1500-2000KWh/ m2 之间。,中国年电池产量VS年光伏装机容量,2011年7月，国家发改委下文关于完善太阳能光伏发电上网电价政策的通知 ，全国统一的太阳能光伏发电标杆上网电价出台（1-1.15元/kWh），将极大促进太阳能光伏发电产业持续健康发展。,近三年来，发展迅猛，全球在北非，西班牙和美国规划了50多个CSP项目。西班牙Andasol电站由三个50MW槽式太阳能热电站
20、组成，1号电站已并网发电，是欧洲首座大规模商业化太阳能热电站，是世界上首座带有蓄热系统的太阳能热电站，具有7.5 h的蓄热能力。由中德合资的我国第一个槽式太阳能热发电站，已通过公开招标，将在内蒙古鄂尔多斯建设。2011年，GTM Research报告指出，CSP系统2011年将达到472 MW，2012年将突破1200 MW。然而，随着太阳能光伏发电成本得到更快的削减，更多公共事业规模项目将选择低成本的光伏发电而非聚光热发电。,2、聚光热发电（CSP）快速发展,四、太阳能资源开发的气象需求,需求是多方面的，基本贯穿整个过程，监测、评估（含可行性论证、预估及后评估、区划）、预报、预警。太阳能资源
21、监测和评估。辐射及光伏发电功率预报。高温、大风、雷暴、暴雪等灾害天气预报预警。太阳能转换效率试验研究。标准、规范、规章,宏观决策的需要太阳能资源是国家的战略资源，对其科学监测与评估是开发利用的基础性工作。,我国及各省太阳能资源总储量有多少？精细化的空间分布如何？哪些地方适合大规模的布局规划？（区划）布局的规模可以达到多大？为何选择光伏、光热发电模型？某地光伏、光热发电潜能估算？太阳能开发的预期经济收益？回收期？,太阳能资源评估的必要性,微观选址的需要综合考虑（资源、土地利用、交通、电网接入点、接纳能力），根据不同气候和地理环境（南、北方辐射分布特征），采用不同的利用方式，具有不同的微观选址需求
22、。,电站设计的需要最佳倾斜角、最佳方位角、适合当地气候的材料选型（单晶、多晶、薄膜等）、规模（面积）。,武汉（E114.41，N30.51）09年8月2日某并网光伏逆变器输出日变化曲线,光伏输出功率短时波动大，随着并网光伏发电穿透功率的增加，会对电力系统稳定性有影响，据美国NERC研究，在一日内光伏输出以2-10分钟时间范围统计会出现数次达到+/-70%的功率波动。,武汉（E114.41，N30.51）09年8月1-31日某并网光伏逆变器输出变化曲线,光伏发电出力具有很强的日变化周期性。,光伏发电预报的必要性,光伏发电利用的是一个气象要素：辐射，而辐射随地理、年内、日内、天气状况而变化（云量、
23、能见度或气溶胶），这就决定了光伏发电出力的波动性和不确定性，为不可控电源，会冲击电网（占比超过10-15%就有较大影响），功率预报应运而生。发挥精细化数值预报技术优势，开展辐射及光伏发电功率预报，有利于电力系统科学调度、制定规划、减少备用旋转容量，而且有利于电站合理安排检修，提高出力。利用辐射的日变化曲线，在夏季负荷高峰期，光伏发电系统可以为电网发挥削峰填谷的作用。变不确定为确定，精确的气象预报大有可为。,问题的提出,2011年6月，国家能源局发布了风电场功率预测预报管理暂行办法，强制性规定所有并网运行的风电场在2012年1月1日前均应具备风电功率预测预报能力，否则不能并网，并在2012年7月
24、1日起正式纳入考核； 虽然国家层面没有光伏电站功率预测的相应规定，只要求上报辐射和峰值功率，但随着光伏电站占比增加，对应办法出台将不会太久。宁夏等地电力部门已提前制定规定。,灾害性天气预警的必要性,无论哪种太阳能利用方式，都有大量电气部件、机械装置和建（构）筑暴露在自然大气中，必然对灾害性天气高度敏感性。发挥气象部门优势，开展灾害天气预报预警，保障电站、电网安全，提高发电效率。高温热浪使发电效率下降、使电池寿命缩短大风冰雹损坏露天发电设备、建（构)筑物雷电击坏电子与电器部件、建（构)筑物沙尘暴可以损坏电站、聚光部件及降低发电效率暴雪冰冻则会使发电输出为0、输电设备损毁。暴雨山洪地质灾害则会淹没、摧毁电站基础设施。,许多可研报告对气候资源评估根本不重视；资源评估资料来源不正，往往直接从国外网站下载不准确资料；方法是黑匣子，从国外网站下载一些软件，对其中方法不甚了解；资源评估结果偏大20-50%是经常性的，这是绝对不允许的；尚无国家层面规范太阳能电站功率预报的文件；对于目前太阳能开发存在的乱象，气象部门应尽快从宏观和国家层面出发，提出和制定一系列的标准、规范、规章，引导太阳能资源的有序开发和规范行业发展。,进行规范的必要性,
