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今天太阳能到底“能不能”?

发布日期:2022-06-16 04:09    点击次数:165
“碳中和”已经成为了当下的焦点,大家对非化石能源的关注也越来越多:风能、太阳能、水能、生物质能、核能…… 其中,提到“太阳能”时很多人会想起这首儿歌:“一颗送给南极,一颗...

“碳中和”已经成为了当下的焦点,大家对非化石能源的关注也越来越多:风能、太阳能、水能、生物质能、核能……

其中,提到“太阳能”时很多人会想起这首儿歌:“一颗送给南极,一颗送给北冰洋,一颗挂在冬天,一颗挂在晚上……”这样看似天马行空的想法,其实表现了太阳能很容易受气候环境影响的事实。

所以,要想更好地利用太阳能,除了热力学、材料学、半导体工程学等专业知识,还离不开大气科学,尤其是云和气溶胶这两个小因素。

图片来源:pixabay

明天哪里的太阳能“多”?以后预报说了算

天气可以预报,太阳能可以预报吗?

我国太阳能资源的分布在空间上较为复杂,大致是从东部向西部呈增加的趋势,平原、降水多的地区偏小,高原、降水少的地区偏大。如果我们想尽可能地充分利用太阳能资源,就得做好太阳能预报工作,以便后续工程的展开。

地面接收到的太阳能会随辐照度的变化而变化,因此在太阳能预报工作中至关重要的一环就是关于太阳辐照度的预报,而太阳辐照度的预报则需要大气科学方面的专业知识,因为太阳辐照度的变化涉及大气过程,主要是云和气溶胶这两个因素。

小伙伴们对云变化的理解是非常直观的,当我们在户外活动又累又热的时候,如果正巧远处的一大片云遮住了太阳,我们会感觉凉爽一些。其中的缘由就是云对太阳辐射有强烈的散射作用,使得到达我们身上的太阳辐射减少了。在云的多种类型中要属积云和卷云最变化多端,不确定性最大。

积云和卷云

(图片来源:pigsels)

此外,太阳能资源较为丰富的地区多为干旱半干旱的荒漠沙漠地区,沙尘(暴)的影响是非常频繁的,其中就涉及到气溶胶对太阳辐照度预报的影响,做好这一方面的预报工作同样也需要气象学家们的帮助。气溶胶粒子的增多会增大对太阳辐射的散射,跟云一样会影响太阳辐照度。

目前,很多的研究都是采用纯数据驱动的模型来预报太阳能,也就是将过去的天气数据和已有的太阳能数据作为初始值输入到机器学习或者统计模型中得到预报结果,这样的方法是纯统计的,没有涉及大气物理过程。但是,太阳辐照度的预报是会受大气过程影响的。

因此,哈尔滨工业大学杨大智教授倡导ROPES准则, 这一准则能为太阳能预报工作顺利且准确地展开“保驾护航”。ROPES是可复现(Reproducibility)、可实际运行(Operational)、基于物理(Physical-based)、集合预报(Ensemble)和预报技巧(Skill)这五个英文单词首字母的合成。

杨大智教授与其团队的王文婷博士生,在和中国科学院大气物理研究所夏祥鳌研究员合作专门为大气科学界撰写的《太阳能资源评估与太阳能预报简述》(参考文献2)中,介绍了ROPES准则,并希望未来大气科学与太阳能工程两个研究领域能够加强跨学科合作,特别需要共同攻克“云”和“气溶胶”两大难关。

太阳能利用装置灵不灵?气象说了算

有了太阳能预报,我们对是否能利用太阳能就心中有谱了。但是太阳能是看不见摸不着的,就像是一只“无形的手”, 如果我们想精确地控制这只“无形的手”就需要另外一只“有形的手”的辅助,那就是太阳能利用装置。

常见的太阳能热水器、太阳房、太阳灶、太阳能制冷空调等都是直接利用太阳辐射带来的热量,这种光热利用的方式虽然在技术和初始投资方面存在优势,但是存在不灵活、能量不易储存易浪费等缺点。

将太阳能以电能的形式储存起来(光伏发电)则正好可以弥补光热利用方式的缺陷,可以说是更高效的太阳能利用形式。光伏发电装置才是我们真正所需要的那只“有形的手”,它能给我们带来更大社会和经济效益。

太阳能热水器和太阳灶

(图片来源:pigsels)

中国光伏电站安装量增加最快的当属西北干旱半干旱地区,这些地区太阳辐射充足,而且这些地区的土地基本为不可利用的土地,使用成本低。在中国的沙漠戈壁地区存在四个大规模的光伏电站基地:格尔木-共和、河西走廊、银川南北和新疆哈密-和田大型光伏电站群。

光伏发电装置(太阳能电池板)

(图片来源:pigsels)

但是,你知道吗,光伏发电装置的工作效率还会受到气象因素的影响。

1.(直接)影响装置接收到的太阳辐射

太阳辐射通过大气到达地表,在大气传输中存在复杂的散射和吸收,其中就涉及到云量和气溶胶等因素的影响[3],它们直接决定装置能接受到多少的太阳辐射。

云和气溶胶这两个因素不仅在太阳能预报中具有非常重要的作用,在太阳能利用方面也是不可忽视的因素。我国云量的分布与太阳能资源的分布存在一定的相似之处:西北地区云量少,太阳能资源丰富;四川盆地地区云量多,太阳能资源相对匮乏一些。

气溶胶的影响通常会以沙尘和雾霾的形式呈现出来,但是沙尘和雾霾不仅会通过影响大气透明度减少到达光伏板上的辐射量,还会使得光伏板产生积尘,积尘的影响也是不容小觑的[5]。

沙尘暴和霾

(图片来源:pigsels)

2.(间接)影响光伏组件的发电效率

上述三个气象因素是从外部直接影响装置接收到的太阳辐射,那从内部角度出发,又有哪些气象因素会对光伏组件的工作效率产生影响呢?

不同光伏组件都有各自适宜的光谱和温度,只有在一定的光谱和温度下,组件才能充分发挥它的性能。另外降雨量和降水强度、风向和风速等气象因素则会影响光伏组件表面的积尘以及太阳能电池温度。光伏组件的积尘通过降低组件表面玻璃的透光率,进而削弱光伏组件接收到的太阳辐射强度;过高的电池温度也会降低太阳能转换效率。

积尘形态(A:干积尘;B:湿积尘)

(图片来源:参考文献[5])

结语

到2060年,我国将实现非化石能源消费比重达到80%以上,为了达到这样的目标,我们需要高比例、大规模的太阳能并网发电。不管是从太阳能预报的角度,还是太阳能利用的角度,气象因素的影响是不可忽视的,特别是云和气溶胶这两个因子的影响。

期待太阳能工程学和大气科学携手“种太阳”,把清洁、温暖的阳光送到千家万户!

作者单位:中国科学院大气物理研究所

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原标题:“今天太阳到底“能不能”?这个问题得这么回答”

来源:科学大院

编辑:乐子超人

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