光伏資源要怎么算？

太陽是個核聚變的大火球，每秒使用5億噸的氫原子參與聚變，其中有400萬噸的物質轉化成能量，相當于一秒鐘內(nèi)同時爆炸910億顆100萬噸級的氫彈。每分鐘所釋放的熱量則相當于1.3億億噸煤燃燒時釋放的熱量。一秒內(nèi)太陽的能量都集中到地球3秒地球水全無。 　　好在太陽距離地球很遠，地球獲得的能量只是太陽輻射的所有能量的二十二億分之一。不過這個數(shù)量也是巨大的，太陽能資源每年達到地球約88.5億億千瓦時，大概是目前全球年能源消耗總量的5000倍。這么多的能量人類要是都能用起來，那能源危機就徹底解決了。 　　理論上說地球上除了核能、潮汐能和地熱能，剩下所有能源都是太陽賦予的：煤炭石油是百萬年前的太陽能，而風能、水能、太陽能是實時的太陽能。直接用太陽能的莫過于光伏效應和光熱效應了，而目前最有開發(fā)潛力的是光伏發(fā)電。據(jù)國際能源署IEA預測，2050年可能全球電能的16%來自于光伏發(fā)電，11%來自于光熱發(fā)電，太陽能發(fā)電共提供了全球27%的電能。 　　既然要開發(fā)太陽能資源，就要先測算有多少可以利用。一般人們利用太陽能都是地面的太陽能，太陽能的多少有兩個要素：一是陽光是直射還是斜射，同樣一束光柱，直射到的面積必然小于斜射面積，所以直射表面單位面積的太陽能也必然大于斜射表面的太陽能；另一個因素是大氣的散射作用，大氣中的顆粒越多，散射越強，達到地面的太陽能就越少，北京的這種霧霾天是不要想有什么太陽能的，另外聚光光伏的效率高到30%多的一個因素就是他可以利用直射和散射的所有光線。 　　一般在太陽直射的情況下，地球上1平米的地方接受的輻射量是1kW，地球上所有地方一年的光照時間都是4380小時，一年8760小時的一半，也就是一個地方最多一年接受4380kWh的太陽能。不過因為太陽高度角或者說直射和斜射的差異，緯度低的地方一般比緯度高的地方接受的太陽能輻射更多。一般1500kWh/m2/y以上的輻射量就算資源比較好的地區(qū)了。下圖是全球資源分布。 　　高原地區(qū)肯定比同緯度海拔低的地方輻射量大，因為空氣稀薄散射小，比如南美科迪勒拉山脈的高原以及我國的青藏高原。不過有趣的是，中非、巴西和印尼的一些在赤道上的地方反而不如中東、北非、南非、澳大利亞等地區(qū)的輻射度大。這是因為這些赤道地區(qū)的熱帶雨林太茂盛了，空氣中水分太多，陽光散射就多，反而不如熱帶的干旱、半干旱地區(qū)輻射量大，即便干旱半干旱地區(qū)的直射量少了一點點。歐洲的平均輻照度是1200kWh/m2/y，中東是1800-2300kWh/m2/y。 　　下面就說到我們可以利用的太陽能量了，這每平米1kW的太陽能我們是不可能都吸收的，我們一般會用所得能量除以輻射能量，得到的就是光伏的光電能量轉化效率。比如單晶硅光伏板能量轉化效率20%，那么每平米光伏板就能獲得200W的能量。不同的技術，光電轉化效率不同，下圖就是不同公司不同技術的效率，資料來自IEA的《2014光伏技術路線圖》。硅基光伏一般在15%-25%的效率，薄膜光伏一般在10%-15%的效率。 　　光伏發(fā)電裝機容量的單位是瓦W，或者叫“峰瓦”Wp（watt-peak），與名義效率無關。名義效率是在標準工況（standard test conditions，STC）下測得的發(fā)電容量（標準工況是25℃，1.5倍大氣厚度，垂直入射，輻照度為1000W/m2）。例如標準工況下，1平米大的光伏板，在15%的效率下，發(fā)電容量是150W，在20%的效率下，容量是200W。而“峰瓦”是實際輸出的功率，除了取決于光電轉化效率外，還與光伏資源量、光伏板角度、光伏系統(tǒng)的綜合效率（performance ratio，PR）有關。綜合效率的相關因素很多，包括組件實際溫度、組件匹配度、輻射條件、灰塵、電路阻抗、逆變器損耗等等。良好設計的光伏電站，年均PR可以達到80%-90%。所以我們計算光伏資源量不能只看光伏板的能量轉化效率，還要看它安裝在什么地方、角度如何、以及系統(tǒng)的綜合效率如何。 　　例如，一個光伏發(fā)電系統(tǒng)年接受陽光輻照度1200kWh/m2，當PR是85%時，年發(fā)電量1020kWh/kW，也就是1020個年利用小時，或容量系數(shù)11.6%（1020/8760）。當陽光強烈達到2500kWh/m2時，同樣的系統(tǒng)能發(fā)電2125kWh/kW，容量系數(shù)為24.3%。 　　當然，光伏板的角度也有很大關系，如果是可以跟蹤太陽位置的光伏板，比如單軸或雙軸的光伏系統(tǒng)，雖然造價高了，但實際的發(fā)電量也會提高。例如法國某地區(qū)的年輻照量只有1300kWh，但用了優(yōu)秀的單軸和雙軸跟蹤系統(tǒng)后，可以將光伏板接受的輻照量提高到1500kWh。 　　所以要計算全球的光伏資源量，與光伏能量轉化的技術、安裝地點、板對太陽的角度、系統(tǒng)的綜合效率都有關系，非常之復雜。但總體來說，太陽能資源非常豐富，即便只有1%的太陽能轉化為了電能，那也是全球年耗能量的幾十倍。