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太陽(yáng)是個(gè)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(wàn)噸的物質(zhì)轉(zhuǎn)化成能量，相當(dāng)于一秒鐘內(nèi)同時(shí)爆炸910億顆100萬(wàn)噸級(jí)的氫彈。每分鐘所釋放的熱量則相當(dāng)于1.3億億噸煤燃燒時(shí)釋放的熱量。一秒內(nèi)太陽(yáng)的能量都集中到地球3秒地球水全無(wú)。
好在太陽(yáng)距離地球很遠(yuǎn)，地球獲得的能量只是太陽(yáng)輻射的所有能量的二十二億分之一。不過(guò)這個(gè)數(shù)量也是巨大的，太陽(yáng)能資源每年達(dá)到地球約88.5億億千瓦時(shí)，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(lèi)要是都能用起來(lái)，那能源危機(jī)就徹底解決了。
理論上說(shuō)地球上除了核能、潮汐能和地?zé)崮?，剩下所有能源都是太?yáng)賦予的：煤炭石油是百萬(wàn)年前的太陽(yáng)能，而風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能是實(shí)時(shí)的太陽(yáng)能。直接用太陽(yáng)能的莫過(guò)于光伏效應(yīng)和光熱效應(yīng)了，而目前最有開(kāi)發(fā)潛力的是光伏發(fā)電。據(jù)國(guó)際能源署IEA預(yù)測(cè)，2050年可能全球電能的16%來(lái)自于光伏發(fā)電，11%來(lái)自于光熱發(fā)電，太陽(yáng)能發(fā)電共提供了全球27%的電能。
既然要開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能資源，就要先測(cè)算有多少可以利用。一般人們利用太陽(yáng)能都是地面的太陽(yáng)能，太陽(yáng)能的多少有兩個(gè)要素：一是陽(yáng)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(yáng)能也必然大于斜射表面的太陽(yáng)能；另一個(gè)因素是大氣的散射作用，大氣中的顆粒越多，散射越強(qiáng)，達(dá)到地面的太陽(yáng)能就越少，北京的這種霧霾天是不要想有什么太陽(yáng)能的，另外聚光光伏的效率高到30%多的一個(gè)因素就是他可以利用直射和散射的所有光線。
一般在太陽(yáng)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(shí)間都是4380小時(shí)，一年8760小時(shí)的一半，也就是一個(gè)地方最多一年接受4380kWh的太陽(yáng)能。不過(guò)因?yàn)樘?yáng)高度角或者說(shuō)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(yáng)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?yàn)榭諝庀”∩⑸湫?，比如南美科迪勒拉山脈的高原以及我國(guó)的青藏高原。不過(guò)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?yàn)檫@些赤道地區(qū)的熱帶雨林太茂盛了，空氣中水分太多，陽(yáng)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(diǎn)點(diǎn)。歐洲的平均輻照度是1200kWh/m2/y，中東是1800-2300kWh/m2/y。
下面就說(shuō)到我們可以利用的太陽(yáng)能量了，這每平米1kW的太陽(yáng)能我們是不可能都吸收的，我們一般會(huì)用所得能量除以輻射能量，得到的就是光伏的光電能量轉(zhuǎn)化效率。比如單晶硅光伏板能量轉(zhuǎn)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(shù)，光電轉(zhuǎn)化效率不同，下圖就是不同公司不同技術(shù)的效率，資料來(lái)自IEA的《2014光伏技術(shù)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(jī)容量的單位是瓦W，或者叫“峰瓦”Wp（watt-peak），與名義效率無(wú)關(guān)。名義效率是在標(biāo)準(zhǔn)工況（standard test conditions，STC）下測(cè)得的發(fā)電容量（標(biāo)準(zhǔn)工況是25℃，1.5倍大氣厚度，垂直入射，輻照度為1000W/m2）。例如標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際輸出的功率，除了取決于光電轉(zhuǎn)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(guān)。綜合效率的相關(guān)因素很多，包括組件實(shí)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(shè)計(jì)的光伏電站，年均PR可以達(dá)到80%-90%。所以我們計(jì)算光伏資源量不能只看光伏板的能量轉(zhuǎn)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(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)年接受陽(yáng)光輻照度1200kWh/m2，當(dāng)PR是85%時(shí)，年發(fā)電量1020kWh/kW，也就是1020個(gè)年利用小時(shí)，或容量系數(shù)11.6%（1020/8760）。當(dāng)陽(yáng)光強(qiáng)烈達(dá)到2500kWh/m2時(shí)，同樣的系統(tǒng)能發(fā)電2125kWh/kW，容量系數(shù)為24.3%。
當(dāng)然，光伏板的角度也有很大關(guān)系，如果是可以跟蹤太陽(yáng)位置的光伏板，比如單軸或雙軸的光伏系統(tǒng)，雖然造價(jià)高了，但實(shí)際的發(fā)電量也會(huì)提高。例如法國(guó)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(jì)算全球的光伏資源量，與光伏能量轉(zhuǎn)化的技術(shù)、安裝地點(diǎn)、板對(duì)太陽(yáng)的角度、系統(tǒng)的綜合效率都有關(guān)系，非常之復(fù)雜。但總體來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能資源非常豐富，即便只有1%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為了電能，那也是全球年耗能量的幾十倍。
好在太陽(yáng)距離地球很遠(yuǎn)，地球獲得的能量只是太陽(yáng)輻射的所有能量的二十二億分之一。不過(guò)這個(gè)數(shù)量也是巨大的，太陽(yáng)能資源每年達(dá)到地球約88.5億億千瓦時(shí)，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(lèi)要是都能用起來(lái)，那能源危機(jī)就徹底解決了。
理論上說(shuō)地球上除了核能、潮汐能和地?zé)崮?，剩下所有能源都是太?yáng)賦予的：煤炭石油是百萬(wàn)年前的太陽(yáng)能，而風(fēng)能、水能、太陽(yáng)能是實(shí)時(shí)的太陽(yáng)能。直接用太陽(yáng)能的莫過(guò)于光伏效應(yīng)和光熱效應(yīng)了，而目前最有開(kāi)發(fā)潛力的是光伏發(fā)電。據(jù)國(guó)際能源署IEA預(yù)測(cè)，2050年可能全球電能的16%來(lái)自于光伏發(fā)電，11%來(lái)自于光熱發(fā)電，太陽(yáng)能發(fā)電共提供了全球27%的電能。
既然要開(kāi)發(fā)太陽(yáng)能資源，就要先測(cè)算有多少可以利用。一般人們利用太陽(yáng)能都是地面的太陽(yáng)能，太陽(yáng)能的多少有兩個(gè)要素：一是陽(yáng)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(yáng)能也必然大于斜射表面的太陽(yáng)能；另一個(gè)因素是大氣的散射作用，大氣中的顆粒越多，散射越強(qiáng)，達(dá)到地面的太陽(yáng)能就越少，北京的這種霧霾天是不要想有什么太陽(yáng)能的，另外聚光光伏的效率高到30%多的一個(gè)因素就是他可以利用直射和散射的所有光線。
一般在太陽(yáng)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(shí)間都是4380小時(shí)，一年8760小時(shí)的一半，也就是一個(gè)地方最多一年接受4380kWh的太陽(yáng)能。不過(guò)因?yàn)樘?yáng)高度角或者說(shuō)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(yáng)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?yàn)榭諝庀”∩⑸湫?，比如南美科迪勒拉山脈的高原以及我國(guó)的青藏高原。不過(guò)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?yàn)檫@些赤道地區(qū)的熱帶雨林太茂盛了，空氣中水分太多，陽(yáng)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(diǎn)點(diǎn)。歐洲的平均輻照度是1200kWh/m2/y，中東是1800-2300kWh/m2/y。
下面就說(shuō)到我們可以利用的太陽(yáng)能量了，這每平米1kW的太陽(yáng)能我們是不可能都吸收的，我們一般會(huì)用所得能量除以輻射能量，得到的就是光伏的光電能量轉(zhuǎn)化效率。比如單晶硅光伏板能量轉(zhuǎn)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(shù)，光電轉(zhuǎn)化效率不同，下圖就是不同公司不同技術(shù)的效率，資料來(lái)自IEA的《2014光伏技術(shù)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(jī)容量的單位是瓦W，或者叫“峰瓦”Wp（watt-peak），與名義效率無(wú)關(guān)。名義效率是在標(biāo)準(zhǔn)工況（standard test conditions，STC）下測(cè)得的發(fā)電容量（標(biāo)準(zhǔn)工況是25℃，1.5倍大氣厚度，垂直入射，輻照度為1000W/m2）。例如標(biāo)準(zhǔn)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(shí)際輸出的功率，除了取決于光電轉(zhuǎn)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(guān)。綜合效率的相關(guān)因素很多，包括組件實(shí)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(shè)計(jì)的光伏電站，年均PR可以達(dá)到80%-90%。所以我們計(jì)算光伏資源量不能只看光伏板的能量轉(zhuǎn)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(gè)光伏發(fā)電系統(tǒng)年接受陽(yáng)光輻照度1200kWh/m2，當(dāng)PR是85%時(shí)，年發(fā)電量1020kWh/kW，也就是1020個(gè)年利用小時(shí)，或容量系數(shù)11.6%（1020/8760）。當(dāng)陽(yáng)光強(qiáng)烈達(dá)到2500kWh/m2時(shí)，同樣的系統(tǒng)能發(fā)電2125kWh/kW，容量系數(shù)為24.3%。
當(dāng)然，光伏板的角度也有很大關(guān)系，如果是可以跟蹤太陽(yáng)位置的光伏板，比如單軸或雙軸的光伏系統(tǒng)，雖然造價(jià)高了，但實(shí)際的發(fā)電量也會(huì)提高。例如法國(guó)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(jì)算全球的光伏資源量，與光伏能量轉(zhuǎn)化的技術(shù)、安裝地點(diǎn)、板對(duì)太陽(yáng)的角度、系統(tǒng)的綜合效率都有關(guān)系，非常之復(fù)雜。但總體來(lái)說(shuō)，太陽(yáng)能資源非常豐富，即便只有1%的太陽(yáng)能轉(zhuǎn)化為了電能，那也是全球年耗能量的幾十倍。
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