中國太陽能資源概況
申彥波
從太陽以電磁波的形式投射到地球的輻射能稱為太陽能。從廣義上而言,地球上絕大部分能量都來自于太陽,如傳統(tǒng)化石能源、風(fēng)能、生物質(zhì)能等。而從狹義上而言,太陽能資源則特指可轉(zhuǎn)化成熱能、電能、化學(xué)能等以供人類利用的太陽能。太陽能資源屬于可再生能源,它可以在自然界不斷生成并有規(guī)律地得到補充。同時,作為氣候要素的重要組成部分,太陽能資源也屬于氣候資源,為人類的生產(chǎn)和生活提供能量。
太陽能資源的主要優(yōu)點包括:(1) 總量巨大, 到達(dá)地球大氣層上界的太陽輻射功率為1.73×1011MW,約為1970年全世界消耗功率的3萬倍左右;(2)取之不盡、用之不竭,根據(jù)目前太陽產(chǎn)生核能的速率估算,其產(chǎn)生的能量足夠維持上百億年,而地球的壽命約為幾十億年,從這個意義上講,可以說太陽的能量是用之不竭的;(3)清潔無污染,相比于傳統(tǒng)化石能源,太陽能資源的利用不產(chǎn)生任何污染物和溫室氣體的排放;(4)不受資源分布地域的限制,太陽光普照大地,無論陸地或海洋,還是高山或島嶼,處處皆有,可直接開發(fā)和利用,且無需開采和運輸。
太陽能資源的主要缺點表現(xiàn)在兩個方面:(1)能量分散,密度較低,我國中緯度地區(qū)到達(dá)地表面的年平均總輻射輻照度僅為200W/m2左右,因此,在利用太陽能時,要想得到一定的轉(zhuǎn)換功率,往往需要面積相當(dāng)大的一套收集和轉(zhuǎn)換設(shè)備,造價和成本都較高;(2)能量不穩(wěn)定,由于晝夜、季節(jié)、地理緯度和海拔高度等自然條件的限制以及云、氣溶膠、大氣成分等氣象因素的影響,到達(dá)某一地面的太陽能資源既是間斷的又是極不穩(wěn)定的,存在著較大的年際變化、年變化和日變化,這些變化既有規(guī)律性,又有隨機性。
由于地球大氣層的存在,在太陽輻射到達(dá)地表的過程中會由于云、氣溶膠、水汽以及各種大氣成分(氮氣、氧氣、二氧化碳、臭氧等)的影響而被削弱,其中約31%被大氣層和地球表面反射回外部空間,約20%被大氣所吸收,剩下約49%到達(dá)地表,即人類所能利用的地球上的太陽能資源。到達(dá)地表的太陽輻射按照傳輸路徑的不同可分為散射輻射和直接輻射,其中散射輻射的學(xué)術(shù)定義表述為被空氣分子、云和空氣中的各種微粒分散成無方向性的、但不改變其單色組成的輻射,直接輻射則是指從日面及其周圍一小立體角內(nèi)發(fā)出的輻射。而在水平面從上方2π立體角范圍內(nèi)接收到的直接輻射和從資源總量而言,我國絕大部分地區(qū)都適宜于太陽能的開發(fā)利用散射輻射之和則稱之為總輻射?傒椛、直接輻射和散射輻射是用以表述太陽能資源的三個常用物理量。
從全球范圍來看,每年到達(dá)地球表面(包括陸地和海洋)的太陽輻射總能量約為2.67×1018MJ(即7.42×1017kWh),其空間分布主要與緯度有關(guān)。赤道及其以北、以南30°的廣大地區(qū)其年平均總輻射輻照度都在250 W/m2左右,其中非洲北部地區(qū)(撒哈拉沙漠)的太陽能資源最為豐富,超過300W/m2 ;北緯、南緯30°-40°的中緯度溫帶地區(qū),其太陽能資源相對豐富,年平均總輻射輻照度一般在200W/m2左右;北緯、南緯40°以上的高緯度地區(qū),其年平均總輻射輻照度通常在150W/m2以下。
中國每年到達(dá)陸地表面的太陽輻射總能量約為5.28×1016MJ(即1.47×1016kWh),但其空間分布卻比較復(fù)雜(如圖1所示),不僅與緯度有關(guān),還在很大程度上受氣候和地形的影響,總的來說西部高于東部、高原大于平原﹑內(nèi)陸多于沿海、干燥區(qū)大于濕潤區(qū)。從具體的等級劃分來看(如表1所示),新疆東南邊緣、西藏大部、青海中西部、甘肅河西走廊西部、內(nèi)蒙古阿拉善高原及其以西地區(qū)構(gòu)成了一條占國土面積22.8%的太陽能資源“最豐富帶”,其中西藏南部和青海格爾木地區(qū)是兩個高值中心,年平均總輻射輻照度將近250W/m2 ;在這條帶的西北方向,即新疆大部分地區(qū),以及這條帶的東部,即西藏東部、云南大部、青海東部、四川盆地以西、甘肅中東部、寧夏全部、陜西北部、山西北部、河北西北部、內(nèi)蒙古中東部至錫林浩特和赤峰一帶,是我國太陽能資源的兩個“很豐富帶”,占國土面積的44% ;我國中東部和東北的大部分地區(qū)都屬于太陽能資源的“較豐富帶”,占國土面積的29.8% ;以四川盆地為中心,四川省東部、重慶全部、貴州大部、湖南西北部等地區(qū)屬于太陽能資源的“一般帶”,年平均總輻射輻照度基本在120W/m2以下,面積僅占我國國土面積的3.3%。從資源總量而言,我國絕大部分地區(qū)都適宜于太陽能的開發(fā)利用。