太阳能资源开发利用及气象服务研究进展

■ 李芬 陈正洪 段善旭 吕文华 刘建锋

(1.上海电力学院电气工程学院；2.湖北省气象服务中心；3.华中科技大学电气与电子工程学院；4.中国气象局气象探测中心)

0 引言

2011年5月，IPCC发布最新研究报告《可再生能源资源与减缓气候变化特别报告》，对6种可再生能源资源(生物能、太阳能、地热能、水电、海洋能、风能)进行了评估。报告指出，如果得到有力的政策支持，到2050年可再生能源最高将能供应全球80%的能源，比德国全球气候变化咨询委员会2004年的预测结果提前了将近50年。评估结果表明：太阳能资源可开发潜力是所有可再生能源中最高的，是目前全球能量需求的10 000倍以上[1]。由于发布机构的权威性，该报告受到广泛关注。

太阳辐射穿过大气层时，约20%被大气吸收，30%被地面和大气反射回宇宙空间，约50%到达地球表面。尽管如此，其总量仍非常巨大，根据欧洲光伏工业协会(EPIA)的测算，年到达地球表面的辐射量相当于130万亿t标准煤[2]。而据中国气象局风能太阳能资源评估中心的研究[3]，我国新疆东南部、内蒙古西部、甘肃西部、青海和西藏大部分地区构成了一条占国土面积约20%的太阳能资源“最丰富带”，年日照时数在3 000 h左右，其中西藏南部和青海格尔木地区是两个峰值中心，年总辐射量约2 000 kWh/m2。据测算，我国太阳能理论捕获量达每年17 000亿t标准煤，年平均日辐射量在4 kWh/m2以上，与美国相近，比欧洲、日本优越，再加上国内强劲的电力需求，拉动了光伏的发展。

太阳能具有取之不尽、用之不竭，分布广、无处不在，清洁无污染，不受能源危机或燃料市场不稳定影响等优点；不利因素则包括能量密度低、受天文地理和气象环境影响大、存在间歇性与不稳定性、开发成本仍偏高等。

目前太阳能利用方式主要有光热转换(集热)、光伏发电、聚光热发电(光－热－电)、生物质利用、建筑利用(采光、取暖)等。其中光伏发电是最有效的太阳能利用方式，商业化光伏电池转换效率已达15%～20%[4]，甚至可提高到45%(聚光光伏发电[5]，远大于生物1%～2%的利用率)，且技术成熟，国外已完成试验示范，大规模商业化应用已持续多年，最近几年发展趋势非常快。根据EPIA预测，到2015年(甚至略提前)，随着光伏效率提高、规模扩大，以及常规化石能源发电成本上升，光伏发电成本可与常规能源相当[6]，光伏发电的竞争力逐渐显现，大规模资本将涌入光伏利用。

1 国内外光伏发电最新进展

1.1 全球光伏装机容量大幅增长

2010年全球新增光伏装机容量18 GW，比上年增长150%以上；而根据全球风能理事会(GWEC)统计，虽然2010年全球新增风电装机绝对量增加，但是风电市场的年增长率却出现了20年来的首次下跌，较2009年新增装机容量下降了7%[7]。

2011年，日本福岛核事故促使许多国家和政府重新思考他们未来的能源战略，2011～2012年连续两年全球新增并网光伏容量均超过30 GW[8]，大有追赶风电之势(2011、2012年新增风电装机分别为39 GW和45 GW)。

截至2012年，全球光伏累计装机容量超过100 GW(图1)，光伏发电已成为全球可再生能源中继水电、风电之后最重要的来源。

图1 2003～2012年全球累计光伏装机容量

1.2 欧洲光伏发展领先世界

在欧洲，2010年新增光伏装机容量为13.62 GW，占全球新增光伏规模的77%，且首次超过了新增风电装机容量(99 GW)；2011年，欧洲新增装机容量超过22 GW，占全球新增光伏装机规模的74%，其中意大利和德国占整个欧洲的60%。2012年欧洲光伏市场的发展势头有所放缓，当年新增装机容量下降至17 GW，但仍然占据全球新增光伏装机规模的半壁江山。

在欧洲，光伏装机2011～2012年连续两年居新能源发电装机首位，光伏产业成为欧洲应对经济危机和促进就业的重要支撑。截止2012年，德国累计光伏装机容量超过30 GW，为全球光伏应用最好的国家。

1.3 光伏发电成本急剧下降

目前太阳电池价格下降为1美元/W以下，而商业光伏电池效率不断提高，部分高效晶硅电池效率已超过20%。根据EPIA调查，2011年7月欧洲光伏平均发电成本降至0.203欧元/kWh，预测2020年欧洲光伏发电成本为0.07～0.17欧元/kWh，光伏发电将比天然气和燃油电站更具竞争力。甚至在晴天较少和辐射较差的欧洲北部及中部，也将在2020年之前实现具有吸引力的光伏发电成本水平，如德国西南部城市弗赖堡(Freiburg)，年总辐射量仅1 150 kWh/m2，2011年光伏发电价格与民用电持平，2016年预计与工业用电持平。

目前世界大部分地区的发展趋势相似，而在发展中国家，由于常规电力价格的上涨，太阳能资源更为丰富，相对而言光伏发电成本已经很低，光伏发电往往更具成本竞争力。

1.4 并网光伏发电成为绝对主流

并网光伏发电系统自进入21世纪以来，取代了离网光伏系统成为全球光伏应用最大的市场。2009年，全球新增的离网光伏系统不到新增总装机容量的3.7%，新增并网系统占到96.3%以上。而在欧洲，并网光伏发电系统的份额更高，截至2012年年底欧盟累计的并网光伏发电系统占99.7%以上，离网光伏系统份额不足0.3%[9]。

目前全球并网光伏发电系统建设可分为两大类：一种以大型光伏电站建设为主，另一种以分布式发电为主。从全球重要的光伏应用市场来看，德国、美国、日本光伏电站建设以分布式发电为主，意大利、中国光伏电站建设以大型光伏电站建设为主。

1.5 我国光伏装机容量将快速增长

随着国际晶硅价格的大幅下跌、制造工艺的进步以及国内政策驱动(2009年国家先后出台了“金屋顶”、“金太阳”计划，2011年出台光伏发电标杆上网电价)，我国光伏累计装机容量2008年为14万kW、2009年为30万kW、2010年为80万kW、2011年为330万kW(青海2011年达100万kW)[10]、2012年达到830万kW，发展势头强劲，最近几年都是以超过100%的速率递增。

2012年，国家能源局适时单独制定了《太阳能发电发展“十二五”规划》，到2015 年底，太阳能发电装机容量将达到21 GW以上，年发电量将达到250 亿kWh[11]。2013年，国务院公布《国务院关于促进光伏产业健康发展的若干意见》，明显高于2012年国家能源局发展目标，即到2015年我国光伏的总装机容量将达到35 GW以上。

2 太阳能资源开发气象服务需求

2.1 太阳能资源监测和评估

太阳能资源是国家战略资源，对太阳能资源总储量、时空分布以及各地光伏发电潜能估算是国家和地方政府宏观决策的重要依据。如何提高光伏发电效率、减少发电成本、增加发电量，提高经济收益则是光伏业界关心的首要问题，涵盖面向工程应用的各个方面，电站的微观选址和优化设计，如对各种安装方式、材料、各地地理气候和环境的最佳倾角以及发电方式(光热、光电)选择等，这些科学问题都需要研究人员根据太阳能资源特性进行深入分析和研究，从而提供可靠详实的应用气象学依据。

2.2 太阳辐射及光伏发电功率预报

太阳辐射随地理、年内、日内、天气状况而变化(云量、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。随着并网光伏发电规模的日益扩大(大规模集中式或者分布式接入)，对电网的安全、可靠、经济运行带来巨大的挑战，光伏发电功率预报应运而生。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，既有利于电力系统科学调度、制定常规能源发电和光伏发电规划、减少备用旋转容量，还有利于电站合理安排检修计划，提高出力；此外，利用辐射变化的周期性，如辐射的日变化曲线，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。

2.3 灾害天气预报预警

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。如高温热浪使光伏组件发电效率下降、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(北方地区)可损坏光伏组件、聚光部件及降低发电效率，暴雪冰冻则会使组件输出为零甚至导致输电线路倒塌，暴雨山洪地质灾害则会淹没、摧毁电站基础设施等，开展灾害天气预报预警，可充分保障光伏电站、电网安全。

3 国外太阳能资源气象服务现状

3.1 太阳能资源监测网与数据库建设

1) 世界气象组织(WMO)成立了世界辐射数据中心 (WRDC，World Radiation Data Centre)，包括全球约1 280个辐射观测站点，其中有近900个站点的观测时间超过10年。这些数据被广泛应用于气候与气候变化研究领域和太阳能资源开发利用领域。

2) 欧洲太阳辐射图集(ESRA)，数据来源于许多气象科研机构和国家气象观测系统，包括经过筛选的586个地面站点的月平均至逐时乃至半小时的观测资料(台站密度约1万km2一个站)，资料序列长度超过10年，包括太阳总辐射、日照时数、埃斯特朗浑浊度系数及其他因子等。

3) 日本气象厅在全国建有64个辐射观测站，约占全国气象站的1/4，台站密度约0.6万km2一个站，其中14个有直接辐射观测。

4) 美国国家再生能源实验室(NREL)和美国国家气候数据中心(NCDC)共同建立了美国国家太阳辐射数据库(NSRDB)，以帮助国内业者进行太阳能利用系统的规划和选址。数据库包括1991～2005年共1 454个站点的太阳辐射逐时数据资料(包括总辐射、直接辐射和散射辐射)以及其他气象要素资料。数据质量分成3类：1类站共有221个，从1991～2005年逐时观测资料序列完整、质量可靠；2类站共有637个，资料序列也较完整，但数据可靠性较1类站低；3类站共有596个，其资料序列中有缺测，但包括至少3年的可用数据。

3.2 太阳能资源评估及光伏发电系统设计(软件)

1)欧洲以ESRA月平均数据为基础，并结合高分辨率数字高程数据和三维空间分析开发了PVGIS系统，给出了欧洲太阳能光伏发电可开发潜力分布，可为欧洲建筑业者和太阳能规划设计者提供基础数据和建议。该系统的最大特点是增强了地形数据的空间分辨率，基于一种数字化高程模型，分辨率从以前的1 000 m精确到100 m。特定位置高程的更准确定位和邻近山脉遮挡影响的计算，大大改进了多山地区太阳辐射的估算。随着发展，目前该系统还可为用户提供非洲、地中海盆地以及亚洲西南地区的太阳能资源及发电情况评估。

2) 美国采用卫星反演方法得到太阳能资源精细化评估。采用SUNY模式可给出美国绝大部分地区逐时的纬度倾斜面总辐射(光伏资源)和法向直接辐射(聚光资源)的估计值，散射辐射则由总辐射和水平面直接辐射计算得出。

3) 加拿大RETScreen清洁能源项目分析软件，包括资源评估(太阳辐射数据、环境温度、10 m高度风速、气压等)、不同安装和运行方式下的辐射量计算(固定安装、不同朝向和倾角、单轴跟踪、双轴跟踪等)、设备选型和容量计算(光伏电池、蓄电池、系统各个环节的效率、发电量测算)、成本分析(可研、设计、设备、土建、运输、安装、运行维护、周期性投资等)、温室气体减排分析(按照IPCC标准)、财务评估(贷款、赠款、利息、税收、CDM、光伏电价测算、IRR、现金流、资金回收期等）、敏感性分析和风险分析。

4)商业软件PVSYST，是由瑞士Andr Mermoud博士开发研究的仿真光伏系统，能较完善地对光伏发电系统进行研究、设计和数据分析。软件涉及并网、离网、抽水和直流电网(公共交通)光伏系统，并包括丰富的气象数据(全球约330个站点，来源于Meteonorm、美国TMY2、欧盟Helioclim-2、世界辐射数据中心WRDC、美国NASA-SSE、欧盟PVGISESRA，以及加拿大Retscreen软件等辐射和其他气象数据资源)和光伏系统的组件数据库。该软件提供了3种水平的光伏系统研究，基本对应实际项目不同发展阶段：初步设计、项目设计和详细数据分析。

3.3 太阳辐射及光伏发电功率预报

国外在光伏发电初期就开始了系统输出功率预测尝试，近几年已有相关系统的研发和应用报导。将天气预报数据、卫星遥感数据以及地面云量观测信息纳入整个模式体系，形成多信息融合的综合预报系统是未来预测技术的方向。比如，丹麦ENFOR公司的Solarfor系统将光伏发电系统的历史发电量数据和短期数值天气预报参数结合，从而实现该系统的短期功率预测。美国WindLogics公司正着手开发适合光伏发电功率预测需求的数值天气预报模式，计划将卫星遥感数据以及地面云量观测信息纳入整个模式体系，形成多信息融合的综合预报系统。

4 国内太阳能资源气象服务现状

4.1 规划设计与示范电站建设

国家层面正在推进太阳能资源精细化详查与评估(含专业观测网的规划设计)立项与实施，各地气象部门进行太阳能光伏发电示范电站建设。如2010年湖北省气象局建成“太阳辐射能量转换效率气象观测示范工程”，包含不同材料、多个固定倾角、单跟踪、多跟踪等安装方式的光伏组件及辐射对比观测，为太阳能资源开发、发电预报获取第一手资料，每月出版分析报告。

4.2 太阳能资源监测及评估

目前我国国家级的业务地面辐射观测站为98个，就我国的国土面积而言，平均约10万km2一个站，站网密度较低。从空间分布来看，辐射台站在东部较密而西部较疏，105°E以西地区仅有36个，以东地区则有62个，这种分布特征与我国太阳能资源西部大于东部的基本特点是不相符合的。其中一级站17个，观测项目为总辐射、直接辐射、散射辐射、反射辐射和净辐射；二级站33个，观测项目为总辐射和净辐射；三级站48个，只观测总辐射。而17个直接辐射站的观测资料过于稀疏，只能反映其所在地的时间变化特征，无法给出全国的总体分布情况，同时也无法满足工程应用中关于“直散分离”的要求，远远不能满足太阳能开发利用的精细化需要。

4.3 技术研发

1) 太阳能数值预报模式研究。国家层面成立了气象服务专业模式应用研发创新团队，基于LAPS三维云分析和WRF-SES2耦合模式的太阳能数值预报模式系统研发为其科研开发主攻方向之一。

2) 光伏阵列斜面辐射计算及光伏发电系统设计。上海电力学院太阳能研究所利用美国NASA中有关中国太阳辐射数据及Klein和Thecilaker提出倾斜面月辐射量计算方法，开发出“太阳辐射量与光伏系统优化设计软件”，可计算出各地不同方位和不同倾斜面上12个月的太阳总辐射量，提供各地最佳倾角选择及离网、并网两种不同系统年总发电量输出结果[12]。

3) 光伏发电功率预报系统开发。如：国网电科院国家能源太阳能发电研发(实验)中心，提出全网光伏发电功率预测方法和短期功率预测方法，并开发出一套光伏发电功率预测系统，已在甘肃电网上线试运行；湖北省气象局牵头组织开展太阳能光伏发电功率预报示范研究工作，组建太阳能光伏发电业务系统研究队伍，自主研发的《光伏发电功率预测预报系统V2.0》(登记证号2012SR029175)，采用了原理预报法和动力－统计预报法，具有太阳辐射及光伏功率短期预报(未来3天逐15 min)、超短期或短时临近(4 h)预报功能。

5 思考和建议

第一，促进太阳能资源合理有序开发。目前国内许多光伏电站建设前期规划报告中资源评估资料来源不正；从国外网站下载软件，其方法是黑盒子，对其采用方法和原理不了解，导致资源评估结果经常性偏大，甚至出于某种目的，故意夸大资源收益的倾向。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发展。

第二，促进太阳能资源开发与电力系统消纳能力的有机结合。我国幅员辽阔且太阳辐射资源丰富地区和电力负荷集中地区呈逆向分布，西部地区是我国太阳能资源最为丰富的地区，而负荷中心和经济中心主要分布在东南沿海地区、津京冀地区以及中部地区等，由于光伏发电功率密度低、受气象条件影响波动大，导致光伏发电“西电东送”的远距输电运行成本高昂。

此外，当下我国正处在城镇化的高潮期，截至2010年已建城镇建筑面积约230亿m2，每年城镇新建建筑面积约为10亿～15亿m2[13]。一方面随着建筑总量和居住舒适度的提升，建筑能耗成急剧上升趋势(建筑耗能已与工业耗能、交通耗能并列，成为我国能源消耗的三大“耗能大户”)，带来巨大压力；另一方面城镇建筑物为光伏开发利用提供的面积极为可观。因此，在土地资源较紧张和常规化石能源资源匮乏而太阳能资源较为丰富、经济较发达的中东部和京津冀地区，结合城市建筑(城市工业园、科技园、学校、车站、市政等公共场所及绿色社区等)加强分布式并网光伏发电系统建设，注重就地消纳，可能更符合国情和具有广阔的市场潜力。

第三，提高太阳能资源开发的核心技术水平以及气象服务保障能力。落实我国太阳能资源监测网建设项目，尽快建立我国太阳能资源数据库，绘制我国太阳能资源分布图；对全国已建和在建的太阳能发电示范电站进行规范管理；找准社会需求，面向市场，促进电力能源和气象领域的融合，引进开发适应不同地区及开发利用方式的太阳能资源评估模型、专业辐射预报模式、光伏优化设计系统软件、功率预报系统软件，并大力推广应用；切实组织开展太阳能资源评估(含气候可行性论证)、气象预报预警等保障服务。

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[10]陈正洪, 李芬, 成驰, 等. 太阳能光伏发电预报技术原理及其业务系统[M]. 北京: 气象出版社, 2011, 10－13.

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