太阳能资源

地球上最主要的能量来源

太阳辐射能实际上是地球上最主要的能量来源。太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量,尽管太阳辐射地球大气层外界的能量仅为其总辐射能量(约为3.75×10^14tw)的22亿分之一,但其辐射通量已高达1.73×10^5tw,即太阳每秒钟投射到地球上的能量相当5.9×10^6吨煤。地球上绝大部分能源皆源自于太阳能。风能水能、生物质能、海洋温差能波浪能潮汐能等均来源于太阳。

太阳能资源概述
太阳能是太阳内部连续不断的核聚变反应过程产生的能量,尽管太阳辐射到地球大气层外界的能量仅为其总辐射能量(约为3.75×10^14tw)的22亿分之一,但其辐射通量已高达1.73×10^5tw,即太阳每秒钟投射到地球上的能量相当5.9×10^6吨煤。地球上绝大部分能源皆源自于太阳能。风能、水能、生物质能、海洋温差能、波浪能和潮汐能等均来源于太阳。
中国地处北半球欧亚大陆的东部,主要处于温带和亚热带,具有比较丰富的太阳能资源。根据全国700多个气象台站长期观测积累的资料表明,中国各地的太阳辐射年总量大致在3.35×103~8.40×103MJ/m2之间,其平均值约为5.86×103MJ/m2。该等值线从大兴安岭西麓的内蒙古东北部开始,向南经过北京西北侧,朝西偏南至兰州,然后径直朝南至昆明,最后沿横断山脉转向西藏南部。在该等值线以西和以北的广大地区,除天山北面的新疆小部分地区的年总量约为4.46×103MJ/m2外,其余绝大部分地区的年总量都超过5.86×103MJ/m2。
中国太阳能资源分布
中国幅员广大,有着十分丰富的太阳能资源。据估算,中国陆地表面每年接受的太阳辐射能约为50x10^18kJ,全国各地太阳年辐射总量达335~837kJ/cm2·a,中值为586kJ/cm2·a。从全国太阳年辐射总量的分布来看,西藏、青海、新疆、内蒙古南部、山西、陕西北部、河北、山东、辽宁、吉林西部、云南中部和西南部、广东东南部、福建东南部、海南岛东部和西部以及台湾省的西南部等广大地区的太阳辐射总量很大。尤其是青藏高原地区最大,那里平均海拔高度在4000m以上,大气层薄而清洁,透明度好,纬度低,日照时间长。例如被人们称为“日光城”的拉萨市,1961年至1970年的平均值,年平均日照时间为3005.7h,相对日照为68%,年平均晴天为108.5天,阴天为98.8天,年平均云量为4.8,太阳总辐射为816kJ/cm2·a,比全国其它省区和同纬度的地区都高。全国以四川和贵州两省的太阳年辐射总量最小,其中尤以四川盆地为最,那里雨多、雾多,晴天较少。例如素有“雾都”之称的成都市,年平均日照时数仅为1152.2h,相对日照为26%,年平均晴天为24.7天,阴天达244.6天,年平均云量高达8.4。其它地区的太阳年辐射总量居中。
2023年4月4日,中国气象局发布《2022年中国风能太阳能资源年景公报》。公报显示,2022年,全国太阳能资源总体为偏大年景,风能资源为正常略偏小年景。公报指出,2022年全国平均年水平面总辐照量约1563.4千瓦时/平方米,为近30年最高值。全国平均年最佳斜面总辐照量约1815.8千瓦时/平方米,较近30年平均值偏大2.3%。2022年我国太阳能资源地区性差异较大,呈现西部地区大于中东部地区,高原、少雨干燥地区大,平原、多雨高湿地区小的特点。
按接受太阳能辐射量的大小,全国大致上可分为五类地区:
一类地区
全年日照时数为3200~3300小时,辐射量在670~837x10^4kJ/m2·a。相当于225~285kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括青藏高原、甘肃北部、宁夏北部和新疆南部等地。这是中国太阳能资源最丰富的地区,与印度和巴基斯坦北部的太阳能资源相当。特别是西藏,地势高,太阳光的透明度也好,太阳辐射总量最高值达921kJ/cm2·a,仅次于撒哈拉大沙漠,居世界第二位,其中拉萨是世界著名的阳光城。
二类地区
全年日照时数为3000~3200小时,辐射量在586~670x10^4kJ/m2·a,相当于200~225kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括河北西北部、山西北部、内蒙古南部、宁夏南部、甘肃中部、青海东部、西藏东南部和新疆南部等地。此区为中国太阳能资源较丰富区。
三类地区
全年日照时数为2200~3000小时,辐射量在502~586x10^4kJ/m2·a,相当于170~200kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括山东、河南、河北东南部、山西南部、新疆北部、吉林、辽宁、云南、陕西北部、甘肃东南部、广东南部、福建南部、江苏北部和安徽北部等地。
四类地区
全年日照时数为1400~2200小时,辐射量在419~502x10^4kJ/m2·a。相当于140~170kg标准煤燃烧所发出的热量。主要是长江中下游、福建、浙江和广东的一部分地区,春夏多阴雨,秋冬季太阳能资源还可以。
五类地区
全年日照时数约1000~1400小时,辐射量在335~419x10^4kJ/m2·a。相当于115~140kg标准煤燃烧所发出的热量。主要包括四川、贵州两省。此区是中国太阳能资源最少的地区。
一、二、三类地区,年日照时数大于2000h,辐射总量高于586kJ/cm2·a,是中国太阳能资源丰富或较丰富的地区,面积较大,约占全国总面积的2/3以上,具有利用太阳能的良好条件。四、五类地区虽然太阳能资源条件较差,但仍有一定的利用价值。
太阳能丰富区:在内蒙中西部、青藏高原等地,年总辐射在150千卡/平方公分以上。
太阳能较丰富区:北疆及内蒙东部等地,年总辐射约130~150千卡/平方公分。
太阳能可利用区:分布在长江下游、两广、贵州南部和云南,及松辽平原,年总辐射量为110~130千卡/平方公分。
世界太阳能资源分布
太阳是一颗自己能发光的气体星球,其内部不断进行着热核反应,因而每时每刻都在稳定的向宇宙空间发射世界太阳能资源分布能量。人类开发太阳能主要是利用太阳光辐射所产生的能量,由于地球表面大部分被海洋覆盖,达到陆地表面的能量约占太阳达到地球范围内太阳辐射能的10%,然而太阳每秒钟到达地球陆地表面的辐射能相当于世界一年内消耗的各种能源所产生的总能量的3.5万倍,因此太阳能的开发利用日益受到人们的青睐。
太阳向宇宙空间发射的辐射功率为3.8xkw的辐射值,其中20亿分之一到达地球大气层。到达地球大气层的太阳能,30%被大气层反射,23%被大气层吸收。47%到达地球表面,其功率为4kw,也就是说,太阳每秒钟照射到地球上的能量就相当于燃烧t煤释放的热量。全球人类每年能源的消费总和只相当于太阳在40min内照射到地球表面的能量。
太阳能资源的优点
时间长久
根据天文学的研究结果可知,太阳系已存在了50亿年左右的时间,根据太阳辐射的总功率以及太阳上氢的总含量进行估算,太阳能资源尚可继续维持600亿年之久。对于人类存在的年代来说,真的是取之不尽,用之不竭。
清洁安全
太阳能素有干净能源、安全能源之称。他不仅毫无污染,远比常规能源清洁,也毫无危险,比原子核能安全多了。
普照大地
太阳辐射能既不需要人为开采和挖掘,也不需要运输。普天之下,无论高山、岛屿,大陆、海洋,都一视同仁,既无专利可言,也不可能进行垄断,开发利用极其方便。
数量巨大
每年到达地球表面的太阳辐射能约为3630万亿t标准煤,被陆地表面接受的太阳辐射能也达到762万亿t标准煤。
太阳能资源的缺点
效率低、成本高
太阳能利用的发展水平,有些方面在理论上是可行的,技术上也是成熟的。但有的太阳能利用装置,因为效率偏低,成本较高,总的来说经济型还不能与常规能源相竞争。在今后的相当一段时期内,太阳能利用的进一步发展,主要受到经济性的制约。
不稳定性
因为受到昼夜、季节、地理纬度和海拔高度等自然条件的限制以及晴、阴、云、雨等随机因素的影响,因此,到达某一地面的太阳辐照度既是间断的又是极不稳定的,这给太阳能的大规模应用增加了难度。为了使太阳能成为连续、稳定的能源,从而最终成为能够与常规能源竞争的替代能源,那么就必须很好的解决蓄能问题,但现在蓄能也是太阳能利用中一个较为薄弱的环节。
分散性
到达地球表面的太阳辐射能的总量虽然大,但是能流密度很低。平均来说,北回归线附近,夏季在天气较为晴朗的情况下,正午时太阳辐射的辐照度最大,在垂直于太阳光方向1平米面积上接收到的太阳能平均有1000w;若按全年日夜平均,则只有200w。而在冬季大致只有一半,阴天只有1/5左右,这样的能流密度是很低的。
相关数据
2023年4月4日,中国气象局发布《2022年中国风能太阳能资源年景公报》,全面分析了2022年全国风能太阳能资源情况和相对于近10年、30年平均资源量变化情况。《公报》指出,2022年,全国风能资源为正常略偏小年景,10米高度年平均风速较近10年平均值偏小0.82%,重庆、福建、湖北、吉林70米高度风能资源较近10年偏好,上海、河北、云南、江苏、山东、海南、宁夏、北京等地风能资源较近10年偏差。
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