2002中国的太阳能资源及应用潜力

中国的太阳能资源及应用潜力 Ξ由世俊 1 ,孙贺江 1 ,马德刚 1 ,杨洪兴 2(1. 天津大学环境科学与工程学院 ,天津 300072;2. 香港理工大学 ,香港 )摘要 :太阳能资源被认为是 21 世纪最引人注目的可再生能源和洁净能源 。为了经济的可持续发展 ,应该把环境保护和长期利益作为研究目标 。 文章估算了中国 14 个城市的太阳能资源 ,分析了太阳能热水系统和 BIPV 系统的经济性 。 研究结果表明 ,中国的太阳能利用潜力很大 ,政府应该对其发展发挥重要作用 。关键词 :太阳能资源 ;太阳能热水系统 ;BIPV 系统 ;太阳能空调系统 ;保护环境中图分类号 :X24 文献标识码 :A 文章编号 :1002 - 1264(2002) 02 - 0057 - 03Solar Energy Resourceand Application Potential in ChinaYOU Shi2jun1 ,SUN He2jiang1 ,MA De2gang1 ,YANG Hong2xing2(1. Schoolof EnvironmentScienceand Engineering, Tianjin University , Tianjin 300072,China;2. The Hong Kong Polytechnic University , Hong Kong,China)Abstract :Solar energyapplication is very attractive as a renewableand clear energysource in the 21st century. Forsustainabledevelopmentof the economy, environmentprotection and long - term benefit should be targeted. Thispaper estimatesthe available solar energyresource throughoutthe 14 cities of China. The economicalanalysisof so2lar hot water systemsand building - integratedphotovoltaic (BIPV) applications is discussed. It is found that thepotential is significant and the governmentshouldplay an important role for its development.Key words :solar energyresource; solar hot water system; BIPV system; solar energyair conditioning system;environmentprotection进入 21 世纪 ,人们更加关注生活质量和环境保护 。 随着煤炭直接燃烧所带来的大气污染 、 酸雨 、 温室效应的加剧 ,可再生能源成为人们关注的焦点 。 迫于节能和环保的压力 ,现在太阳能利用技术研究与开发无论发达国家还是发展中国家都在迅速发展 。在美国 ,一百万个太阳能屋顶倡议已经开始实施 。 这个计划的目标是到 2010年 ,在美国建筑物屋顶上安装一百万个太阳能系统 (太阳能电池和太阳能集热器 ) 。 其他一些国家 ,如日本 、 德国 、 英国等都在太阳能工业投入巨资 。可持续发展战略提出了保护环境 、 经济持续健康发展的要求 。 太阳能作为一种洁净的可再生能源 ,有着矿物能源不可比拟的优越性 。中国的太阳能资源十分丰富 ,为各种太阳能利用系统提供了巨大的市场 。1 太阳能资源分析太阳能资源是分析太阳能利用系统是否可行的基础 。 太阳辐射强度取决于纬度 、 季节 、 本地的天气状况等多方面的因素 。 估算太阳能资源仅仅知道水平辐射和散射辐射是不够的 ,还需要计算出各个朝向的太阳辐射值 [1 ] 。表 1 给出了 14 城市不同方向年平均辐射强度 。表 1 14 城市不同方向年平均辐射强度 kWh/ (m2?a)城市 水平面 南墙 北墙 西墙 东墙 斜面 3广州 1 234. 0 737. 2 246. 3 702. 1 702. 1 1 331. 4香港 1 290. 8 717. 8 299. 9 727. 3 727. 3 1 363. 7海口 1 426. 3 698. 4 279. 6 793. 2 793. 2 1471.2上海 1 316. 0 901. 2 276. 2 782. 4 782. 4 1 481. 3昆明 1 338. 3 878. 8 293. 3 774. 8 774. 8 1 482. 6西安 1 321. 0 951. 6 279. 4 801. 4 801. 4 1 512. 1南京 1 351. 4 950. 4 285. 2 808. 6 808. 6 1 533. 9哈尔滨 1 303. 5 1 299. 5 281. 9 891. 0 891. 0 1 724. 6兰州 1 510. 2 1 137. 0 316. 2 930. 6 930. 6 1 757. 9天津 1 463. 9 1 240. 0 314. 5 930. 5 930. 5 1 785. 5北京 1 564. 6 1 349. 1 328. 3 1 001. 5 1 001. 5 1926.9吐鲁番 1 618. 6 1 464. 9 355. 8 1 063. 3 1 063. 3 2034.2哈密 1 763. 5 1 620. 9 387. 1 1 160. 3 1 160. 3 2 233. 1拉萨 2 195. 0 1 520. 5 435. 8 1 299. 5 1 299. 5 2 486. 13 斜面是指南向 ,倾角为该地纬度的位置。14 个城市中 ,拉萨的太阳辐射值最大 ,和沙特 、 阿曼等一些太阳能资源丰富的国家相比 ,其值相去不远 ,太阳辐射值最小的广州 ,也要比已建有太阳能利用系统且利用效果良好的日本某些地区要好 。 由此可见 ,国内相当一部分地区太阳能资源丰富 ,对太阳能利用来说 ,极为有利 。75第 15 卷 2 期2002 年 4 月城市环境与城市生态URBAN ENVIRONMENT 到 2010年 ,新建住宅预计将达到 150 亿 m2[2 ] ,生活热水相应大幅增加 ,而太阳能热水器具有无污染 、 经济 、 安全 、 易于安装等优点 。 因此 ,太阳能热水器正面临着空前的发展机遇 。2. 2 BIPV 系统BIPV 系统按其系统配置可分为独立式 、 复合式和连接电网式 3 种 。连接电网式如图 1 所示 。当太阳能电池板供电不足时 ,由电网向用户供电 ,相反的 ,若太阳能电池板供电大于用户需求 ,剩余的电可通过直交流逆变换器输送到电网 。 只需在连接电网时安装一块双向计量电度表即可解决电力收费的问题 。 这种系统特别适合于已有电网供电的用户 ,不仅可省去蓄电池的设置 ,减少初投资和运行维护费用 ,而且有利于削减因采用空调设备而造成的夏季白天用电高峰的问题 。图 1 连接电网式系统BIPV 系统可称为一座小型的太阳能发电站 ,它使得建筑物从单纯的耗能型变为供能型 。BIPV 发电系统发电潜能受各种因素的影响 ,用公式可表达为 :Pout = ρ Psolar,i Aiη pv f式中 : Psolar ,i为不同方向上年太阳辐射强度 ; Ai 为不同方向上可安装太阳能电池板的面积 ;η pv为太阳能电池板转换效率 ;f 为利用系数 。为了得到全年发电潜能 , 必须估算出适合BIPV 系统的建筑物的表面积 。由于各种建筑物的特点不同 ,为了便于计算 ,将其分为三类 :商业 、工业建筑和民用住宅 。以香港为例 ,根据 “香港1996 年年报” 提供的统计数据 ,并考虑到开窗 ,相互遮挡等因素 ,可估算出各类建筑可安装太阳能电池板的面积 [3 ,4 ] 。计算结果表明 ,BIPV 系统发电潜 能 为 10. 5 tWh ,占 香 港 1995 年 总 供 电 量(29. 97 tWh)的 35 %[5 ] 。2. 3 太阳能空调系统随着蒙特利尔条约的签定 ,氟利昂压缩式制冷机将逐渐退出市场 。 利用水或蒸汽或其他热源驱动的溴化锂吸收式制冷机将逐渐成为一种趋势 ,尤其是在中央空调方面 。太阳能空调系统就是以太阳能系统部分替代常规提供热源的设备(如锅炉 ) ,驱动制冷机来制冷 ,以达到节约常规能源消耗 、 降低系统运行费用的目的 。太阳能空调系统主要由热管式真空管太阳能集热器 、 热水型单效溴化锂吸收式制冷机 、 储热水箱 、 储冷水箱 、 生活用热水箱 、 循环水泵 、 冷却塔 、空调箱和自动控制系统等几大部分组成 ,如图 2所示 。图 2 太阳能空调系统流程图85 城市环境与城市生态 15 卷 2 期 2002年夏季 ,首先将被太阳能集热器加热的热水储存在储热水箱中 ,当储热水箱中的热水温度达到一定值时 ,就由储热水箱向制冷机提供所需的热水 ,从制冷机流出的热水温度已经被降低了 ,再流回储热水箱 ,然后由太阳能集热器再加热成高温热水 。 制冷机产生的冷媒水首先储存在储冷水箱中 ,再由储冷水箱分别向各个空调箱提供冷水 ,以达到空调的目的 。 当太阳能不足以提供足够高温度的热水时 ,可以由辅助的直燃型溴化锂机组提供冷水 ,以满足空调的要求 。冬季 ,同样是将太阳能集热器加热的热水先储存在储热水箱中 ,当热水温度达到一定值时 ,就由储热水箱直接向各个空调箱提供所需的热水 ,以达到供热的目的 。 当太阳能提供的热量不能够满足要求时 ,就由辅助的直燃型溴化锂吸收式冷热水机组直接向空调箱提供热水 。3 中国应用太阳能的潜力中国幅员辽阔 ,人口众多 ,但人均占有资源量却很少 。 通常使用的主要燃料是煤 、 石油和天然气 ,其中 ,煤占 75 %。由于能源利用率低 ,环境污染严重 ,面临十分严峻的环保问题 。而太阳能资源是取之不尽 ,用之不竭 ,蕴藏量巨大的清洁能源 ,以天津市为例 ,根据表 1 中的太阳年平均辐射强度 ,如果采用 100万 m2 的太阳能集热器提供热水 ,按这些条件进行计算 ,则可每年节省标准煤约13. 2 万 t ,同时可减少粉尘排放 : 1 320 t ; CO2 :3 168 t ;SO2 :1 848 t ;NOx :528 t 。从以上的计算我们可以看出 ,太阳能的应用潜力是巨大的 ,环保效益非常明显 ,既能减轻资源相对短缺的矛盾 ,又能缓解日益严重的环境问题 。因此 ,从我国的实际出发 ,因地制宜 ,大力发展太阳能热水器 ,BIPV系统 ,结合常规能源发展和推广太阳能空调及太阳能采暖 ,不仅可以弥补日益短缺的常规能源的不足 ,为可持续发展做出自己的贡献 ,而且可以带动一批相关产业的发展 ,可以取得较好的经济效益 、 社会效益和生态效益 。参考文献[1 ] You Shijun , Hua Jun et al. 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