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    大氣科學可助推太陽能工程發展

    發布時間:2022年03月27日 來源:中國氣象報社

    專家:哈爾濱工業大學教授 楊大智

    中國科學院大氣物理研究所研究員 夏祥鰲

    中國氣象局風能太陽能中心科學主任、氣象服務首席 申彥波 ? ? ? ??

    哈爾濱工業大學博士研究生 王文婷

    在雙碳目標背景下,加快清潔能源開發利用,構建以新能源為主體的新型電力系統,成為綠色低碳發展的重要途徑。因此,高比例、大規模太陽能并網發電在不久的將來或將成為現實。

    對太陽能并網發電來說,太陽能的準確預報對電力系統運行決策具有重要意義。而太陽能預報需要考慮太陽輻射在大氣中存在復雜的散射和吸收,是一個復雜的大氣過程,這需要大氣科學特別是大氣探測的支撐。因此,合理有效融合大氣科學和太陽能工程兩個領域,將在我國雙碳目標實現過程中發揮重要作用。

    太陽能預報與太陽輻照度

    在太陽能并網發電中,需要有效開展太陽能預報,也就是對太陽輻照度進行預測。所謂太陽輻照度,是指太陽輻射經過大氣層的吸收、散射、反射等作用后到達固體地球表面上單位面積、單位時間內的輻射能量。由于光伏或者集中式太陽能發電量主要是根據輻照度條件而變化,因此,對太陽輻照度的預測亦是對太陽能功率預測的一種重要手段。

    目前,已經有許多研究采用純數據驅動的方法預測太陽能,其中歷史天氣和電力數據被用作機器學習和統計方法的輸入。而以這種方式生成的太陽能預測是次優的,因其忽略了太陽輻照度的顯著特征,換言之,對太陽能預報的關鍵在于對大氣物理學知識的刻畫,即充分研究和了解大氣層中吸收、散射、反射等輻射傳輸過程對太陽輻射的影響。

    太陽能預報具有可再現性、運營性、物理性、集合性和技能性等五個顯著特征,從這些特征中可以看出大氣環境及預報對太陽能預報的意義所在??稍佻F性是所提出方法能否被行業廣泛應用的基本前提;運營性表示太陽能預報產品要符合電網需求。太陽能并網發電需要的太陽能預報產品的空間和時間尺度,通常小于天氣尺度或中尺度數值預報模式輸出的產品,因此要將模式預報產品轉換為電網運營商易于使用的形式;物理性和集合性是利用基于物理的方法(例如全天空成像儀,衛星遙感和天氣預報)來捕捉云的動態,并為云的動態提供不確定性量化;技能性則是與預報評估相關,需要采用基于晴空輻射的基準模型進行評估,或直接評估晴空指數。

    因此,太陽能預報研究的重點不是預報模型是否更新穎、機器學習算法是否更復雜,而在于對太陽輻照度顯著特征的理解,并使用基于物理的方法生成,再經統計和機器學習模型處理來開展預報。

    大氣科學發展與太陽能工程

    研究認為,云是將大氣科學和太陽能聯系在一起的關鍵參數,云的反射和散射會對到達地面的太陽輻射產生影響,而且云的類別、厚度、高度、覆蓋度,是否伴隨降水等條件的變化,對太陽總輻射的削弱作用也會有所增減。

    在所有云的類型中,對太陽輻射影響具有最大不確定性的類型是積云和卷云,有必要進一步了解這些云的產生、持續和消失的動態以及物理過程,以提高數值天氣預報的預測技能,這必將推動太陽能資源評估和太陽能預報能力的提升。

    此外,氣溶膠是提高太陽能預報準確率的另一個關鍵參數。臭氧分子吸收、氣溶膠粒子吸收和散射等,是導致太陽輻射在到達地面前發生衰減的重要因素。同時,臭氧濃度或氣溶膠粒子濃度改變時,到達地面的太陽輻射量也將改變。由此,大氣化學方面的科技支撐,將增強太陽能工程領域對自然和人為氣溶膠如何影響太陽能資源以及如何在數值天氣預報中考慮這些影響的認知和理解。

    大氣科學的發展將成為太陽能工程的重要助推器??赏ㄟ^跨學科融合發展,進一步增加兩個學科研究人員的交流,太陽能界要熟悉大氣科學的最新發展,大氣科學界也應多了解太陽能工程師的需求??珙I域交流合作,實現太陽能并網發電,將為我國在本世紀中葉實現碳中和目標發揮更大作用。

    作者:張妍??責任編輯:徐嫩羽

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