大气科学可助推太阳能工程发展

　　专家顾问：
　　哈尔滨工业大学教授 杨大智
　　中国科学院大气物理研究所研究员 夏祥鳌
　　中国气象局风能太阳能中心科学主任、气象服务首席 申彦波
　　哈尔滨工业大学博士研究生 王文婷
　　在双碳目标背景下，加快清洁能源开发利用，构建以新能源为主体的新型电力系统，成为绿色低碳发展的重要途径。因此，高比例、大规模太阳能并网发电在不久的将来或将成为现实。
　　对太阳能并网发电来说，太阳能的准确预报对电力系统运行决策具有重要意义。而太阳能预报需要考虑太阳辐射在大气中存在复杂的散射和吸收，是一个复杂的大气过程，这需要大气科学特别是大气探测的支撑。因此，合理有效融合大气科学和太阳能工程两个领域，将在我国双碳目标实现过程中发挥重要作用。
　　太阳能预报与太阳辐照度
　　在太阳能并网发电中，需要有效开展太阳能预报，也就是对太阳辐照度进行预测。所谓太阳辐照度，是指太阳辐射经过大气层的吸收、散射、反射等作用后到达固体地球表面上单位面积、单位时间内的辐射能量。由于光伏或者集中式太阳能发电量主要是根据辐照度条件而变化，因此，对太阳辐照度的预测亦是对太阳能功率预测的一种重要手段。
　　目前，已经有许多研究采用纯数据驱动的方法预测太阳能，其中历史天气和电力数据被用作机器学习和统计方法的输入。而以这种方式生成的太阳能预测是次优的，因其忽略了太阳辐照度的显著特征，换言之，对太阳能预报的关键在于对大气物理学知识的刻画，即充分研究和了解大气层中吸收、散射、反射等辐射传输过程对太阳辐射的影响。
　　太阳能预报具有可再现性、运营性、物理性、集合性和技能性等五个显著特征，从这些特征中可以看出大气环境及预报对太阳能预报的意义所在。可再现性是所提出方法能否被行业广泛应用的基本前提；运营性表示太阳能预报产品要符合电网需求。太阳能并网发电需要的太阳能预报产品的空间和时间尺度，通常小于天气尺度或中尺度数值预报模式输出的产品，因此要将模式预报产品转换为电网运营商易于使用的形式；物理性和集合性是利用基于物理的方法（例如全天空成像仪，卫星遥感和天气预报）来捕捉云的动态，并为云的动态提供不确定性量化；技能性则是与预报评估相关，需要采用基于晴空辐射的基准模型进行评估，或直接评估晴空指数。
　　因此，太阳能预报研究的重点不是预报模型是否更新颖、机器学习算法是否更复杂，而在于对太阳辐照度显著特征的理解，并使用基于物理的方法生成，再经统计和机器学习模型处理来开展预报。
　　大气科学发展与太阳能工程
　　研究认为，云是将大气科学和太阳能联系在一起的关键参数，云的反射和散射会对到达地面的太阳辐射产生影响，而且云的类别、厚度、高度、覆盖度，是否伴随降水等条件的变化，对太阳总辐射的削弱作用也会有所增减。
　　在所有云的类型中，对太阳辐射影响具有最大不确定性的类型是积云和卷云，有必要进一步了解这些云的产生、持续和消失的动态以及物理过程，以提高数值天气预报的预测技能，这必将推动太阳能资源评估和太阳能预报能力的提升。
　　此外，气溶胶是提高太阳能预报准确率的另一个关键参数。臭氧分子吸收、气溶胶粒子吸收和散射等，是导致太阳辐射在到达地面前发生衰减的重要因素。同时，臭氧浓度或气溶胶粒子浓度改变时，到达地面的太阳辐射量也将改变。由此，大气化学方面的科技支撑，将增强太阳能工程领域对自然和人为气溶胶如何影响太阳能资源以及如何在数值天气预报中考虑这些影响的认知和理解。
　　大气科学的发展将成为太阳能工程的重要助推器。可通过跨学科融合发展，进一步增加两个学科研究人员的交流，太阳能界要熟悉大气科学的最新发展，大气科学界也应多了解太阳能工程师的需求。跨领域交流合作，实现太阳能并网发电，将为我国在本世纪中叶实现碳中和目标发挥更大作用。
　　【来源：莆田市气象局_气象科普】
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