臺灣日照量高低的爭議

作者/黃明輝(任教聯合大學能源工程系及通識教育中心)

全國能源會議即將召開,民眾在探討石油危機與核能存廢的問題時,太陽光電究竟能貢獻多少?臺灣的日照量跟德國、日本相比呢?高或低的兩種說法充斥市面,究竟出了什麼問題?

爭議起源

21世紀中影響人類文明的兩個最重大危機就是石油耗竭與全球暖化,降低使用石化燃料是克服這兩危機的一石二鳥的方案。節能是重要但成效有限的方式,使用低二氧化碳排放的能源才是大量減碳,又能兼顧生活與經濟的對策。低碳能源中,核能是既有的、最成熟的技術,綠能則是新興且未來有廣大市場的新技術。太陽光電是綠色能源中的重要成分,臺灣也是太陽光電板的製造重鎮。

近年來核能議題不斷興起,即使政府決定核四廠暫不商轉,等待封存。缺乏核四廠,電能缺口如何彌補,仍是一個大問題。全國能源會議即將召開,各方爭相提供對自己立場有利的背景資訊。部分人士就主張大量擴充太陽光電以取代核能,並引用德國與日本的例子,提出樂觀的估計。但也有學者何明景與歐文生等人舉證中央氣象局資料,指出臺灣陰雨多雲的關係,日照量低於同緯度其他國家。若是臺灣日照量不多,如果以太陽光電取代核電,將會耗費巨資與佔據大量土地。雙方都有其道理,歧異的地方在於臺灣的太陽能是否充足?臺灣的日照量比起大量推展綠能的德國或日本是多還是少?同一篇文獻,不同人卻能引用不同數據來支持自己的主張!顯然背後有一些迷思或誤解,本文就來探索這個謎題。

背景說明

首先迷惑一般人的是一堆看起都很像的專有名詞,所以需要先解釋清楚,參考圖一。人類需要的是太陽提供的能量(Energy, E)、或稱為輻射能(Radiant energy);能量的單位可用焦耳(J)或度(kWh 千瓦時)。這是第一個引起誤解的地方,度(kWh)是常用的電能單位,雖然也可用來表示太陽輻射能,但絕不能把這個太陽輻射能多少度就直接當成可發電多少度!其中還牽涉到轉換光與熱到電能的效率。

圖一:與日照量有關的專有名詞及其單位的關係。

輻射能跟接收太陽輻射的面積(A)與曝光時間(t)有關。在垂直陽光方向的截面上,當陽光強度均勻時,可把輻射能除以面積,得到照射量或輻射曝光量(Insolation, Irradiation),也就是單位面積上的能量,單位為焦耳每平方公尺(J/m2)或度每平方公尺(kWh/m2)。當陽光強度穩定時,可以把輻射能除以時間,得到輻射功率(Radiant power)或稱為輻射通量(Radiant flux);功率就是單位時間的能量變化,單位為瓦特(W=J/s)或度每單位時間(kWh/P,此P為計算平均功率的某個周期,例如時、天、年)。假如把輻射能除以面積與時間,即得到輻射度或照射度(Irradiance,簡稱照度),單位為瓦特每平方公尺(W/m2)或度每單位時間(某個周期P,例如:天、月、年)每平方公尺(kWh/(m2P))。

前述太陽輻射是否夠「強」,爭議的主題應該是照度(Irradiance)的大小,而非總太陽輻射能量或照射量(Irradiation)的多寡。這個照度包含太陽輻射的所有頻譜,最重要的是約46%的能量出現在波長700 nm以下的可見光與紫外線(~1%),通稱為太陽光能。另外有約54%能量出現在波長大於700 nm的紅外線,通稱為太陽熱能。可見光部分才是人類所見的陽光亮度,因此相對於照度,另外再增加施照度(Illumination,用於受光體)或發光度(Luminous Emittance,用於發光體);單位是勒克士(Lux)或者用流明每平方公尺(lm/m2)。因為紅外線光子的能量無法激發電子跳出成為電流,因此太陽光電比較有關的是施照度。但是施照度與照度約略成比例,施照度又受人眼的敏感度影響(圖一中的轉換函數V(λ)),與真實頻譜有差異,因此習慣上仍以照度為估算太陽光電發電功率的主要參數。

第二個引起誤解的地方是日常用語與專業用語的混淆。例如Insolation有時指輻射能,有時指輻射功率。Irradiance與Irradiation 兩者都是名詞,口語中意義相同;但專業上Irradiation(J/m2、kWh/m2)是Irradiance(W/m2、kWh/(m2時間))對時間的積分,兩者是不同的。類似混淆也同樣出現於專業文獻中,經常出現類似這種「每年照度(annual irradiance)x kWh/m2」的文字與單位混合兩種說法的語病。正確的方式是年平均照度x kWh/(m2 year))或者是年照射量x kWh/m2。意義雖然相同,但單位不應該混淆。

另一個可能的誤解出自翻譯。Irradiance翻譯為照射度或簡稱照度,符合國家教育院的學術名詞資訊網上的標準翻譯。Irradiation在學術名詞資訊網上的標準翻譯是「照射、輻射」。在中文裡「照射、輻射」的直覺認知是動詞,不足以表明Irradiation是個專有名詞。例如:Solar radiation與Solar irradiation若按此標準翻譯都將變成「太陽輻射」,但前者指輻射的電磁波、後者指輻射的能量的面積密度!因此本文將Irradiation翻譯為照射量,以資區別。

太陽照度

太陽照度(radiance)的測量方法可在地面直接測量,使用的儀器如全天空日射計(All sky pyranometer)。全天空日射計使用一個半球型玻璃罩,包覆一個熱電偶;光線可從水平面以上的天空進入,熱電偶吸收太陽輻射後產生電位差。數據可以顯示當時天空的照度(W/m2),或者乘上時間累加成一日的日照量(kWh/m2)。由於即時照度因雲的移動,變化較劇烈;日平均照度是經累計日照量除以一天,變成數字相同但單位不同的照度(kWh/(m2day))。長期資料通常累計一年,變成年平均照度(kWh/(m2year))。地面測站反應出當地的真實狀況,但也有儀器的誤差,與測量站的分布稀疏、難以代表更大區域等缺點。

太陽照度也可以從氣象衛星遙測地面溫度與反光,推算出照度。但衛星影像解析度較差,涵蓋地面面積較大;而且數據處理時間,較難以做及時監控。因此衛星數據比較適合作為長期與大面積的照度測量。這些衛星數據用在氣象預報,類似方法也用在大氣環流模式(General Circulation Model, GCM)做長期氣候預測,其數據的正確性是全球氣候學家所共同認定的。

根據照度的測量方式,分成兩種:儀器保持與陽光方向垂直的照度GNI(Global Normal Irradiance),與儀器保持在水平面的照度GHI(Global Horizontal Irradiance)。大氣中除了直射的陽光外,還有許多陽光與大氣分子或氣膠(aerosol)碰撞、而使方向凌亂的漫射光(Diffuse lights); 水平面上總漫射光稱為GDI(Global Diffuse Irradiance)。這三者都關係是

GHI=GNI×cosθS+GDI ……(1)

θS為太陽的天頂角。當,太陽斜射水平面時θS不為0,所以有效面積減少為cosθS倍。

此處所稱的Global可能會引起誤解,這裡是指光線來自天空的半球,而非整個地球。相對於地球的直射陽光強度,通常用太空中的平均照度1367 W/m2,此數又稱為太陽常數Solar constant、或地外照度(Extraterrestrial Solar Irradiance)。

針對臺灣日照多寡的爭議,本文蒐集四種照度的數據,與歐文生所引用的德國、日本的照度做比較。從衛星測量的有SolarGIS與Satel-Light兩個資料庫,與國內學者蕭鋒等人所推算的數據。從地面氣象站蒐集資料的有我國的中央氣象局的數據(何明景等人(2006)與歐文生等人(2008))、Meternorm全球氣象資料庫、與德國氣象站(Liepert&Kukla, 1997)。由於筆者無法取得日本建築學會所出版的太陽能建築指南,只能續用歐文生(2008)所引用的數據。這些的數據都轉換成每年累積日射量,數據列在表一內。


地面測站的數據隱含一項統計的缺失:只靠少數測站的簡單平均值,並沒有辦法代表全國的平均值。以日本的案例而言,許多高照度地區出現在沿海與高山或者南方海島,比較適當的方式應該要用面積做為權重,這樣比較能得到有意義的平均值。

比較臺德日的日照量

一、臺灣的日照量
圖二為Meternorm提供的全球水平面照度GHI分布圖。圖中的黑色框是與臺灣相同緯度的地區。從全球的GHI分布圖可以看到同緯度地區,日照量最低的地區是中國西南方的雲南貴州四川地區。貴州素有「天無三日晴」的諺語,正是說明其日照時數短、日照量低的特徵。其他地區如印度次大陸北部、中東及阿拉伯半島、北非、墨西哥等地都是屬於亞熱帶沙漠地區,都擁有豐富的太陽能。臺灣地區由於鄰近海洋、多雲多雨的氣候使晴天的時數少了許多。在垂直日照度DNI的分布圖也是一樣的現象,臺灣附近空氣中豐富的水氣使直射陽光減少。

圖二:全球各地的水平面全年累計總日照量分布圖。
圖中的黑框為與臺灣相同緯度的區域,
臺灣地區的年總日照量約在1400~1600 kWh/m2,除了中國西南方之外,
臺灣地區的日照量比起其它地區小。(圖片來源: Meternorm)

將臺灣的日照量比對SolarGIS與Meternorm兩個資料庫的數據,其他數據都在等高線區間範圍附近,只有基隆的實測資料較低。由於採用的資料是免費的圖檔,只能看到解析度較差的圖檔,其資料不足以看到小區域的變化。由此可知氣象局的實測數據,並無太大問題。不過相同的資料來源,不同時期與不同作者卻得出不同的數據。表二列出三份文獻中列出的一些測站的年總日照量,可以發現最大值與最小值竟然相差14%~ 47%。其中或許有部分隨全球暖化產生的變化,但相對差異如此大顯示仍有值得深入探究的必要。

筆者在2010年曾指導學生專題研究,以數值模擬方式,將地外照度隨時間計算太陽位置,估算大氣消光後的GNI,再依照(1)式算出GHI的即時數值,累加後再與歐文生(2008)的每小時平均照度做比較。試圖從測量的GHI與預測的數值導出太氣中的雲量影響。發現短周期(每小時照度)差異很大,可能原因是沒有漫射光的變化隨時間、季節、地點與太陽方位而變化。當假設一個平均的散射光比率後,長週期(每月)的趨勢便趨向吻合,由此經驗可確認何明景等人(2006)、歐文生等人(2008)的數據仍是可靠的。但是該模擬根據數據比對,並無法檢驗表二中哪一個才是最正確,仍需從氣象局原始數據著手。


二、比較德國與日本的日照量
SolarGIS、Meternorm與Satel-Light在德國地區的數據都互相符合。但是歐文生等人(2008)所引用的德國與日本的數據都高過這三資料庫的數據。從Liepert&Kukla(1997)的原文追查這些數據,也跟歐文生等人(2008)所引用的數據符合。再根據Liepert&Kukla(1997)的8個測站,比對Satel-Light資料庫的數據,可以發現Liepert&Kukla的數據大約是GHI的兩倍!

由於沒有日本的數據的原文,無法做驗證。但SolarGIS 與Meternorm的數據符合,且都比引用的日本日照量低1/4左右。

從這些比較猜測德國與日本的數據過高,可能是不同學者對平均日照度的定義不同,或者是採用GNI而非GHI。依照我國中央氣象局、SloarGIS、Meternorm與Satel-Light的定義都是每日累積GHI的總日照量除以24小時。所以德國與日本的這兩個數據不該拿來跟臺灣的數據相比!假如將德國數乘以0.5做校正,則可從表一的數據發現,德國的平均年總日照量為1060 kWh/m2,與上述資料庫的數據都吻合。此數量約略與臺灣的數據相近,臺灣的太陽能資源並無特別高於或低於德國。

結論

21世紀裡人類文明的最大敵人是全球暖化,我們需要技術成熟又有效的大量減碳方法。太陽能與核能都是營運時零碳排的能源。國內許多人主張以太陽發電取代核電廠,但是對臺灣的太陽能資源有過度樂觀的期望。地面的日照度是預測太陽光電發電量的最重要參數,本文比較數個資料庫與臺灣本地的文獻,發現臺灣的太陽能資源確實不如同緯度地區的許多亞熱帶沙漠地區;但若跟大量推動太陽光電的德國、日本相比,臺灣並不遜色。

當民眾在作社會重大議題(如核四公投)的判斷時,必須以正確資訊為依據,切勿使用有疑慮的數據或誤用不同定義的數據而誤導了選擇。臺灣雖有潛力發展太陽光電,但若是以太陽發電取代核電廠,勢必耗費大量土地與資金,且閒置容量過高。太陽能與核能兩者應該是共同對抗暖化的夥伴關係,綠色能源則是補充石油耗竭的缺口。若是可以搭配使用核能為基載、太陽能為尖峰負載,即可免除既昂貴又技術尚未成熟的電能儲存的問題。以核能為主要基載發電,可以大量降低對石化燃料的依賴,避免廢核後大量使用煤造成的碳排與空氣污染的更大弊病。太陽能與核能的完美結合將是解決石油耗竭與全球暖化的最佳拍檔。

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