太阳能地面测量技术优化方案

在给定地区采集地球表面逐日和逐时的太阳辐射数据，对于设计和优化太阳能热利用系统是至关重要的。因此，全世界不同地区的监测站都连续开展了太阳辐射数据的测量。这些测量包括：

1）法线入射方向直射太阳辐射；

2）水平面的散射辐射；

3）水平面的总太阳辐射；

4）特定方位倾斜面上的总太阳辐射；

5）特定波段上的辐射光谱分布；

6）地面反射的太阳辐射。

太阳辐射的测量仪器包括总日射表和直接日射表。总日射表用于测量来自全天空入射到水平面的总太阳辐射，如图2.6所示。直接日射表用于测量法线入射方向上的直射太阳辐射。

图2.6 使用无遮光带的总日射表测得的总辐射

散射太阳辐射的测量通常是在总日射表上附加一个遮光带，以遮挡直射光线到达传感单元。常用的定直径遮光带会根据太阳赤纬角沿着平行于地轴的轴线移动。为了确定阴天条件下倾斜面上遮光带的校正因子（Burek等，1988），将一对总日射表并排安装在倾角可调的朝南平面上；一个用于测量太阳总辐照度，另一个装有遮光带用于测量散射辐射。总日射表的遮光带和倾斜度要进行周期性的（例如，每2周1次）调整，以维持测量散射的总日射表的圆顶处于遮光带中，并确保通过测量平行于太阳时正午的太阳光线来得到太阳辐照度。在均匀的多云条件下，太阳辐射仅为散射辐射且各向同性，如果不需要校正遮光带，那么由总日射表和装有遮光带的散射辐射仪测量的结果将是相同的。实际上，在这种天空条件下测量的总太阳辐射与散射辐射之比是使用遮光带时所需的校正因子。这个因子使得测量能够包含被遮光带遮挡的来自太阳方向的散射辐射。对于大多数情况来说，其测量误差小，没有必要区分来自相同方向的散射辐射和直射辐射。遮光带仅需每7～14天进行调整，以便根据太阳赤纬角的变化而进行校正。因此，这种方法简单实用，与更准确的遮光盘方法相比更具优势（Burek等，1988）。后者比较了用装有可移动遮光盘来遮挡直接辐射的总日射表测量的散射辐射“真”值与装有遮光带总日射表的测量值。(www.xing528.com)

图2.7 用于倾斜面和水平面总日射表的遮光带校正因子

有研究分析了总日射表遮光带的几何形状，确定在一年之中水平总日射表校正因子随着时间的变化，得到其与太阳赤纬角、日出和日落时角（Drummond，1956；Robinson和Stoch，1964）及朝南（在北半球）倾斜面的函数关系（Burek等，1988）。假设散射辐射各向同性分布，图2.7显示了这种几何校正关系。各向异性散射辐射是在各向同性散射辐射的基础上产生了仅百分之几的误差（Ineichen等，1983）。只有当对准确度要求很高时，遮光带校正才应被用于考虑各向异性天空散射辐射。晴空条件下，散射辐射的经验或理论分布均可使用，因为没有哪一种方法绝对比另一种更好（Rawlins和Read_- ings，1986）。经验校正方法是基于一年当中的时刻和散射辐射与总辐射的测量值之比（Painter，1981）或是基于总辐射，因为散射辐射的各向异性和该参数有关（Mujahid和Turner，1980）。关于遮光带内表面被直射阳光照射部分影响的理论与实验研究（尤其是在低太阳高度）表明，遮光带宽度对各向异性的校正（与几何校正分开考虑）没有显著影响（Steven和Unsworth，1980），除非是非常窄的遮光带（宽度与半径之比小于0.15）。Drummond（1956）的校正函数隐含假定了各向同性的辐射分布与多云天气日均数据吻合度较好，而各向异性分布的校正函数与晴天数据更吻合（Ineichen等，1983）。因此，有些讽刺的是，散射辐射测量值的各向异性校正与低散射辐射条件下非常精确的测量值具有一定的关联性。

均匀太阳辐射通量下倾斜和水平总日射表元件的遮光带校正因子如图2.8所示，其中总日射表的太阳入射角与遮光带平面的方位角、总日射表所在平面的日出时角有关。

图2.8 太阳时正午垂直于太阳入射方向的总日射表的遮光带校正因子

当从高处看，平地的地平线会在水平面之下；比如，当从5m高的地方看，地平线在水平面以下2.2°。对于安装在屋顶上的总日射表，遮光板校正因子应包括高度校正，以避免该值被错误高估。倾斜表面还需要另外的校正；图2.7显示了太阳时正午下与太阳垂直的、倾斜的总日射表的校正。校正因子随着倾斜角度的减小而增加，这是因为尽管被遮光带遮挡的地面反射辐射减少了，但被遮挡的天空辐射在总量中的占比有所增加。图2.9显示了总日射表在不同倾角下、地面反射率为0.26（适于绿色玻璃）时，遮光带校正因子全年的变化情况。

当倾角较小时，图2.9所示曲线在冬季有1个最小值，而在夏季有2个最大值。相反，在倾角较大时，夏季有1个最小值，这是因为此时遮光带仅有一小段是有效的。实际上，如果倾角进一步增大，那么在这段时间内可不需要遮光带，因为感应元件已完全无法接收到直射辐射。由图2.8可得，遮光带内表面已被假定为不再反射光线，尽管已经表明哑光黑色表面的反射率可以是0.1（LeBaron等，1980）。对于图2.8所示的遮光带几何形状和地面反射率，冬季时随着总日射表朝向由水平变为竖直，遮光的校正因子由1.02变为1.29。当地面反射率较低或遮光带宽径比较大时，这个值变化范围会更大。因此，这些因子的潜在误差相对较小，但至少在假定天空散射为各向同性时，它们和由各向异性散射辐射分布可能引起的遮光带校正因子误差一样大（Spencer等，1982）。

图2.9 不同总日射表倾角的遮光带校正因子