基于光电式日照计的太阳直接辐射测量研究

陈 平

(北京工商大学,北京 100081)

0 引言

直接辐射是从日面及其周围一个小立体角内发出的辐射。精细观测直接辐射对于评估气候变化、开发利用太阳能资源、指导农业生产和科学治理大气污染具有积极的意义。目前,中国仅有17个地面辐射站开展直接辐射观测,直接辐射观测资料过于稀疏,无法满足太阳能开发利用,特别是光伏光热发电工程需要[1-3]。

光电式日照计是通过测量直接辐射,判断直接辐射是否超过120 W/m2来测量日照时数的仪器[4]。目前中国2400多个地面气象观测站全部部署有光电式日照计,基于光电式日照计能够测量直接辐射的基础,科学研究评估基于光电式日照计测量直接辐射的技术可行性和辐射数据质量,有利于提升中国地面直接辐射测量精密性,可满足不同领域对直接辐射的应用需求。

文章利用直接辐射表作为参考标准器,选取3种主流型号的光电式日照计作为研究对象,在多云、少云和晴天等天气条件下,同步测试直接辐射表和光电式日照计输出的直接辐射值,通过统计分析方法,定量研究光电式日照计测量直接辐射的误差数据,以此分析光电式日照计测量直接辐射的可行性和潜在应用场景。

1 数据资料

文章所用数据选自于2022年10月在北京测得的分钟直接辐射、总辐射、散射辐射和日照时数日累计数据。

为保证研究的有效性,数据资料在使用之前进行了质量控制[5-7]。具体方法如下:

1)数据采集器、供电或太阳跟踪器出现故障前后采集的数据需剔除。

2)太阳高度角小于7°时测量的辐射数据需剔除。

3)利用式(1)、式(2)计算晴空指数Kt和散射分数Kd,剔除不满足0

(1)

(2)

式中,Eg表示地面水平面太阳总辐射;E0表示大气层外太阳直接辐射,即太阳常数,取1361 W/m2;α表示太阳高度角;Ed表示地面水平面散射辐射。

4)散射辐射大于1.1倍总辐射对应的辐射数据需剔除。

5)总辐射大于1.2倍太阳常数和散射辐射大于0.8倍太阳常数对应的辐射数据需剔除。

2 统计方法

2.1 平均误差

平均误差Emb用于评估光电式日照计测量的直接辐射与直接辐射表测量的直接辐射之间的系统误差。Emb越接近于0,证明光电式日照计测量的直接辐射相较于直接辐射表测量的直接辐射的系统误差越小,光电式日照计代替直接辐射表开展直接辐射测量的可能性越大。Emb由式(3)计算:

(3)

式中,n表示数据量;Esd,i表示光电式日照计测量的第i个直接辐射值;Epr,i表示直接辐射表测量的第i个直接辐射值。

2.2 均方根误差

均方根误差Erms可分析光电式日照计所测直接辐射与直接辐射表所测直接辐射之间的随机误差。Erms越小,说明光电式日照计测量的直接辐射与直接辐射表测量的直接辐射之间的偏离程度越小,光电式日照计代替直接辐射表测量直接辐射的可能性越大。Erms可由式(4)计算:

(4)

式中,n表示数据量;Esd,i表示光电式日照计测量的第i个直接辐射值;Epr,i表示直接辐射表测量的第i个直接辐射值。

2.3 相关系数

相关系数r用于评估光电式日照计测量直接辐射与直接辐射表测量直接辐射之间的线性相关性,r越接近于1,说明光电式日照计测量的直接辐射与直接辐射表测量的直接辐射的线性相关性越好。r按式(5)计算:

(5)

2.4 线性度

线性回归方法通常用来分析两列数据之间的线性度。建立光电式日照计所测直接辐射与直接辐射表所测直接辐射之间的一元线性回归方程y=a+bx,其中y是直接辐射表测量的直接辐射序列,x是光电式日照计测量的直接辐射序列,a为回归常数,b为回归系数,即线性度[8]。b越接近1,说明光电式日照计测量的直接辐射与直接辐射表测量的直接辐射越一致,用光电式日照计代替直接辐射表测量直接辐射的可行性越大。

3 结果分析

3.1 误差分析

通过分析多云、少云和晴天3种天气条件下光电式日照计与直接辐射表所测日照时数误差,计算光电式日照计与直接辐射表所测直接辐照度量值之间的平均误差、均方根误差和相关系数,评估3种天气条件下,光电式日照计测试直接辐射的准确度,统计分析结果如表1所示。

表1 光电式日照计与直接辐射表所测日照时数和直接辐射统计分析结果

从表2可知,在多云天气条件下,3种型号光电式日照计与直接辐射表相比测得的日累计日照时数误差相对较大,尽管绝对误差都在1 h以内,满足日照时数测量的要求,但是DFC1和DFC3的相对误差已经超过10%,长期观测将高估该地区的日照时数。在多云天气条件下,DFC2型光电式日照计相较于直接辐射表测得的直接辐射,平均误差和均方根误差最小,且平均误差小于0,表明其测得的直接辐射具有低估直接辐射的现象。DFC3型光电式日照计相较于直接辐射表测得直接辐射的平均误差和均方根误差居中,DFC1型光电式日照计平均误差和均方根误差最大,而且DFC1型和DFC3型光电式日照计的平均误差均大于0,表明二者测得的直接辐射都大于直接辐射表测得的直接辐射。

表2 光电式日照计与直接辐射表直接辐射相关系数

在少云天气条件下,3种型号光电式日照计与直接辐射表所测日累计日照时数的相对误差和绝对误差都较小,日照时数测量性能良好。但是对直接辐射的测量,根据平均误差和均方根误差,DFC1型光电式日照计数据质量最佳,DFC3型光电式日照计次之,DFC2型光电式日照计误差最大。DFC2型和DFC3型光电式日照计的平均误差都小于0,所以其测得的直接辐射仍小于直接辐射表测得的直接辐射,DFC1型光电式日照计的平均误差大于0,显示其测得的直接辐射大于直接辐射表测得的直接辐射。

在晴天条件下,3种型号光电式日照计与直接辐射表所测日累计日照时数的相对误差和绝对误差都很小,日照时数测量性能良好。而从平均误差和均方根误差可以看出,DFC1型光电式日照计数据质量最佳,DFC2型光电式日照计次之,DFC3型光电式日照计误差最大。DFC1型光电式日照计的平均误差大于0,表明其测得的直接辐射大于直接辐射表测得的直接辐射,而DFC2型和DFC3型光电式日照计的平均误差都小于0,表明其测得的直接辐射都小于直接辐射表测得的直接辐射。

根据上述误差分析,在日照时数测量方面,3种型号光电式日照计具有普遍的多云天气条件下日照时数测量性能较差,少云和晴天天气条件下日照时数测量性能较好的现象。这与光电式日照计原理结构有关,多云天气条件下,空气中散射辐射分量增加,造成直接辐射表测量的直接辐射急剧下降,而日照计测量的直接辐射下降不明显,导致日照计测得的日照时数偏大。在直接辐射测量方面,不管何种天气条件,DFC1型光电式日照计普遍存在所测直接辐射高于直接辐射表测得直接辐射的现象;DFC2型光电式日照计普遍存在所测直接辐射低于直接辐射表测得直接辐射的现象;DFC3型光电式日照计在多云和少云天气条件下,所测直接辐射高于直接辐射表测得直接辐射,而在晴天天气条件下,所测直接辐射低于直接辐射表测得的直接辐射。3种型号日照计的均方根误差整体上呈现从多云、少云到晴天逐渐增大的趋势,这是由于光电式日照计重点针对直接辐射(120±24)W/m2测量的准确性,以提高判断有无日照的准确性,而直接辐射超过144 W/m2之后将不再对有无日照产生影响,因此随着天气条件转好,光电式日照计测量直接辐射的准确性不再得到保障。

3.2 线性度分析

分别计算多云、少云和晴天3种天气条件下光电式日照计和直接辐射表测量直接辐射的相关系数,结果如表2所示。分析可知,多云天气条件下,3种型号光电式日照计与直接辐射表测量直接辐射的变化趋势比较一致,相关系数都在0.91以上,说明光电式日照计和直接辐射表两种仪器能够比较好地捕捉云层变化对直接辐射带来的变化和影响。在直接辐射比较大的时间段内,两种仪器测量的直接辐射值存在较大差异。少云天气条件下,DFC1型光电式日照计与直接辐射表测量的直接辐射曲线最为贴合,而DFC2和DFC3型光电式日照计与直接辐射表测量的直接辐射曲线仅在日出和日落前后比较接近,验证了光电式日照计重点关注的是日照阈值在(120±24)W/m2处的测量准确性。在少云天气条件下,DFC1和DFC2型光电式日照计与直接辐射表测得直接辐射之间的相关系数在0.90以上,DFC3型相关系数则在0.85以上,这与少云天气条件下光电式日照计和热电式直接辐射表传感器响应时间不同有关。在晴天天气条件下,3种型号光电式日照计与直接辐射表测得直接辐射的变化趋势比较一致,相关系数都在0.95以上,DFC1型光电式日照计内部进行了比较完善的数据修正与补偿;而DFC2和DFC3型光电式日照计与直接辐射表测得的直接辐射在日出日落前后比较接近,随着时间增加,直接辐射增大后光电式日照计测得的直接辐射值明显低于直接辐射表测得的直接辐射值。

分析不同天气条件下3种光电式日照计与直接辐射表测得直接辐射之间的线性度,研究DFC1,DFC2和DFC3 3种型号光电式日照计与直接辐射表测得直接辐射之间的线性方程,得出DFC1型光电式日照计的线性方程的回归系数在1左右,而DFC2和DFC3型光电式日照计的线性方程的回归系数都比1小很多,这与DFC2和DFC3型光电式日照计测得直接辐射明显低于直接辐射表测得直接辐射相互印证。从上述研究结果分析,DFC2和DFC3型光电式日照计在高直接辐射时测量直接辐射的准确度还需提高。

4 结束语

直接辐射在气候、太阳能资源、农牧业等领域具有重要应用,高时空分辨力、精细化测量是提升直接辐射应用效益的重要基础。文章以直接辐射表作为参考标准,选用DFC1,DFC2和DFC3 3种主流型号光电式日照计开展同步比对测量,利用统计方法,分析在多云、少云和晴天天气条件下,光电式日照计和直接辐射表测得的日累计日照时数和直接辐射等测量值之间的平均误差、均方根误差、相关系数和线性度等指标。结果显示,DFC1型光电式日照计进行了比较完善的数据修正和补偿,其测得的直接辐射相较于直接辐射表测得的直接辐射略高;DFC2和DFC3型光电式日照计仅在日出日落前后测得的直接辐射与直接辐射表比较接近,其余时间则明显低于直接辐射表测得的直接辐射值,可以看出,DFC1和DFC2两种型号的光电式日照计为确保日照时数测量准确,重点关注的是日照阈值(120±24)W/m2处的测量准确性,当直接辐射大于144 W/m2满足有无日照的判定条件后,这两种光电式日照计对直接辐射测量准确度没有过高要求,因此光电式日照计测得的直接辐射值与直接辐射表测得值存在较大差异。基于研究结果,不建议在气候研究、卫星校正等对辐射量值准确度要求较高的场合下使用光电式日照计测量直接辐射,但是在太阳能资源开发、农业生产等对直接辐射值要求相对较低的应用场景中可以使用。