基于光電式日照計的太陽直接輻射測量研究

陳 平

(北京工商大學,北京 100081)

0 引言

直接輻射是從日面及其周圍一個小立體角內發出的輻射。精細觀測直接輻射對于評估氣候變化、開發利用太陽能資源、指導農業生產和科學治理大氣污染具有積極的意義。目前,中國僅有17個地面輻射站開展直接輻射觀測,直接輻射觀測資料過于稀疏,無法滿足太陽能開發利用,特別是光伏光熱發電工程需要[1-3]。

光電式日照計是通過測量直接輻射,判斷直接輻射是否超過120 W/m2來測量日照時數的儀器[4]。目前中國2400多個地面氣象觀測站全部部署有光電式日照計,基于光電式日照計能夠測量直接輻射的基礎,科學研究評估基于光電式日照計測量直接輻射的技術可行性和輻射數據質量,有利于提升中國地面直接輻射測量精密性,可滿足不同領域對直接輻射的應用需求。

文章利用直接輻射表作為參考標準器,選取3種主流型號的光電式日照計作為研究對象,在多云、少云和晴天等天氣條件下,同步測試直接輻射表和光電式日照計輸出的直接輻射值,通過統計分析方法,定量研究光電式日照計測量直接輻射的誤差數據,以此分析光電式日照計測量直接輻射的可行性和潛在應用場景。

1 數據資料

文章所用數據選自于2022年10月在北京測得的分鐘直接輻射、總輻射、散射輻射和日照時數日累計數據。

為保證研究的有效性,數據資料在使用之前進行了質量控制[5-7]。具體方法如下:

1)數據采集器、供電或太陽跟蹤器出現故障前后采集的數據需剔除。

2)太陽高度角小于7°時測量的輻射數據需剔除。

3)利用式(1)、式(2)計算晴空指數Kt和散射分數Kd,剔除不滿足0

(1)

(2)

式中,Eg表示地面水平面太陽總輻射;E0表示大氣層外太陽直接輻射,即太陽常數,取1361 W/m2;α表示太陽高度角;Ed表示地面水平面散射輻射。

4)散射輻射大于1.1倍總輻射對應的輻射數據需剔除。

5)總輻射大于1.2倍太陽常數和散射輻射大于0.8倍太陽常數對應的輻射數據需剔除。

2 統計方法

2.1 平均誤差

平均誤差Emb用于評估光電式日照計測量的直接輻射與直接輻射表測量的直接輻射之間的系統誤差。Emb越接近于0,證明光電式日照計測量的直接輻射相較于直接輻射表測量的直接輻射的系統誤差越小,光電式日照計代替直接輻射表開展直接輻射測量的可能性越大。Emb由式(3)計算:

(3)

式中,n表示數據量;Esd,i表示光電式日照計測量的第i個直接輻射值;Epr,i表示直接輻射表測量的第i個直接輻射值。

2.2 均方根誤差

均方根誤差Erms可分析光電式日照計所測直接輻射與直接輻射表所測直接輻射之間的隨機誤差。Erms越小,說明光電式日照計測量的直接輻射與直接輻射表測量的直接輻射之間的偏離程度越小,光電式日照計代替直接輻射表測量直接輻射的可能性越大。Erms可由式(4)計算:

(4)

式中,n表示數據量;Esd,i表示光電式日照計測量的第i個直接輻射值;Epr,i表示直接輻射表測量的第i個直接輻射值。

2.3 相關系數

相關系數r用于評估光電式日照計測量直接輻射與直接輻射表測量直接輻射之間的線性相關性,r越接近于1,說明光電式日照計測量的直接輻射與直接輻射表測量的直接輻射的線性相關性越好。r按式(5)計算:

(5)

2.4 線性度

線性回歸方法通常用來分析兩列數據之間的線性度。建立光電式日照計所測直接輻射與直接輻射表所測直接輻射之間的一元線性回歸方程y=a+bx,其中y是直接輻射表測量的直接輻射序列,x是光電式日照計測量的直接輻射序列,a為回歸常數,b為回歸系數,即線性度[8]。b越接近1,說明光電式日照計測量的直接輻射與直接輻射表測量的直接輻射越一致,用光電式日照計代替直接輻射表測量直接輻射的可行性越大。

3 結果分析

3.1 誤差分析

通過分析多云、少云和晴天3種天氣條件下光電式日照計與直接輻射表所測日照時數誤差,計算光電式日照計與直接輻射表所測直接輻照度量值之間的平均誤差、均方根誤差和相關系數,評估3種天氣條件下,光電式日照計測試直接輻射的準確度,統計分析結果如表1所示。

表1 光電式日照計與直接輻射表所測日照時數和直接輻射統計分析結果

從表2可知,在多云天氣條件下,3種型號光電式日照計與直接輻射表相比測得的日累計日照時數誤差相對較大,盡管絕對誤差都在1 h以內,滿足日照時數測量的要求,但是DFC1和DFC3的相對誤差已經超過10%,長期觀測將高估該地區的日照時數。在多云天氣條件下,DFC2型光電式日照計相較于直接輻射表測得的直接輻射,平均誤差和均方根誤差最小,且平均誤差小于0,表明其測得的直接輻射具有低估直接輻射的現象。DFC3型光電式日照計相較于直接輻射表測得直接輻射的平均誤差和均方根誤差居中,DFC1型光電式日照計平均誤差和均方根誤差最大,而且DFC1型和DFC3型光電式日照計的平均誤差均大于0,表明二者測得的直接輻射都大于直接輻射表測得的直接輻射。

表2 光電式日照計與直接輻射表直接輻射相關系數

在少云天氣條件下,3種型號光電式日照計與直接輻射表所測日累計日照時數的相對誤差和絕對誤差都較小,日照時數測量性能良好。但是對直接輻射的測量,根據平均誤差和均方根誤差,DFC1型光電式日照計數據質量最佳,DFC3型光電式日照計次之,DFC2型光電式日照計誤差最大。DFC2型和DFC3型光電式日照計的平均誤差都小于0,所以其測得的直接輻射仍小于直接輻射表測得的直接輻射,DFC1型光電式日照計的平均誤差大于0,顯示其測得的直接輻射大于直接輻射表測得的直接輻射。

在晴天條件下,3種型號光電式日照計與直接輻射表所測日累計日照時數的相對誤差和絕對誤差都很小,日照時數測量性能良好。而從平均誤差和均方根誤差可以看出,DFC1型光電式日照計數據質量最佳,DFC2型光電式日照計次之,DFC3型光電式日照計誤差最大。DFC1型光電式日照計的平均誤差大于0,表明其測得的直接輻射大于直接輻射表測得的直接輻射,而DFC2型和DFC3型光電式日照計的平均誤差都小于0,表明其測得的直接輻射都小于直接輻射表測得的直接輻射。

根據上述誤差分析,在日照時數測量方面,3種型號光電式日照計具有普遍的多云天氣條件下日照時數測量性能較差,少云和晴天天氣條件下日照時數測量性能較好的現象。這與光電式日照計原理結構有關,多云天氣條件下,空氣中散射輻射分量增加,造成直接輻射表測量的直接輻射急劇下降,而日照計測量的直接輻射下降不明顯,導致日照計測得的日照時數偏大。在直接輻射測量方面,不管何種天氣條件,DFC1型光電式日照計普遍存在所測直接輻射高于直接輻射表測得直接輻射的現象;DFC2型光電式日照計普遍存在所測直接輻射低于直接輻射表測得直接輻射的現象;DFC3型光電式日照計在多云和少云天氣條件下,所測直接輻射高于直接輻射表測得直接輻射,而在晴天天氣條件下,所測直接輻射低于直接輻射表測得的直接輻射。3種型號日照計的均方根誤差整體上呈現從多云、少云到晴天逐漸增大的趨勢,這是由于光電式日照計重點針對直接輻射(120±24)W/m2測量的準確性,以提高判斷有無日照的準確性,而直接輻射超過144 W/m2之后將不再對有無日照產生影響,因此隨著天氣條件轉好,光電式日照計測量直接輻射的準確性不再得到保障。

3.2 線性度分析

分別計算多云、少云和晴天3種天氣條件下光電式日照計和直接輻射表測量直接輻射的相關系數,結果如表2所示。分析可知,多云天氣條件下,3種型號光電式日照計與直接輻射表測量直接輻射的變化趨勢比較一致,相關系數都在0.91以上,說明光電式日照計和直接輻射表兩種儀器能夠比較好地捕捉云層變化對直接輻射帶來的變化和影響。在直接輻射比較大的時間段內,兩種儀器測量的直接輻射值存在較大差異。少云天氣條件下,DFC1型光電式日照計與直接輻射表測量的直接輻射曲線最為貼合,而DFC2和DFC3型光電式日照計與直接輻射表測量的直接輻射曲線僅在日出和日落前后比較接近,驗證了光電式日照計重點關注的是日照閾值在(120±24)W/m2處的測量準確性。在少云天氣條件下,DFC1和DFC2型光電式日照計與直接輻射表測得直接輻射之間的相關系數在0.90以上,DFC3型相關系數則在0.85以上,這與少云天氣條件下光電式日照計和熱電式直接輻射表傳感器響應時間不同有關。在晴天天氣條件下,3種型號光電式日照計與直接輻射表測得直接輻射的變化趨勢比較一致,相關系數都在0.95以上,DFC1型光電式日照計內部進行了比較完善的數據修正與補償;而DFC2和DFC3型光電式日照計與直接輻射表測得的直接輻射在日出日落前后比較接近,隨著時間增加,直接輻射增大后光電式日照計測得的直接輻射值明顯低于直接輻射表測得的直接輻射值。

分析不同天氣條件下3種光電式日照計與直接輻射表測得直接輻射之間的線性度,研究DFC1,DFC2和DFC3 3種型號光電式日照計與直接輻射表測得直接輻射之間的線性方程,得出DFC1型光電式日照計的線性方程的回歸系數在1左右,而DFC2和DFC3型光電式日照計的線性方程的回歸系數都比1小很多,這與DFC2和DFC3型光電式日照計測得直接輻射明顯低于直接輻射表測得直接輻射相互印證。從上述研究結果分析,DFC2和DFC3型光電式日照計在高直接輻射時測量直接輻射的準確度還需提高。

4 結束語

直接輻射在氣候、太陽能資源、農牧業等領域具有重要應用,高時空分辨力、精細化測量是提升直接輻射應用效益的重要基礎。文章以直接輻射表作為參考標準,選用DFC1,DFC2和DFC3 3種主流型號光電式日照計開展同步比對測量,利用統計方法,分析在多云、少云和晴天天氣條件下,光電式日照計和直接輻射表測得的日累計日照時數和直接輻射等測量值之間的平均誤差、均方根誤差、相關系數和線性度等指標。結果顯示,DFC1型光電式日照計進行了比較完善的數據修正和補償,其測得的直接輻射相較于直接輻射表測得的直接輻射略高;DFC2和DFC3型光電式日照計僅在日出日落前后測得的直接輻射與直接輻射表比較接近,其余時間則明顯低于直接輻射表測得的直接輻射值,可以看出,DFC1和DFC2兩種型號的光電式日照計為確保日照時數測量準確,重點關注的是日照閾值(120±24)W/m2處的測量準確性,當直接輻射大于144 W/m2滿足有無日照的判定條件后,這兩種光電式日照計對直接輻射測量準確度沒有過高要求,因此光電式日照計測得的直接輻射值與直接輻射表測得值存在較大差異?；谘芯拷Y果,不建議在氣候研究、衛星校正等對輻射量值準確度要求較高的場合下使用光電式日照計測量直接輻射,但是在太陽能資源開發、農業生產等對直接輻射值要求相對較低的應用場景中可以使用。