對一個太陽總輻射計算公式的修正

(玉溪師范學院 信息技術工程學院,云南 玉溪 653100)

目前,獲得太陽總輻射值的方法主要有兩種[1～2]，第一種是實際測量法，第二種是理論模型計算法.實際測量法通過太陽能輻射儀對太陽能總輻射進行實際測量，可獲得較準確的太陽能輻射資源，但需投入大量的人力、物力和財力；理論模型計算法通過部分地區現有太陽總輻射實測數據，并結合該地區的氣象數據等，利用數學擬合方法建立太陽總輻射理論計算模型，并由此推算出相關地區太陽總輻射值.與實際測量法相比，理論模型計算法無需投入大量人力、物力、財力,因而成為了獲取太陽能輻射資源的主要途徑.

以云南省為例,云南全省共有129個縣、市，但卻只有7個氣象臺站能夠對本地區的太陽總輻射量進行實測記錄，而要對其他122個地區的太陽總輻射量進行實際測量難度相當大.為此，不少科研工作者對我國境內的太陽總輻射的計算方法進行了研究，并根據不同的地理特征提出了不同的計算方法.林文賢等人于1990年提出了云南干濕季太陽輻射理論，建立了適用于云南省各地的干濕季總太陽輻射通用經驗計算公式[3].王明等人于1991年提出了云南省太陽總輻射月總量的氣候學數學計算方法，該方法是基于王炳忠的經驗公式的一種改進方法[4].

本文在林文賢等人提出的云南省各地的干濕季總太陽輻射通用經驗計算公式的基礎上引入修正系數E，提出一種修正計算方法，同時根據修正公式計算出云南省各地太陽總輻射值，并由此得到云南省的太陽輻射資源分布圖.

1 林文賢等人提出的云南省太陽總輻射計算公式

林文賢等人提出的云南省各地水平地面上月總太陽輻射量的計算公式[5]如下：

(1)

(2)

ωs=cos-1(-tgΦtgδ)

(3)

(4)

式中：H為水平地面上月總太陽輻射量,H0為對應月份的大氣層外水平面上的月總太陽輻射量,Ahd為干季的季平均日絕對溫度,Ahw為濕季的季平均日絕對溫度,Isc為太陽常數,Ф為地理緯度,δ為赤緯角,ωs為日落時角,a為經驗常數,n為計算H0的月平均值而取代的日代表日數.

2 修正計算方法及計算結果

2.1 修正計算方法

圖1 修正計算方法流程圖

在本文中，筆者通過引入修正系數E來對林文賢等人提出的云南省各地水平地面上月總太陽輻射量的計算公式進行修正.為了得到能使計算值更加準確的修正系數E，筆者通過Fortran進行編程[6]，使修正系數差方和B得到一個最小值，即此時的修正系數E便為所求得的最佳值.修正計算方法流程如圖1所示.

其中，修正系數E和修正系數差方和B之間的關系如下式所示：

(5)

式中，B為修正系數差方和,E為修正系數,hn為云南省7個地區太陽總輻射實測值,kn為云南省7個地區太陽總輻射計算值.

(6)

式中：H為水平地面上月總太陽輻射量,H′為修正后水平地面上月總太陽輻射量,E為修正系數.

2.2 修正公式計算結果

通過Fortran進行編程可以得到最佳的修正系數E的值為1.001 38.在原有計算值的基礎上乘以修正系數E得到太陽總輻射的計算值,將計算值與實測值進行比較,其結果如附表所示.

從附表看，原有計算公式得出的計算值與實測值之間的誤差大都在5～11 MJ/[m2·a]之間，而用本文的修正公式修正后,其計算值與實測值之間的誤差均小于5 MJ/[m2·a]，且大多在2 MJ/[m2·a]左右，修正后的計算值與實測值更為接近.

附表 云南省太陽輻射量實測值與修正后計算值比較

3 云南省太陽輻射資源分布

用修正計算公式計算出云南省各地的太陽輻射值,并由此得到云南省太陽輻射資源分布圖(如圖2).

圖2 云南省太陽輻射資源分布

圖2中,參考相關文獻,筆者依照太陽年均總輻射水平將云南省的太陽輻射資源劃分為Ⅰ級、Ⅱ級、Ⅲ級、Ⅳ級4個等級[7～9].即：Ⅰ級為資源最豐富地區(太陽總輻射年總量大于6 300 MJ/[m2·a]),Ⅱ級為資源很豐富地區(太陽總輻射年總量5 040 MJ/[m2·a]～6 300 MJ/[m2·a]),Ⅲ級為資源豐富地區(太陽總輻射年總量3 780 MJ/[m2·a]～5 040 MJ/[m2·a])和Ⅳ級為資源一般地區(太陽總輻射年總量小于3 780 MJ/[m2·a]).

從圖2看,云南省太陽能輻射資源主要集中在Ⅱ級和Ⅲ級，且98.7%為Ⅲ級以上地區.云南省年均太陽輻射量約為5 086 MJ/(m2·a),全省輻射量最高為麗江市古城區6 167 MJ/(m2·a)，輻射量最低為昭通市威信縣3 672 MJ/(m2·a).其中,太陽能資源很豐富的縣(市)有77個，占全省縣(市)總數的59.5%；太陽能資源豐富的縣(市)有49個，占39.2%；太陽能資源一般的縣(市)有3個，占1.3%.

4 結 論

本文中，筆者在林文賢等人提出的云南省各地的干濕季總太陽輻射通用經驗計算公式基礎上引入修正系數E，提出一種修正計算方法.利用林文賢等人提出的原計算公式,其計算值與實測值之間的誤差大都在5～11 MJ/[m2·a]之間.而利用筆者提出的修正計算方法,其計算值與實測值之間的誤差均小于5 MJ/[m2·a],且大多在2 MJ/[m2·a]左右，修正后的計算值與實測值更為接近.

[1]何梓年.太陽能熱利用[M].合肥:中國科學技術大學出版社,2009:27-36.

[2]浦紹選,林文賢.計算昆明水平地面上月總太陽輻射量的經驗公式[J].新能源，1995,17(10):43-46.

[3]林文賢,呂恩榮.云南省太陽能輻射資源研究——總輻射[J].云南師范大學學報，1990(1,2):27-38.

[4]王明,陳二永,云南省太陽總輻射月總量的氣候學數學計算研究[J].云南能源,1991(2):50-68.

[5]林文賢,呂恩榮.云南省太陽能輻射資源研究——直接輻射[J].云南師范大學學報,1995,15(3,4):65-83.

[6]彭國倫.Fortran95程序設計[M].北京:中國電力出版社,2002:58-65.

[7]宛芳,薛敏,羅會龍,等.云南省太陽能資源及太陽能利用進展[J].煤氣與熱力,2009,29(2):19-22.

[8]施鈺川.太陽能原理與技術[M].西安:西安交通大學出版社,2009:31-59.

[9]韓雷濤,夏朝鳳.云南太陽能熱利用產業分析[J].太陽能,2008(1):48-50.