基于光電式日照計(jì)的太陽(yáng)直接輻射測(cè)量研究

陳 平

(北京工商大學(xué),北京 100081)

0 引言

直接輻射是從日面及其周圍一個(gè)小立體角內(nèi)發(fā)出的輻射。精細(xì)觀測(cè)直接輻射對(duì)于評(píng)估氣候變化、開(kāi)發(fā)利用太陽(yáng)能資源、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和科學(xué)治理大氣污染具有積極的意義。目前,中國(guó)僅有17個(gè)地面輻射站開(kāi)展直接輻射觀測(cè),直接輻射觀測(cè)資料過(guò)于稀疏,無(wú)法滿足太陽(yáng)能開(kāi)發(fā)利用,特別是光伏光熱發(fā)電工程需要[1-3]。

光電式日照計(jì)是通過(guò)測(cè)量直接輻射,判斷直接輻射是否超過(guò)120 W/m2來(lái)測(cè)量日照時(shí)數(shù)的儀器[4]。目前中國(guó)2400多個(gè)地面氣象觀測(cè)站全部部署有光電式日照計(jì),基于光電式日照計(jì)能夠測(cè)量直接輻射的基礎(chǔ),科學(xué)研究評(píng)估基于光電式日照計(jì)測(cè)量直接輻射的技術(shù)可行性和輻射數(shù)據(jù)質(zhì)量,有利于提升中國(guó)地面直接輻射測(cè)量精密性,可滿足不同領(lǐng)域?qū)χ苯虞椛涞膽?yīng)用需求。

文章利用直接輻射表作為參考標(biāo)準(zhǔn)器,選取3種主流型號(hào)的光電式日照計(jì)作為研究對(duì)象,在多云、少云和晴天等天氣條件下,同步測(cè)試直接輻射表和光電式日照計(jì)輸出的直接輻射值,通過(guò)統(tǒng)計(jì)分析方法,定量研究光電式日照計(jì)測(cè)量直接輻射的誤差數(shù)據(jù),以此分析光電式日照計(jì)測(cè)量直接輻射的可行性和潛在應(yīng)用場(chǎng)景。

1 數(shù)據(jù)資料

文章所用數(shù)據(jù)選自于2022年10月在北京測(cè)得的分鐘直接輻射、總輻射、散射輻射和日照時(shí)數(shù)日累計(jì)數(shù)據(jù)。

為保證研究的有效性,數(shù)據(jù)資料在使用之前進(jìn)行了質(zhì)量控制[5-7]。具體方法如下:

1)數(shù)據(jù)采集器、供電或太陽(yáng)跟蹤器出現(xiàn)故障前后采集的數(shù)據(jù)需剔除。

2)太陽(yáng)高度角小于7°時(shí)測(cè)量的輻射數(shù)據(jù)需剔除。

3)利用式(1)、式(2)計(jì)算晴空指數(shù)Kt和散射分?jǐn)?shù)Kd,剔除不滿足0

(1)

(2)

式中,Eg表示地面水平面太陽(yáng)總輻射;E0表示大氣層外太陽(yáng)直接輻射,即太陽(yáng)常數(shù),取1361 W/m2;α表示太陽(yáng)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(duì)應(yīng)的輻射數(shù)據(jù)需剔除。

5)總輻射大于1.2倍太陽(yáng)常數(shù)和散射輻射大于0.8倍太陽(yáng)常數(shù)對(duì)應(yīng)的輻射數(shù)據(jù)需剔除。

2 統(tǒng)計(jì)方法

2.1 平均誤差

平均誤差Emb用于評(píng)估光電式日照計(jì)測(cè)量的直接輻射與直接輻射表測(cè)量的直接輻射之間的系統(tǒng)誤差。Emb越接近于0,證明光電式日照計(jì)測(cè)量的直接輻射相較于直接輻射表測(cè)量的直接輻射的系統(tǒng)誤差越小,光電式日照計(jì)代替直接輻射表開(kāi)展直接輻射測(cè)量的可能性越大。Emb由式(3)計(jì)算:

(3)

式中,n表示數(shù)據(jù)量;Esd,i表示光電式日照計(jì)測(cè)量的第i個(gè)直接輻射值;Epr,i表示直接輻射表測(cè)量的第i個(gè)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(jì)所測(cè)直接輻射與直接輻射表所測(cè)直接輻射之間的隨機(jī)誤差。Erms越小,說(shuō)明光電式日照計(jì)測(cè)量的直接輻射與直接輻射表測(cè)量的直接輻射之間的偏離程度越小,光電式日照計(jì)代替直接輻射表測(cè)量直接輻射的可能性越大。Erms可由式(4)計(jì)算:

(4)

式中,n表示數(shù)據(jù)量;Esd,i表示光電式日照計(jì)測(cè)量的第i個(gè)直接輻射值;Epr,i表示直接輻射表測(cè)量的第i個(gè)直接輻射值。

2.3 相關(guān)系數(shù)

相關(guān)系數(shù)r用于評(píng)估光電式日照計(jì)測(cè)量直接輻射與直接輻射表測(cè)量直接輻射之間的線性相關(guān)性,r越接近于1,說(shuō)明光電式日照計(jì)測(cè)量的直接輻射與直接輻射表測(cè)量的直接輻射的線性相關(guān)性越好。r按式(5)計(jì)算:

(5)

2.4 線性度

線性回歸方法通常用來(lái)分析兩列數(shù)據(jù)之間的線性度。建立光電式日照計(jì)所測(cè)直接輻射與直接輻射表所測(cè)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(cè)量的直接輻射序列,x是光電式日照計(jì)測(cè)量的直接輻射序列,a為回歸常數(shù),b為回歸系數(shù),即線性度[8]。b越接近1,說(shuō)明光電式日照計(jì)測(cè)量的直接輻射與直接輻射表測(cè)量的直接輻射越一致,用光電式日照計(jì)代替直接輻射表測(cè)量直接輻射的可行性越大。

3 結(jié)果分析

3.1 誤差分析

通過(guò)分析多云、少云和晴天3種天氣條件下光電式日照計(jì)與直接輻射表所測(cè)日照時(shí)數(shù)誤差,計(jì)算光電式日照計(jì)與直接輻射表所測(cè)直接輻照度量值之間的平均誤差、均方根誤差和相關(guān)系數(shù),評(píng)估3種天氣條件下,光電式日照計(jì)測(cè)試直接輻射的準(zhǔn)確度,統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果如表1所示。

表1 光電式日照計(jì)與直接輻射表所測(cè)日照時(shí)數(shù)和直接輻射統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果

從表2可知,在多云天氣條件下,3種型號(hào)光電式日照計(jì)與直接輻射表相比測(cè)得的日累計(jì)日照時(shí)數(shù)誤差相對(duì)較大,盡管絕對(duì)誤差都在1 h以內(nèi),滿足日照時(shí)數(shù)測(cè)量的要求,但是DFC1和DFC3的相對(duì)誤差已經(jīng)超過(guò)10%,長(zhǎng)期觀測(cè)將高估該地區(qū)的日照時(shí)數(shù)。在多云天氣條件下,DFC2型光電式日照計(jì)相較于直接輻射表測(cè)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(cè)得的直接輻射具有低估直接輻射的現(xiàn)象。DFC3型光電式日照計(jì)相較于直接輻射表測(cè)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(jì)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(jì)的平均誤差均大于0,表明二者測(cè)得的直接輻射都大于直接輻射表測(cè)得的直接輻射。

表2 光電式日照計(jì)與直接輻射表直接輻射相關(guān)系數(shù)

在少云天氣條件下,3種型號(hào)光電式日照計(jì)與直接輻射表所測(cè)日累計(jì)日照時(shí)數(shù)的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差都較小,日照時(shí)數(shù)測(cè)量性能良好。但是對(duì)直接輻射的測(cè)量,根據(jù)平均誤差和均方根誤差,DFC1型光電式日照計(jì)數(shù)據(jù)質(zhì)量最佳,DFC3型光電式日照計(jì)次之,DFC2型光電式日照計(jì)誤差最大。DFC2型和DFC3型光電式日照計(jì)的平均誤差都小于0,所以其測(cè)得的直接輻射仍小于直接輻射表測(cè)得的直接輻射,DFC1型光電式日照計(jì)的平均誤差大于0,顯示其測(cè)得的直接輻射大于直接輻射表測(cè)得的直接輻射。

在晴天條件下,3種型號(hào)光電式日照計(jì)與直接輻射表所測(cè)日累計(jì)日照時(shí)數(shù)的相對(duì)誤差和絕對(duì)誤差都很小,日照時(shí)數(shù)測(cè)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(jì)數(shù)據(jù)質(zhì)量最佳,DFC2型光電式日照計(jì)次之,DFC3型光電式日照計(jì)誤差最大。DFC1型光電式日照計(jì)的平均誤差大于0,表明其測(cè)得的直接輻射大于直接輻射表測(cè)得的直接輻射,而DFC2型和DFC3型光電式日照計(jì)的平均誤差都小于0,表明其測(cè)得的直接輻射都小于直接輻射表測(cè)得的直接輻射。

根據(jù)上述誤差分析,在日照時(shí)數(shù)測(cè)量方面,3種型號(hào)光電式日照計(jì)具有普遍的多云天氣條件下日照時(shí)數(shù)測(cè)量性能較差,少云和晴天天氣條件下日照時(shí)數(shù)測(cè)量性能較好的現(xiàn)象。這與光電式日照計(jì)原理結(jié)構(gòu)有關(guān),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(cè)量的直接輻射急劇下降,而日照計(jì)測(cè)量的直接輻射下降不明顯,導(dǎo)致日照計(jì)測(cè)得的日照時(shí)數(shù)偏大。在直接輻射測(cè)量方面,不管何種天氣條件,DFC1型光電式日照計(jì)普遍存在所測(cè)直接輻射高于直接輻射表測(cè)得直接輻射的現(xiàn)象;DFC2型光電式日照計(jì)普遍存在所測(cè)直接輻射低于直接輻射表測(cè)得直接輻射的現(xiàn)象;DFC3型光電式日照計(jì)在多云和少云天氣條件下,所測(cè)直接輻射高于直接輻射表測(cè)得直接輻射,而在晴天天氣條件下,所測(cè)直接輻射低于直接輻射表測(cè)得的直接輻射。3種型號(hào)日照計(jì)的均方根誤差整體上呈現(xiàn)從多云、少云到晴天逐漸增大的趨勢(shì),這是由于光電式日照計(jì)重點(diǎn)針對(duì)直接輻射(120±24)W/m2測(cè)量的準(zhǔn)確性,以提高判斷有無(wú)日照的準(zhǔn)確性,而直接輻射超過(guò)144 W/m2之后將不再對(duì)有無(wú)日照產(chǎn)生影響,因此隨著天氣條件轉(zhuǎn)好,光電式日照計(jì)測(cè)量直接輻射的準(zhǔn)確性不再得到保障。

3.2 線性度分析

分別計(jì)算多云、少云和晴天3種天氣條件下光電式日照計(jì)和直接輻射表測(cè)量直接輻射的相關(guān)系數(shù),結(jié)果如表2所示。分析可知,多云天氣條件下,3種型號(hào)光電式日照計(jì)與直接輻射表測(cè)量直接輻射的變化趨勢(shì)比較一致,相關(guān)系數(shù)都在0.91以上,說(shuō)明光電式日照計(jì)和直接輻射表兩種儀器能夠比較好地捕捉云層變化對(duì)直接輻射帶來(lái)的變化和影響。在直接輻射比較大的時(shí)間段內(nèi),兩種儀器測(cè)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(jì)與直接輻射表測(cè)量的直接輻射曲線最為貼合,而DFC2和DFC3型光電式日照計(jì)與直接輻射表測(cè)量的直接輻射曲線僅在日出和日落前后比較接近,驗(yàn)證了光電式日照計(jì)重點(diǎn)關(guān)注的是日照閾值在(120±24)W/m2處的測(cè)量準(zhǔn)確性。在少云天氣條件下,DFC1和DFC2型光電式日照計(jì)與直接輻射表測(cè)得直接輻射之間的相關(guān)系數(shù)在0.90以上,DFC3型相關(guān)系數(shù)則在0.85以上,這與少云天氣條件下光電式日照計(jì)和熱電式直接輻射表傳感器響應(yīng)時(shí)間不同有關(guān)。在晴天天氣條件下,3種型號(hào)光電式日照計(jì)與直接輻射表測(cè)得直接輻射的變化趨勢(shì)比較一致,相關(guān)系數(shù)都在0.95以上,DFC1型光電式日照計(jì)內(nèi)部進(jìn)行了比較完善的數(shù)據(jù)修正與補(bǔ)償;而DFC2和DFC3型光電式日照計(jì)與直接輻射表測(cè)得的直接輻射在日出日落前后比較接近,隨著時(shí)間增加,直接輻射增大后光電式日照計(jì)測(cè)得的直接輻射值明顯低于直接輻射表測(cè)得的直接輻射值。

分析不同天氣條件下3種光電式日照計(jì)與直接輻射表測(cè)得直接輻射之間的線性度,研究DFC1,DFC2和DFC3 3種型號(hào)光電式日照計(jì)與直接輻射表測(cè)得直接輻射之間的線性方程,得出DFC1型光電式日照計(jì)的線性方程的回歸系數(shù)在1左右,而DFC2和DFC3型光電式日照計(jì)的線性方程的回歸系數(shù)都比1小很多,這與DFC2和DFC3型光電式日照計(jì)測(cè)得直接輻射明顯低于直接輻射表測(cè)得直接輻射相互印證。從上述研究結(jié)果分析,DFC2和DFC3型光電式日照計(jì)在高直接輻射時(shí)測(cè)量直接輻射的準(zhǔn)確度還需提高。

4 結(jié)束語(yǔ)

直接輻射在氣候、太陽(yáng)能資源、農(nóng)牧業(yè)等領(lǐng)域具有重要應(yīng)用,高時(shí)空分辨力、精細(xì)化測(cè)量是提升直接輻射應(yīng)用效益的重要基礎(chǔ)。文章以直接輻射表作為參考標(biāo)準(zhǔn),選用DFC1,DFC2和DFC3 3種主流型號(hào)光電式日照計(jì)開(kāi)展同步比對(duì)測(cè)量,利用統(tǒng)計(jì)方法,分析在多云、少云和晴天天氣條件下,光電式日照計(jì)和直接輻射表測(cè)得的日累計(jì)日照時(shí)數(shù)和直接輻射等測(cè)量值之間的平均誤差、均方根誤差、相關(guān)系數(shù)和線性度等指標(biāo)。結(jié)果顯示,DFC1型光電式日照計(jì)進(jìn)行了比較完善的數(shù)據(jù)修正和補(bǔ)償,其測(cè)得的直接輻射相較于直接輻射表測(cè)得的直接輻射略高;DFC2和DFC3型光電式日照計(jì)僅在日出日落前后測(cè)得的直接輻射與直接輻射表比較接近,其余時(shí)間則明顯低于直接輻射表測(cè)得的直接輻射值,可以看出,DFC1和DFC2兩種型號(hào)的光電式日照計(jì)為確保日照時(shí)數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確,重點(diǎn)關(guān)注的是日照閾值(120±24)W/m2處的測(cè)量準(zhǔn)確性,當(dāng)直接輻射大于144 W/m2滿足有無(wú)日照的判定條件后,這兩種光電式日照計(jì)對(duì)直接輻射測(cè)量準(zhǔn)確度沒(méi)有過(guò)高要求,因此光電式日照計(jì)測(cè)得的直接輻射值與直接輻射表測(cè)得值存在較大差異。基于研究結(jié)果,不建議在氣候研究、衛(wèi)星校正等對(duì)輻射量值準(zhǔn)確度要求較高的場(chǎng)合下使用光電式日照計(jì)測(cè)量直接輻射,但是在太陽(yáng)能資源開(kāi)發(fā)、農(nóng)業(yè)生產(chǎn)等對(duì)直接輻射值要求相對(duì)較低的應(yīng)用場(chǎng)景中可以使用。