太陽輻射測(cè)量?jī)x器的分級(jí)

中國(guó)氣象科學(xué)研究院 王炳忠

隨著國(guó)家對(duì)新能源有關(guān)政策的發(fā)布，眾多社會(huì)人士、單位積極參與到太陽能的開發(fā)與利用活動(dòng)中來，太陽輻射的測(cè)量也日益受到關(guān)注。盡管太陽輻射的測(cè)量并不復(fù)雜，但涉及專門領(lǐng)域，并非隨便購(gòu)買相關(guān)儀器進(jìn)行測(cè)量，就能達(dá)到想要的目的。因此，有必要對(duì)此作些介紹。

一 太陽輻射的分類

1 直射

由日面直接發(fā)射出來，并能使地面上的物體產(chǎn)生陰影的一種輻射。由于在地面上觀察的日面只能形成一個(gè)約32'的視角，日面周圍也非常光亮的部分稱作華蓋，在日射測(cè)量學(xué)中稱其為環(huán)日輻射。

由于華蓋的光亮隨著距日面的距離急劇下降，且極易受大氣渾濁度的影響，所以測(cè)量直射儀器的開口角度至關(guān)重要。因?yàn)椴煌拈_口角度所包含的環(huán)日輻射不等，其同步測(cè)量的結(jié)果也就不一。對(duì)此雖然有過規(guī)定，但還允許存在一定的幅度，例如原蘇聯(lián)測(cè)量直射儀器的開敞角為10?，其他國(guó)家儀器的開敞角在5?～10?間不等。后來，日射測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)儀器的開敞角定為5?(不同生產(chǎn)者之間略有差異)，逐漸向標(biāo)準(zhǔn)儀器靠攏。最初，之所以將開敞角設(shè)計(jì)得較大，是為了便于跟蹤太陽。隨著太陽跟蹤裝置日益現(xiàn)代化，采用大的開敞角已沒有必要。

與直射束相垂直的接收平面所測(cè)量到的直射，稱為法向直射。與直射呈某種角度的接收平面上的直射，需通過法向直射換算。

2 散射

太陽發(fā)出的輻射束經(jīng)過大氣層時(shí)，由于受到大氣及其中各種粒子成分介質(zhì)分散成多方向的空間分布而形成的輻射。這種輻射遇到介質(zhì)時(shí)還可再次被散射，即多次散射。

3 反射

太陽輻射通過大氣遇到另一介質(zhì)界面而返回原介質(zhì)中的現(xiàn)象。

4 總輻射

水平面上從其上半球空間接收到的全部太陽輻射，其成分包括直射和散射。

5 半球向輻射

任意朝向的平面從其上半球空間接收到的全部太陽輻射，其成分包括直射、散射和反射。

二 太陽輻射的測(cè)量?jī)x器

1 直接日射表

測(cè)量從日面及其周圍5?立體角內(nèi)所發(fā)射輻射的儀器。直接日射表的主要部件如下:

(1)熱傳感器，探測(cè)平面被涂成黑色或?yàn)橐粋€(gè)腔體用于吸收入射輻射；

(2)限視光管(光闌管)，規(guī)定了儀器的視場(chǎng)幾何關(guān)系(筒長(zhǎng)d，進(jìn)光孔口徑半徑R和感應(yīng)面半徑r決定了中心開敞角2arctan(R/d)和斜角arctan[(R-r)/d])；

(3)赤道儀式或經(jīng)緯儀式可調(diào)支架，帶動(dòng)直接日射表跟蹤太陽或使得直射表可瞄準(zhǔn)太陽。

為嚴(yán)格跟蹤太陽系統(tǒng)的準(zhǔn)確度和進(jìn)光筒長(zhǎng)度，要求商業(yè)用直接日射表在斜角為1?，開敞角為5?的限度內(nèi)操作。

2 總?cè)丈浔?/h3>

測(cè)量感應(yīng)面以上21立體角內(nèi)所發(fā)出輻射的儀器?？?cè)丈浔碇饕上铝袔撞糠纸M成:

(1)熱傳感器的接收表面有一黑色涂層或黑、白相間的涂層；

(2)半球玻璃罩，同心圓式地覆蓋在接收表面上；

(3)儀器體常被用作熱參照體，因此經(jīng)常被遮光罩遮住。

三 太陽輻射量及其符號(hào)和單位

1 常用的輻射量

輻照度E，W/m2；

輻照量(氣象學(xué)界稱曝輻量)H，J/m2。

2 各種太陽輻射

直射S；

散射 Ed，Hd；

反射Er，Hr；

總?cè)丈?Eg，Hg；

式中:θ⊙是太陽的天頂角，也就是太陽高度角的余角。

以上介紹的名稱和符號(hào)、單位等均為世界氣象組織統(tǒng)一規(guī)定，也是世界各國(guó)氣象部門記錄太陽輻射數(shù)據(jù)所普遍采用的。

半球向輻射是為太陽能利用而專設(shè)的術(shù)語，其計(jì)量單位與前述各種輻射量并無區(qū)別。它的符號(hào)國(guó)際上也無統(tǒng)一規(guī)定，姑且設(shè)為EG。仿照總?cè)丈涞墓?，半球向輻射可以寫?

式中:θ'⊙為該斜面法線與直射線之間的夾角；Ed'為落入該斜面上的散射；Er'為落入該斜面上的反射。

四 太陽輻射的測(cè)量

1 直射

只能采用直接日射表來測(cè)量，而得到的結(jié)果是法向直射。至于其他平面上的直射則需通過公式(1)中的S cosθ⊙換算水平面上的直射和公式(2)中的S cosθ'⊙來?yè)Q算傾斜面上的直射。

測(cè)量直射的輻照度并不困難，只需在測(cè)量的瞬間確保直接日射表的進(jìn)光筒通過瞄準(zhǔn)靶點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)太陽即可。如果需要連續(xù)記錄太陽直射，則需要太陽跟蹤器，即能保證隨時(shí)跟上太陽運(yùn)動(dòng)的裝置。目前，我國(guó)廠家一般只能提供所謂赤道儀式的太陽跟蹤器，即底座能夠24h一轉(zhuǎn)，并能按照當(dāng)?shù)鼐暥缺３謨A斜的裝置，上邊安裝的直射表光筒具有沿其上下方向做23.5?內(nèi)自由調(diào)整的功能。

然而問題在于:(1)真太陽運(yùn)轉(zhuǎn)一周，并非總是24h整，有的日期長(zhǎng)些，有的日期短些；(2)機(jī)械加工出來的零部件，也未能完全按照設(shè)計(jì)的理想情況實(shí)際運(yùn)行，經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)跟不上太陽的情況；(3)±23.5?赤緯的逐日變化依然需要人工調(diào)整。

總體上講，使用這類裝置連續(xù)記錄太陽直射的效果并不好。所以，目前國(guó)際上均已改用計(jì)算機(jī)輔助的并帶有光電反饋裝置的跟蹤器。

2 散射

采用水平放置的總?cè)丈浔頊y(cè)量，同時(shí)需要利用放置在一定距離的一圓形或球形遮光片，將落入總?cè)丈浔砀袘?yīng)面上的直射遮去。

嚴(yán)格地講，遮光片的直徑和距離是有要求的，它應(yīng)與直接日射表的開口及開口至其感應(yīng)面的距離成比例。換句話說，直接日射表測(cè)量了天空的哪一部分，在測(cè)量散射時(shí)，就應(yīng)將該部分遮掉。實(shí)際應(yīng)用中，各廠家生產(chǎn)的各種儀器的尺寸并不完全統(tǒng)一，也不可能備有各種尺寸的備用件，更重要的是，由于前述對(duì)直接日射表開口角度有一定的要求，所以實(shí)際相差不會(huì)很大。

3 反射

可采用總?cè)丈浔磉M(jìn)行測(cè)量，但需要將其翻轉(zhuǎn)180?，也就是水平向下進(jìn)行觀測(cè)。

4 總?cè)丈?/h3>

準(zhǔn)確的總?cè)丈鋺?yīng)采用分別測(cè)量直射和散射，然后根據(jù)式(1)計(jì)算得出。如果要求不太高，也可采用水平放置的總?cè)丈浔碇苯訙y(cè)量，這是因?yàn)榭側(cè)丈浔韺?duì)不同入射角的直射其余弦響應(yīng)并不理想。也就是說，與同時(shí)利用直接日射表的測(cè)量數(shù)乘以當(dāng)時(shí)太陽天頂角的余弦的結(jié)果有差異。

5 半球向輻射

采用總?cè)丈浔磉M(jìn)行測(cè)量，但此時(shí)總?cè)丈浔淼陌惭b非水平狀態(tài)，具有一定的朝向和一定的傾斜角度。因此，進(jìn)入儀器感應(yīng)面的不僅有直射和散射，還會(huì)包括一部分朝向前方地面的反射，且隨著傾斜角度的增大，散射部分減少，而反射部分增大。

五 輻射測(cè)量?jī)x器的分級(jí)

太陽輻射測(cè)量?jī)x器的質(zhì)量同其他儀器一樣也有優(yōu)劣之分。有些初涉太陽能領(lǐng)域的人員會(huì)有認(rèn)知上的誤區(qū)，以為凡是進(jìn)口的就是好的。其實(shí)，根據(jù)世界氣象組織[1]和國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織[2]的相關(guān)規(guī)定，各國(guó)所產(chǎn)的太陽輻射測(cè)量?jī)x器按照其測(cè)量性能的優(yōu)劣均可分為三等。由于兩者分級(jí)的具體規(guī)定和指標(biāo)，絕大部分相同，僅在個(gè)別項(xiàng)目上或名稱上略有差異，為了節(jié)約篇幅，在這里統(tǒng)一給出，僅在有差異之處，加以標(biāo)注，詳見表1、表2。

表1 業(yè)務(wù)用直接日射表性能規(guī)格和等級(jí)劃分

需要說明的是，在世界氣象組織的有關(guān)規(guī)定中[1]，沒有二級(jí)[工作]這一類別，二等標(biāo)準(zhǔn)稱為高優(yōu)質(zhì)量，一級(jí)[工作]稱為良好質(zhì)量；另外，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中[2]，沒有最下一行有關(guān)不確定度的規(guī)定及相應(yīng)的指標(biāo)。

表2 業(yè)務(wù)用總?cè)丈浔硇阅芤?guī)格和等級(jí)劃分

需要說明的是，在世界氣象組織的有關(guān)規(guī)定中[1]，二等標(biāo)準(zhǔn)稱為高優(yōu)質(zhì)量，一級(jí)[工作]稱為良好質(zhì)量，二級(jí)[工作]稱為中等質(zhì)量；另外，在國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)化組織的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)中[2]，沒有最下一行有關(guān)不確定度的規(guī)定；光譜選擇性一項(xiàng)中有關(guān)波長(zhǎng)范圍的規(guī)定為0.35～1.5μm。

有關(guān)兩個(gè)等級(jí)劃分中的等級(jí)名稱，世界氣象組織選擇的定性說法既不符合我國(guó)計(jì)量學(xué)界的習(xí)慣用法，也不符合國(guó)際上相關(guān)儀器廠家的用法，所以建議仍保留原稱謂。

應(yīng)當(dāng)注意的是，表中各項(xiàng)性能指標(biāo)對(duì)于該等級(jí)的儀器來說，均為最低要求。即使某一兩項(xiàng)性能指標(biāo)有所超過，只能維持原等級(jí)。例如，荷蘭Kipp &Zonen目前同時(shí)生產(chǎn)CMP11、CMP 21和CMP 22三種總?cè)丈浔?，并且均屬于二等?biāo)準(zhǔn)級(jí)別，但是上述三種總?cè)丈浔淼馁|(zhì)量依次遞增(主要體現(xiàn)在個(gè)別項(xiàng)目上)，儀器的價(jià)格自然也依次遞增。

由此可見，在向國(guó)外訂購(gòu)輻射儀器時(shí)，極有必要事先了解一下它的等級(jí)是否符合你的預(yù)期，而不能聽信一般銷售商的宣傳。一般國(guó)外廠商均會(huì)在其網(wǎng)站上，詳細(xì)介紹其產(chǎn)品性能和等級(jí)。

對(duì)照表1和表2所列指標(biāo)，目前國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的太陽輻射儀器屬于二等[工作]這一檔次。但提醒想要購(gòu)買儀器的用戶，不能僅僅著眼于價(jià)格。根據(jù)總輻射表計(jì)量檢定規(guī)程[3]的要求，輻射站所用儀器必須經(jīng)過計(jì)量部門的檢定，合格后才準(zhǔn)使用。這絕不是多此一舉，而是經(jīng)驗(yàn)的總結(jié)。事實(shí)上也曾發(fā)現(xiàn)用戶使用一些儀器一段時(shí)間后，將儀器送到計(jì)量部門按檢定規(guī)程檢定時(shí)，才發(fā)現(xiàn)方向性響 應(yīng)不合格(這一項(xiàng)的不合格率最高)或者零點(diǎn)不合格，給測(cè)量結(jié)果帶來嚴(yán)重的影響。

光電總?cè)丈浔碛捎诰哂薪Y(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜的優(yōu)勢(shì)，也受到一些用戶的青睞。但對(duì)照表2的各項(xiàng)指標(biāo)，光電總?cè)丈浔碓诠庾V選擇性上達(dá)不到要求。所以，它不符合二等[工作]表的要求，這一點(diǎn)從圖3可以更清楚地看到。正常的熱電型輻射表其光譜響應(yīng)較平直，沒有明顯的光譜選擇性；而硅光電池的光譜響應(yīng)具有相當(dāng)?shù)倪x擇性。首先，它對(duì)不同光譜的響應(yīng)不同，在一日之內(nèi)，隨著太陽高度以及隨之而來的大氣質(zhì)量的不斷變化，太陽光譜也有較明顯的改變；其次，它未能包括0.3～3.0μm的譜段。但是，有些工程人員認(rèn)為，他們要求并不高，這就另當(dāng)別論了。

圖3 太陽輻射的各種譜段和各種相關(guān)器件的光譜響應(yīng)曲線

[1]World Meteorological Organization. Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation (No. 7th edition)[M].Geneva, 1996.

[2]ISO 9060: 1990(E), Solar energy-Specification and classification of instruments for measuring hemispherical solar and direct radiation[S].

[3]JJG 458-96，總輻射表檢定規(guī)程[S].