典型天氣下太陽(yáng)直接輻照的環(huán)日比參量時(shí)變特性研究

蘇 營(yíng)，牛一森，王 乾，鄒良林，鄒祖冰，顏?zhàn)予?，宋記鋒

（1.中國(guó)長(zhǎng)江三峽集團(tuán)有限公司 科學(xué)技術(shù)研究院，北京 100038；2.華北電力大學(xué) 新能源學(xué)院，北京102206；3.華北電力大學(xué) 新能源電力系統(tǒng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 102206）

0 引言

太陽(yáng)能熱發(fā)電是一種大規(guī)模太陽(yáng)能利用方式。大型太陽(yáng)能熱發(fā)電站利用大面積的光學(xué)系統(tǒng)聚焦陽(yáng)光，用于加熱工質(zhì)，產(chǎn)生高溫高壓水蒸氣，推動(dòng)汽輪機(jī)發(fā)電[1]。常見(jiàn)的聚光光熱發(fā)電裝置主要有拋物槽式、塔式、菲涅爾式和蝶式4種。目前，槽式與塔式系統(tǒng)是最主要的兩種，也是商業(yè)化規(guī)模最大的兩種技術(shù)形式[2]。槽式光熱電站利用拋物槽面鏡聚焦陽(yáng)光，將聚焦能流投射到集熱管，使工質(zhì)加熱到400℃。塔式光熱電站利用定日鏡場(chǎng)聚焦陽(yáng)光，聚焦能流投射到吸熱器上，可將工質(zhì)加熱到600℃以上。在太陽(yáng)能熱發(fā)電的研究中，聚光能流密度分布非常重要，其對(duì)吸熱器的溫度場(chǎng)、工質(zhì)流場(chǎng)具有決定性作用。

太陽(yáng)能光熱電站的聚焦能流分析中，太陽(yáng)直接輻照是最重要的參數(shù)之一。太陽(yáng)直接輻照來(lái)自日面，其視場(chǎng)角僅0.53°，這部分輻照可以被聚焦到吸熱器上。在實(shí)際應(yīng)用中，太陽(yáng)直接輻照的測(cè)量是由視場(chǎng)角5°的儀表測(cè)定，除日面輻照外，還包含了日面周圍的散射輻射，即環(huán)日輻射。由于吸熱器的尺寸限制，大部分的環(huán)日輻射無(wú)法吸收，環(huán)日輻射占儀表數(shù)值的比例稱為環(huán)日比（Circumsolar Ratio，CSR）。在計(jì)算光熱電站的效率分析時(shí)，需要精確的CSR數(shù)據(jù)，以便將儀表測(cè)量結(jié)果中的環(huán)日輻射濾除。在以往的光熱電站聚焦能流分析、吸熱器效率研究中，經(jīng)常忽略環(huán)日輻射[3]～[6]或認(rèn)為CSR是一個(gè)常值[7]，[8]，但實(shí)際上CSR是一個(gè)動(dòng)態(tài)的數(shù)值，其變化對(duì)光熱系統(tǒng)的光學(xué)效率產(chǎn)生的影響可達(dá)20%[9]。

CSR本質(zhì)是太陽(yáng)光在進(jìn)入地球大氣層時(shí)發(fā)生的前向散射效應(yīng)，主要由霧霾和太陽(yáng)光穿越的大氣層厚度決定。太陽(yáng)光穿越地球大氣層時(shí)，霧霾會(huì)導(dǎo)致入射光產(chǎn)生Mie散射，形成強(qiáng)烈的前向散射，是環(huán)日輻射的主要成因。太陽(yáng)光穿越地球大氣層的等效厚度與垂直入射時(shí)的等效厚度的比值為大 氣 質(zhì) 量（Air Mass，AM），一 天 內(nèi) 會(huì) 經(jīng) 歷 從 大 到小，再到大的變化。AM的變化也會(huì)對(duì)太陽(yáng)前向散射效應(yīng)造成明顯的影響。

掌握CSR的時(shí)變特性和日內(nèi)變化趨勢(shì)對(duì)光熱電站的聚光效率研究具有重要的參考意義，采用符合實(shí)際情況的CSR數(shù)據(jù)能夠降低光熱電站聚光分析結(jié)果的誤差，有助于提高光熱電站出力預(yù)報(bào)精度。然而，少有對(duì)CSR的實(shí)測(cè)研究，美國(guó)伯克利大學(xué)統(tǒng)計(jì)了美國(guó)20a的CSR觀測(cè)數(shù)據(jù)，建立了Reduced database數(shù)據(jù)庫(kù)，并擬合了太陽(yáng)亮度模型，利用CSR參量表達(dá)環(huán)日輻照分布[10]。德國(guó)宇航中心在德國(guó)建立觀測(cè)點(diǎn)，收集了大量CSR數(shù)據(jù)進(jìn)行分析[11]。文獻(xiàn)[12]針對(duì)氣溶膠對(duì)CSR的影響進(jìn)行了討論。文獻(xiàn)[13]對(duì)大氣混濁度高的地區(qū)進(jìn)行了CSR的測(cè)量和分析，發(fā)現(xiàn)該地區(qū)CSR偏高。但是，對(duì)于實(shí)測(cè)CSR的時(shí)變特性、動(dòng)態(tài)特性的細(xì)節(jié)特征研究還十分缺乏，CSR與AM、太陽(yáng)直接輻 照（Direct Normal Irradiance，DNI）的 關(guān) 系 也 未有針對(duì)性報(bào)道。

本文搭建了CSR觀測(cè)系統(tǒng)，利用雙視野輻射表方法[14]進(jìn)行了多種典型氣象下CSR的不間斷測(cè)量，旨在獲得CSR的變化趨勢(shì)和時(shí)變特性，為光熱電站的聚焦能流密度分析提供支持。

1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

1.1 CSR與AM定義

由于前向散射的緣故，太陽(yáng)盤面和周圈區(qū)域的亮度呈現(xiàn)強(qiáng)烈的非線性分布。太陽(yáng)盤面輻射的角度范圍等于太陽(yáng)張角，即0.53°（-4.65～4.65 mrad）。太陽(yáng)直射范圍與太陽(yáng)直射測(cè)量?jī)x表有關(guān)，目前，工程上應(yīng)用的直射輻射表視野范圍為5°，所以本文研究中采集和討論的太陽(yáng)直射角度范圍為5°（-46.3～46.3mrad）。環(huán) 日 輻 射 區(qū) 域 為 太 陽(yáng) 圓盤邊界到太陽(yáng)直射邊界范圍之間的區(qū)域，即角度范 圍 是 以 太 陽(yáng) 為 中 心±（0.265°，2.5°）之 內(nèi) 的 環(huán) 形區(qū)域。來(lái)自環(huán)日輻射區(qū)域的輻射稱為環(huán)日輻射，環(huán)日輻射本質(zhì)上是散射輻射。CSR通常被用來(lái)衡量環(huán)日輻射的大小，其定義為環(huán)日輻射強(qiáng)度（ICS）與DNI（Ii）的 比 值，表 達(dá) 式 為[10]

從太陽(yáng)中心沿半徑方向的亮度分布曲線稱為太陽(yáng)亮度分布曲線。文獻(xiàn)[10]通過(guò)對(duì)大量太陽(yáng)亮度分布數(shù)據(jù)擬合，提出了一種歸一化的太陽(yáng)亮度模型，其表達(dá)式為

其中：

式中：φ（θ）為太陽(yáng)亮度模型；θ為距離太陽(yáng)中心的弧度；γ為對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中太陽(yáng)亮度模型的斜率；κ為對(duì)數(shù)坐標(biāo)系中太陽(yáng)亮度模型在縱坐標(biāo)的截距。該方程無(wú)量綱，以太陽(yáng)盤面中心的亮度為1，向外逐漸降低。該模型亮度分布的不同只取決于CSR，該模型在太陽(yáng)盤面的亮度分布考慮了恒星臨邊昏暗效應(yīng)，在環(huán)日區(qū)域的亮度分布考慮了地球大氣衰減與散射效應(yīng)，與實(shí)際較吻合。

太陽(yáng)高度角變化時(shí)，太陽(yáng)光穿越大氣層到達(dá)地面的行程會(huì)發(fā)生變化，對(duì)CSR會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的影響。AM=0指在大氣層外接收太陽(yáng)光的情況，太陽(yáng)光垂直入射大氣層時(shí)AM=1，當(dāng)太陽(yáng)高度角 α為48.2°時(shí)AM=1.5。AM與α負(fù)相關(guān)，二者的關(guān)系式為[15]

1.2 CSR測(cè)量方法

本文研究測(cè)量CSR的方式為雙視野輻照測(cè)量法，具體為測(cè)量不同視野范圍（3°，5°）的太陽(yáng)直射強(qiáng)度，利用太陽(yáng)亮度模型進(jìn)行計(jì)算處理，得到CSR。兩個(gè)視野的太陽(yáng)直接輻照強(qiáng)度的比率與CSR之間存在一一對(duì)應(yīng)的關(guān)系。

規(guī)定角度范圍的輻射量為輻照分布函數(shù)在該立體角度范圍上的積分。這個(gè)積分基于兩個(gè)假設(shè)：①太陽(yáng)亮度分布是輻射對(duì)稱的[16]，在大部分時(shí)間內(nèi)（太陽(yáng)高度角大于10°）這個(gè)假設(shè)以很高的精度成立；②輻照強(qiáng)度和光照強(qiáng)度成正比，即亮度可以反映輻照強(qiáng)度，則可用太陽(yáng)亮度模型代替輻照分布函數(shù)計(jì)算理論輻射量Iδ[10]。

式中：δ為接收太陽(yáng)輻射的弧度范圍。

計(jì)算得到的輻射量I是無(wú)量綱數(shù)，再通過(guò)與實(shí)測(cè)值對(duì)比反演獲取CSR，方法如下：在CSR=0～1遍 歷①～③過(guò) 程，①根 據(jù) 式（2）～（4）計(jì) 算 該CSR下 的 太 陽(yáng) 亮 度 分 布 模 型 φ（θ）；②由 式（6）計(jì) 算 出3°和5°視 野 范 圍 內(nèi) 的 太 陽(yáng) 輻 射 量Iδ1，Iδ2；③計(jì) 算無(wú) 量 綱 數(shù)Iδ1，Iδ2的 比 值 和 實(shí) 際 測(cè) 量 值Iδ1測(cè)，Iδ2測(cè)的比值的差值 Δ，Δ越小，則計(jì)算值與測(cè)量值越相似，遍歷結(jié)束后，Δ最小時(shí)對(duì)應(yīng)的CSR為該時(shí)刻的實(shí)際CSR。

1.3 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)

圖1 為本文研究開(kāi)發(fā)的雙視野輻照法CSR測(cè)量系統(tǒng)。

圖1 CSR測(cè)量實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.1 CSR measurement system

不同視野范圍的直接輻射表（視野范圍分別為3°，5°，型號(hào)為KippZonen SHP1直接輻射表）和四象限傳感器搭載在高精度太陽(yáng)跟蹤雙軸平臺(tái)上。該系統(tǒng)包含的參數(shù)如表1所示。

表1 設(shè)備及傳感器參數(shù)Table1 Parameters of instruments and sensor

輻射表視野的限制由限光筒實(shí)現(xiàn)，限光筒內(nèi)部放置了多個(gè)光闌，梯度放置的光闌組合能夠有效抑制雜散光。光闌會(huì)造成輻射表接受太陽(yáng)光的角度攔截效應(yīng)，即對(duì)不同角度入射的光線有不同的攔截效率，本文使用輻射接收函數(shù)F（β）量化攔截效率，其定義為平行光以入射角β入射到限光筒時(shí)，限光筒出射端接收器的受光面積與接收器面積的比值。

本文對(duì)光闌的攔截效應(yīng)進(jìn)行了光線追跡仿真，得出本文設(shè)備中3°與5°兩個(gè)限光筒的輻射接收函數(shù)，如圖2所示。

圖2 不同入射角下輻射接收函數(shù)Fig.2 Radiation reception function at different incident angles

同時(shí)為了保證測(cè)量精度，兩個(gè)輻照表應(yīng)當(dāng)具有良好的一致性。兩個(gè)輻射表的一致性實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，兩個(gè)輻照表的數(shù)值高度吻合，差異率小于1%，一致性良好。

圖3 雙輻射表一致性校驗(yàn)Fig.3 Pyrheliometers consistency experiment

由于采用的直射輻射表測(cè)量視野小，出現(xiàn)輕微的跟蹤誤差就會(huì)對(duì)測(cè)量產(chǎn)生很大影響，所以本文使用了高精度雙軸跟蹤器。該跟蹤器采用雙重反饋控制、天文算法和編碼器反饋進(jìn)行粗跟蹤，利用四象限傳感器反饋進(jìn)行精細(xì)跟蹤，系統(tǒng)跟蹤精度優(yōu)于0.05°。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析

測(cè) 量 地 點(diǎn) 為 北 京（38°52′N，115°29′E，海 拔24m），測(cè)量時(shí)間為2020年，數(shù)據(jù)中CSR和DNI是測(cè)量值，太陽(yáng)高度角和AM由高精度太陽(yáng)算法和 式（5）計(jì) 算 所 得。

2.1 典型天氣下DNI與CSR的日變化

從測(cè)量數(shù)據(jù)中分別挑選晴天、霧霾、多云這3種典型天氣類型，分析北京地區(qū)在這些天氣下DNI，CSR的日平均變化情況。圖4為晴天、霧霾和多云天氣下的CSR和DNI日變化對(duì)比曲線。

圖4 不同天氣下的DNI和CSR特征Fig.4 DNI and CSR characteristics under different weather conditions

陰天、雨雪天氣下雙軸平臺(tái)無(wú)法精確定位太陽(yáng)，同時(shí)，該天氣條件下直接輻照弱（＜50W/m2），對(duì)太陽(yáng)能電站不具參考意義，所以圖中未展示陰天及雨雪天氣的CSR曲線。

圖5為2020年6月15日的太陽(yáng)高度角和AM的變化。因?yàn)楦叨冉桥cAM一天中的變化趨勢(shì)相似，且與天氣無(wú)關(guān)，所以只展示其一天的變化。由圖4，5可知，晴天時(shí)，DNI呈現(xiàn)早晚低、中午高 的 趨 勢(shì)，11：00-14：00達(dá) 到 峰 值，DNI最 大 值 為937W/m2。與DNI曲線相反，CSR呈現(xiàn)明顯的“浴盆”曲線，即早晨和傍晚高中午低，且中午CSR變化較小。這是因?yàn)椋缤頃r(shí)刻太陽(yáng)高度角偏低，太陽(yáng)光到達(dá)地面前穿越的大氣等效厚度大，即AM較大，前向散射效應(yīng)強(qiáng)，CSR偏大。隨著太陽(yáng)高度角的變大，太陽(yáng)光穿越的等效大氣層厚度較小，即AM較小，前向散射效應(yīng)弱，CSR隨之偏低。整體上，晴朗天氣下中午DNI和CSR曲線相對(duì)平滑，但CSR仍在一天之內(nèi)會(huì)發(fā)生數(shù)倍變化，可以從中午的0.1變化到日落時(shí)分的0.3。

圖5 太陽(yáng)高度角和AM日特征Fig.5 Solar altitude and AM characteristics during a day

與晴天相比，霧霾天氣的DNI和CSR變化趨勢(shì)相同，但是由于大氣中的水汽及其他微粒成分含量的增加，太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層時(shí)受到了更加嚴(yán)重的吸收和散射，DNI總體比晴天時(shí)低，最大值為788W/m2，同時(shí)CSR增加，總體比晴天時(shí)高，最小值為0.2。在CSR偏大的情況下，對(duì)聚光熱發(fā)電站的光熱效率分析時(shí)，應(yīng)當(dāng)將DNI中的散射部分濾除，否則會(huì)導(dǎo)致明顯的計(jì)算偏差。

云層對(duì)太陽(yáng)輻射有較大的吸收和散射作用，所以在多云天氣下，DNI和CSR變化的總體趨勢(shì)與晴天時(shí)相同，但會(huì)出現(xiàn)較大的波動(dòng)。當(dāng)出現(xiàn)少量的薄層云團(tuán)時(shí)，CSR短時(shí)間會(huì)發(fā)生劇烈的波動(dòng)。對(duì)于太陽(yáng)聚光熱發(fā)電站，CSR劇烈波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致吸熱器接收到的聚光能流功率和密度分布出現(xiàn)同步的劇烈波動(dòng)。一天中DNI最大值出現(xiàn)在未被云層遮擋的中午，達(dá)到934W/m2，同時(shí)，CSR達(dá)到最小值0.11。被云層遮擋時(shí)，DNI明顯下降，CSR明顯上升，被厚云層遮擋時(shí)，DNI下降到0，此時(shí)，CSR無(wú)法測(cè)量，認(rèn)為是1。雖然云層的影響具有強(qiáng)烈的時(shí)變特性，其尺寸、形狀會(huì)不停變化，但是在15 min的尺度上，云層的形狀變化不大，可以通過(guò)對(duì)云層的路徑進(jìn)行分析，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)CSR，DNI的超短期波動(dòng)預(yù)報(bào)。

2.2 DNI與CSR季節(jié)變化特征

本文將采集到的數(shù)據(jù)按照季節(jié)劃分，圖6～8分別為北京地區(qū)2020年4個(gè)典型日（春季，4月4日；夏季，7月15日；秋季，10月2日；冬季，1月18日）的DNI，CSR和AM日變化曲線。

圖6 DNI的季節(jié)特征Fig.6 DNI characteristics in different seasons

圖7 CSR的季節(jié)特征Fig.7 CSR characteristics in different seasons

圖8 AM的季節(jié)特征Fig.8 AM characteristics in different seasons

由圖6～8可知，DNI在夏季最大，冬季最小，春季和秋季相近，春、夏、秋、冬4個(gè)典型日DNI最 大 值 分 別 為890，937，888，833W/m2；4個(gè) 典 型日CSR最 小 值 分 別 為0.14，0.11，0.13，0.18，CSR均 值 分 別 為0.19，0.14，0.2，0.26。相 同 時(shí) 刻，太 陽(yáng)高度角在夏季最高，冬季最低，春季與秋季相近，此時(shí)，太陽(yáng)輻射穿過(guò)大氣層的路程（即AM）在夏季最小，冬季最大。隨著AM的變化，可以看到，DNI和CSR也呈現(xiàn)出相應(yīng)的變化趨勢(shì)。太陽(yáng)聚光熱發(fā)電站在冬季DNI偏低、CSR偏大的共同作用下，其出力和光學(xué)效率都大幅降低。

2.3 CSR-AM-DNI內(nèi)在關(guān)聯(lián)

大量的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)顯示，CSR，AM和DNI之間存在一定的關(guān)聯(lián)，特別是在霧霾環(huán)境下。圖9～11為受霧霾影響下CSR，AM和DNI三者的規(guī)律。

圖9 CSR-AM-DNI互動(dòng)關(guān)系Fig.9 Relationship of CSR-AM-DNI

圖10 CSR-DNI互動(dòng)關(guān)系Fig.10 Relationship of CSR-DNI

圖11 CSR-AM互動(dòng)關(guān)系Fig.11 Relationship of CSR-AM

CSR的大小與空氣質(zhì)量和AM有關(guān)，空氣質(zhì)量差時(shí)，例如霧霾天氣，大氣中微粒及水汽濃度提高，加重了對(duì)太陽(yáng)光的吸收和散射，DNI減小，環(huán)日輻射增加，CSR增大；天氣條件（空氣質(zhì)量）相同時(shí)，AM增大，太陽(yáng)光穿過(guò)大氣層的距離增加，同樣加重了大氣對(duì)太陽(yáng)光的吸收和散射，CSR升高。所以CSR與DNI負(fù)相關(guān)，與AM正相關(guān)。北京本地的CSR大部分時(shí)間為0.05～0.3，CSR反映出當(dāng)時(shí)的大氣散射程度，可以根據(jù)CSR數(shù)值判斷當(dāng)天的霧霾情況。

3 結(jié)論

本文使用雙視野輻射表法測(cè)量收集了北京地區(qū)2020年4個(gè)典型日的DNI和CSR信息并進(jìn)行了分析，發(fā)現(xiàn)CSR具有明顯的時(shí)變性，結(jié)論如下。

①不同天氣下CSR的變化：晴天時(shí)CSR呈現(xiàn)“浴盆曲線”，中午DNI最大，AM最大，CSR最??；霧霾天氣時(shí)大氣渾濁度高，所以與晴天時(shí)相比DNI低，CSR高；多云天氣下，當(dāng)云團(tuán)遮擋太陽(yáng)時(shí)，CSR會(huì)出現(xiàn)劇烈的波動(dòng)，具有分鐘級(jí)瞬態(tài)性。

②CSR的季節(jié)變化：春、夏、秋、冬4個(gè)典型日CSR均值的大?。憾荆厩锛尽执杭荆鞠募?，與DNI的變化相反，這是因?yàn)橄嗤瑫r(shí)刻，AM在夏季最低，冬季最高，春季與秋季相近，太陽(yáng)光受到的吸收和散射程度隨AM的增大而增大。CSR季節(jié)變化主要與AM有關(guān)。

③CSR與DNI負(fù)相關(guān)，與AM正相關(guān)。DNI，AM和CSR之間存在較為明顯的相關(guān)性，CSR可以反映出當(dāng)日的霧霾情況，AM可以反映出當(dāng)時(shí)的太陽(yáng)位置，這意味著對(duì)DNI的預(yù)報(bào)算法可以將CSR和AM作為輸入?yún)⒘?，下一步繼續(xù)研究這個(gè)關(guān)系或有助于提高DNI預(yù)報(bào)的精度。