太陽直接輻射計(jì)算

1、太陽直接輻射計(jì)算導(dǎo)則1范圍本標(biāo)準(zhǔn)給出了太陽直接輻射計(jì)算的基本原則，不同條件下的計(jì)算方法和適用范圍，以及對計(jì)算結(jié)果的檢驗(yàn)要求。本標(biāo)準(zhǔn)適用于水平面直接輻射和法向直接輻射的計(jì)算。2規(guī)范性引用文件下列文件對于本文件的應(yīng)用是必不可少的。凡是注日期的引用文件，僅注日期的版本適用于本文件。凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改單）適用于本文件。GB/T336982017太陽能資源測量直接輻射GB/T343252017太陽能資源數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性評判方法3術(shù)語和定義下列術(shù)語和定義適用于本文件。3.1直接輻射directradiation從日面及其周圍一小立體角內(nèi)發(fā)出的輻射。GB/T31163-2014,定

2、義注：一般來說，直接輻射是由視場角約為5。的儀器測定的，而日面本身的視場角僅約為0,因此，它包括日面周圍的部分散射輻射，即環(huán)日輻射。3.2法向直接輻射directnormalradiation與太陽光線垂直的平面上接收到的直接輻射。注：從數(shù)值上而言，直接輻射與法向直接輻射是相同的；兩者的區(qū)別在于，直接輻射是從太陽出射的角度而定義，法向直接輻射則是從地表入射的角度而定義。GB/T31163-2014,定義3.3水平面直接輻射directhorizontalradiation水平面上接收到的直接輻射。GB/T31163-2014,定義3.4散射輻射diffuseradiation;scatteri

3、ngradiation太陽輻射被空氣分子、云和空氣中的各種微粒分散成無方向性的、但不改變其單色組成的輻射。GB/T31163-2014,定義3.5水平面總輻射globalhorizontalradiation水平面從上方2兀立體角（半球）范圍內(nèi)接收到的直接輻射和散射輻射之和。注：改寫GB/T311632014，定義。3.6地外太陽輻射extraterrestrialsolarradiation地球大氣層外的太陽輻射。GB/T311632014，定義3.7輻照度irradiance物體在單位時(shí)間、單位面積上接收到的輻射能。注：單位為瓦每平方米（W/m2）。GB/T311632014，定義3.8輻

4、照量irradiation曝輻量radianceexposure在給定時(shí)間段內(nèi)輻照度的積分總量。注1：單位為兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦時(shí)每平方米（kWh/m2）。注2：1kWh/m2=Mj/m2;1MJ/m2kWh/m2。注3：改寫GB/T311632014，定義。3.9法向直接輻照度directnormalirradiance與太陽光線垂直的平面上單位時(shí)間、單位面積上接收到的直接輻射能。注：單位為瓦每平方米（W/m2）。3.10法向直接輻照量directnormalirradiation在給定時(shí)間段內(nèi)法向直接輻照度的積分總量。注：單位為兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦時(shí)每平方米（kWh

5、/m2）。3.11水平面直接輻照度directhorizontalirradiance水平面上單位時(shí)間、單位面積上接收到的直接輻射能。注：單位為瓦每平方米（W/m2）。3.12水平面直接輻照量directhorizontalirradiation在給定時(shí)間段內(nèi)水平面直接輻照度的積分總量。注：單位為兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦時(shí)每平方米（kWh/m2）。3.13水平面散射輻照度diffusehorizontalirradiance；scatteredhorizontalirradiance水平面從上方2兀立體角（半球）范圍內(nèi)單位時(shí)間、單位面積上接收到的散射輻射能。注：單位為瓦每平方米（W/m

6、2）。3.14水平面散射輻照量diffusehorizontalirradiation；scatteredhorizontalirradiation在給定時(shí)間段內(nèi)水平面散射輻照度的積分總量。注：單位為兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦時(shí)每平方米（kWh/m2）。3.15水平面總輻照度globalhorizontalirradiance水平面從上方2兀立體角（半球）范圍內(nèi)單位時(shí)間、單位面積上接收到的總輻射能。注：單位為瓦每平方米（W/m2）。3.16水平面總輻照量globalhorizontalirradiation在給定時(shí)間段內(nèi)水平面總輻照度的積分總量。注：單位為兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦

7、時(shí)每平方米（kWh/m2）。3.17地外法向太陽輻照度extraterrestrialnormalsolarirradiance地球大氣層外與太陽光線垂直的平面上單位時(shí)間、單位面積上接收到的太陽輻射能。注：單位為瓦每平方米（W/m2）。3.18地外法向太陽輻照量extraterrestrialnormalsolarirradiation在給定時(shí)間段內(nèi)地外法向太陽輻照度的積分總量。注：單位為兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦時(shí)每平方米（kWh/m2）。3.19地外水平面太陽輻照度extraterrestrialhorizontalsolarirradiance地球大氣層外水平面從上方2粒體角（半球

8、）范圍內(nèi)單位時(shí)間、單位面積上接收到的太陽輻射能。注：單位為瓦每平方米（W/m2）。3.20地外水平面太陽輻照量extraterrestrialhorizontalsolarirradiation在給定時(shí)間段內(nèi)地外水平面太陽輻照度的積分總量。注：單位為兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦時(shí)每平方米（kWh/m2）。3.21日照時(shí)數(shù)sunshinedurationH在一給定時(shí)間，太陽直接輻照度達(dá)到或超過120W/m2的各段時(shí)間總和。注：單位為小時(shí)（h）。3.22可照時(shí)數(shù)durationofpossiblesunshineH0在無任何遮蔽條件下，太陽中心從某地東方地平線到進(jìn)入西方地平線，其光線照射到地面

9、所經(jīng)歷的時(shí)間。注1：可照時(shí)數(shù)完全決定于當(dāng)?shù)氐牡乩砭暥群腿掌凇Ｗ?：可照時(shí)數(shù)的基本計(jì)量時(shí)間段為日，月和年的可照時(shí)數(shù)以日值進(jìn)行累計(jì)，單位為小時(shí)（h）。注3：改寫GB/T311632014，定義。3.23日照百分率sunshinepercentages日照時(shí)數(shù)占可照時(shí)數(shù)的百分比。GB/T311632014,定義注：以百分號（）表示。3.24晴空指數(shù)clearnessindexkT總輻射與地外水平面太陽輻射的比值。3.25直散分離decomposedglobalradiationintodirecthorizontalradiationanddiffuseradiation采用某種方法將總輻射分解為水

10、平面直接輻射和散射輻射的過程。3.26太陽常數(shù)solarconstantEo大氣層外日地平均距離處單位時(shí)間內(nèi)通過與太陽輻射束垂直的單位平面上的太陽輻射通量。注：太陽常數(shù)并非嚴(yán)格的物理常數(shù)，世界氣象組織1981年發(fā)布的太陽常數(shù)為1367W/m2±7W/m2,QX/T3682016給出的太陽常數(shù)是W/m2。3.27透射比transmittance面元透射的輻射通量與入射到面元的輻射通量之比。GB/T31163-2014,定義4符號下列符號適用于本文件。DHI:某時(shí)刻的瞬時(shí)水平面直接輻照度，單位為瓦每平方米（W/m2）。dhT:某一段時(shí)間的平均水平面直接輻照度，單位為瓦每平方米（W/m2）

11、。DHR:某一段時(shí)間的水平面直接輻照量，單位為兆焦每平方米（MJ/m2）。DIF:某時(shí)刻的瞬時(shí)水平面散射輻照度，單位為瓦每平方米（W/m2）。DF:某一段時(shí)間的平均水平面散射輻照度，單位為瓦每平方米（W/m2）。DIFR:某一段時(shí)間的水平面散射輻照量，單位為兆焦每平方米（MJ/m2）。DNI:某時(shí)刻的瞬時(shí)法向直接輻照度，單位為瓦每平方米（W/m2）。而：某一段時(shí)間的平均法向直接輻照度，單位為瓦每平方米（W/m2）。DNR:某一段時(shí)間的法向直接輻照量，單位為兆焦每平方米（MJ/m2EDNI:某時(shí)刻的地外法向太陽輻照度，單位為瓦每平方米（W/m2）,計(jì)算方法參見附錄A。EDNR:某一段時(shí)間的地外法

12、向太陽輻照量，單位為兆焦每平方米（MJ/m2）,計(jì)算方法參見附錄A。EHI:某時(shí)刻的瞬時(shí)地外水平面太陽輻照度，單位為瓦每平方米（W/m2）,計(jì)算方法參見附錄A。EHR:某一段時(shí)間的地外水平面太陽輻照量，單位為兆焦每平方米（MJ/m2）,計(jì)算方法參見附錄A。EHRd：日地外水平面太陽輻照量，單位為兆焦每平方米（MJ/m2）,計(jì)算方法參見附錄A。EHRh：小時(shí)地外水平面太陽輻照量，單位為兆焦每平方米（MJ/m2）,計(jì)算方法參見附錄A。GHI:某時(shí)刻的瞬時(shí)水平面總輻照度，單位為瓦每平方米（W/m2）。麗：某一段時(shí)間的平均水平面總輻照度，單位為瓦每平方米（W/m2）。GHR:某一段時(shí)間的水平面總輻照量

13、，單位為兆焦每平方米（MJ/m2）。MAE:絕對誤差。MRE:相對誤差。RMSE:均方根誤差。R:相關(guān)系數(shù)。5計(jì)算方法5.1 基本原則有法向直接輻射觀測數(shù)據(jù)時(shí)，按照附錄B中式（）計(jì)算某一時(shí)刻的水平面直接輻照度。在缺少直接輻射實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)，根據(jù)應(yīng)用需求和相關(guān)實(shí)測數(shù)據(jù)的情況，選擇合適的計(jì)算方法，在滿足需求的前提下，盡可能降低計(jì)算誤差。5.2 具備太陽輻射實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)的計(jì)算方法5.2.1 具備總輻射和散射輻射實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)的計(jì)算方法基本思路根據(jù)總輻射、散射輻射和水平面直接輻射之間的物理關(guān)系，計(jì)算水平面直接輻射和法向直接輻射。使用要求只有在總輻射和散射輻射的實(shí)測數(shù)據(jù)具備分鐘或小時(shí)值時(shí)，才能用于計(jì)算DNI和DN

14、R；如果總輻射和散射輻射的實(shí)測數(shù)據(jù)僅有日值、月值或年值，只能用于計(jì)算DHI和DHR,不能用于計(jì)算DNI和DNR。DHI計(jì)算方法DHIGHIDIF（1）DHIGHIDIF（2）DNI計(jì)算方法按照附錄B計(jì)算DNI或DNI,其中DHI基于式（1）計(jì)算得到，DHI基于式（2）計(jì)算得到。DHR和DNR計(jì)算方法按照附錄B中式（）計(jì)算DHR,其中DHI基于式（1）計(jì)算得到，DHI基于式（2）計(jì)算得到；按照附錄B中式（）計(jì)算DNR,其中DNI或DNI基于計(jì)算得到?；舅悸穼⒖傒椛溥M(jìn)行直散分離，得到散射輻射，進(jìn)而計(jì)算水平面直接輻射和法向直接輻射。使用要求式（4）僅適用于計(jì)算小時(shí)散射輻射，在此基礎(chǔ)上可計(jì)算小時(shí)水平

15、面直接輻射和小時(shí)法向直接輻射；對于日、月時(shí)間尺度的散射輻射，需另外建立經(jīng)驗(yàn)關(guān)系（參見文獻(xiàn)6）,并在此基礎(chǔ)上計(jì)算相應(yīng)時(shí)間尺度的水平面直接輻射。DIF計(jì)算方法由總輻射計(jì)算散射輻射，以晴空指數(shù)法為例。DIFGHIfkT（3）式中：%晴空指數(shù)，即總輻射與地外水平面太陽輻射的比值；f%散射輻射與晴空指數(shù)的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，對于小時(shí)平均的散射輻照度，宜采用式（4）中的方法，且計(jì)算中GHI也應(yīng)采用小時(shí)平均輻照度。a1-a2kT0kT0.35fkTa3-a4kT0.35kT0.75（4）askT0.75式中：ai-a5經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，在參考文獻(xiàn)6中的取值分別為、。實(shí)際應(yīng)用中，可根據(jù)周邊有氣候代表性的氣象站的實(shí)測總輻射和散射

16、輻射數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合確定。此外，式（4）中的分段臨界值和，亦屬于經(jīng)驗(yàn)取值，可根據(jù)當(dāng)?shù)氐膶?shí)際擬合方程進(jìn)行調(diào)整。DHI和DNI、DHR和DNR計(jì)算方法根據(jù)的方法，計(jì)算DHI和DNI,以及DHM口DNR,其中GHI基于實(shí)測得到，DIF基于式（3）計(jì)算得到。5.3 不具備太陽輻射實(shí)測數(shù)據(jù)時(shí)的計(jì)算方法5.3.1 氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)方法基本思路根據(jù)氣候?qū)W原理，建立DHR和DNR與地面觀測的相關(guān)氣象要素的統(tǒng)計(jì)關(guān)系，獲得水平面直接輻射和法向直接輻射。使用要求氣候?qū)W統(tǒng)計(jì)方法只適用于計(jì)算月或更長時(shí)間尺度的DHR和DNR,以及相應(yīng)時(shí)段平均的DhT和DNI。公式（5）（8）,若用于計(jì)算月時(shí)間尺度的水平面直接輻照量和法向直接輻照量

17、，則DHR、DNR、EHR和EDNR均為月輻照量；若用于計(jì)算年時(shí)間尺度的水平面直接輻照量和法向直接輻照量，則DHR、DNR、EHR和EDNR均為年輻照量。DHR和DNR計(jì)算方法DHREHRfs（5）DNRfDHR（6）式中：fS水平面直接輻射與日照百分率的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，宜采用參考文獻(xiàn)2中的方法，如式（7）所示；fDHR法向直接輻射與水平面直接輻射的經(jīng)驗(yàn)關(guān)系，宜采用參考文獻(xiàn)2中的方法，如式（8）所示。2一、fsa6sa7sa8fDHRa9DHREHR%0EDNRa11（8）式中：a6-an經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，可根據(jù)周邊有氣候代表性的氣象站的實(shí)測直接輻射和日照百分率數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合確定。dhT和dnT計(jì)算方法根據(jù)附

18、錄B中式（）和式（），分別計(jì)算相應(yīng)時(shí)段平均的DHT和而，其中DHR和DNR基于計(jì)算得到。5.3.2物理反演方法基本思路根據(jù)輻射傳輸原理，對大氣層中影響直接輻射的因子分別建立參數(shù)化方程，逐步計(jì)算到達(dá)地表的法向直接輻射，進(jìn)而計(jì)算水平面直接輻射。使用要求適用于計(jì)算瞬時(shí)、分鐘或小時(shí)平均的法向直接輻照度和水平面直接輻照度，以及相應(yīng)時(shí)段的法向直接輻照量和水平面直接輻照量，對于日平均值（日總量）、月平均值（月總量）、年平均值（年總量），則只需將計(jì)算結(jié)果進(jìn)行相應(yīng)時(shí)段的平均（累加）即可。DNI計(jì)算方法DNI的計(jì)算方法如式（9）所示。DNIEDNIrOZgwac（9）式中：r瑞利散射透射比；OZ臭氧吸收透射比；混合氣體和痕量氣體吸收透射比;水汽吸收透射比;a氣溶膠散射和吸收透射比；c云的散射和吸收透射比。r、OZ、g、w、a、c的參數(shù)化方程可參考國外經(jīng)典模型，如Iqbal模型、Bird模型、SMARTS模式等。各參數(shù)化方程的輸入數(shù)據(jù)，當(dāng)?shù)孛鏆庀笥^測數(shù)據(jù)無法滿足需求時(shí)，通常采用衛(wèi)星遙感數(shù)據(jù)。DHI計(jì)算方法按照附錄B中式（）計(jì)算DHI,其中DN基于式（9）計(jì)算得到。DHR和DNR計(jì)算方法按照附錄B中式（）計(jì)算DHR,其中DHI基于計(jì)算得到；按照式（）計(jì)算DNR,其中DNI基于式（9）計(jì)算得到。6計(jì)算結(jié)果檢驗(yàn)6.1 原則和方法按照GB/