中國氣象科學研究院 王炳忠

隨著國家對新能源有關政策的發(fā)布，眾多社會人士、單位積極參與到太陽能的開發(fā)與利用活動中來，太陽輻射的測量也日益受到關注。盡管太陽輻射的測量并不復雜，但涉及專門領域，并非隨便購買相關儀器進行測量，就能達到想要的目的。因此，有必要對此作些介紹。

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，在日射測量學中稱其為環(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，所以測量直射儀器的開口角度至關重要。因為不同的開口角度所包含的環(huán)日輻射不等，其同步測量的結果也就不一。對此雖然有過規(guī)定，但還允許存在一定的幅度，例如原蘇聯(lián)測量直射儀器的開敞角為10?，其他國家儀器的開敞角在5?～10?間不等。后來，日射測量標準儀器的開敞角定為5?(不同生產(chǎn)者之間略有差異)，逐漸向標準儀器靠攏。最初，之所以將開敞角設計得較大，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，由于受到大氣及其中各種粒子成分介質分散成多方向的空間分布而形成的輻射。這種輻射遇到介質時還可再次被散射，即多次散射。

3 反射

太陽輻射通過大氣遇到另一介質界面而返回原介質中的現(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 太陽輻射的測量儀器

1 直接日射表

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

(1)熱傳感器，探測平面被涂成黑色或為一個腔體用于吸收入射輻射；

(2)限視光管(光闌管)，規(guī)定了儀器的視場幾何關系(筒長d，進光孔口徑半徑R和感應面半徑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)緯儀式可調支架，帶動直接日射表跟蹤太陽或使得直射表可瞄準太陽。

為嚴格跟蹤太陽系統(tǒng)的準確度和進光筒長度，要求商業(yè)用直接日射表在斜角為1?，開敞角為5?的限度內操作。

2 總日射表

測量感應面以上21立體角內所發(fā)出輻射的儀器?？側丈浔碇饕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和單位

1 常用的輻射量

輻照度E，W/m2；

輻照量(氣象學界稱曝輻量)H，J/m2。

2 各種太陽輻射

直射S；

散射 Ed，Hd；

反射Er，Hr；

總日射 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、單位等均為世界氣象組織統(tǒng)一規(guī)定，也是世界各國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的術語，其計量單位與前述各種輻射量并無區(qū)別。它的符號國際上也無統(tǒng)一規(guī)定，姑且設為EG。仿照總日射的公式，半球向輻射可以寫作:

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 太陽輻射的測量

1 直射

只能采用直接日射表來測量，而得到的結果是法向直射。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'⊙來換算傾斜面上的直射。

測量直射的輻照度并不困難，只需在測量的瞬間確保直接日射表的進光筒通過瞄準靶點對準太陽即可。如果需要連續(xù)記錄太陽直射，則需要太陽跟蹤器，即能保證隨時跟上太陽運動的裝置。目前，我國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，并能按照當?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?內自由調整的功能。

然而問題在于:(1)真太陽運轉一周，并非總是24h整，有的日期長些，有的日期短些；(2)機械加工出來的零部件，也未能完全按照設計的理想情況實際運行，經(jīng)常會出現(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，目前國際上均已改用計算機輔助的并帶有光電反饋裝置的跟蹤器。

2 散射

采用水平放置的總日射表測量，同時需要利用放置在一定距離的一圓形或球形遮光片，將落入總日射表感應面上的直射遮去。

嚴格地講，遮光片的直徑和距離是有要求的，它應與直接日射表的開口及開口至其感應面的距離成比例。換句話說，直接日射表測量了天空的哪一部分，在測量散射時，就應將該部分遮掉。實際應用中，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，由于前述對直接日射表開口角度有一定的要求，所以實際相差不會很大。

3 反射

可采用總日射表進行測量，但需要將其翻轉180?，也就是水平向下進行觀測。

4 總日射

準確的總日射應采用分別測量直射和散射，然后根據(jù)式(1)計算得出。如果要求不太高，也可采用水平放置的總日射表直接測量，這是因為總日射表對不同入射角的直射其余弦響應并不理想。也就是說，與同時利用直接日射表的測量數(shù)乘以當時太陽天頂角的余弦的結果有差異。

5 半球向輻射

采用總日射表進行測量，但此時總日射表的安裝非水平狀態(tài)，具有一定的朝向和一定的傾斜角度。因此，進入儀器感應面的不僅有直射和散射，還會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 輻射測量儀器的分級

太陽輻射測量儀器的質量同其他儀器一樣也有優(yōu)劣之分。有些初涉太陽能領域的人員會有認知上的誤區(qū)，以為凡是進口的就是好的。其實，根據(jù)世界氣象組織[1]和國際標準化組織[2]的相關規(guī)定，各國所產(chǎn)的太陽輻射測量儀器按照其測量性能的優(yōu)劣均可分為三等。由于兩者分級的具體規(guī)定和指標，絕大部分相同，僅在個別項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，加以標注，詳見表1、表2。

表1 業(yè)務用直接日射表性能規(guī)格和等級劃分

需要說明的是，在世界氣象組織的有關規(guī)定中[1]，沒有二級[工作]這一類別，二等標準稱為高優(yōu)質量，一級[工作]稱為良好質量；另外，在國際標準化組織的相關標準中[2]，沒有最下一行有關不確定度的規(guī)定及相應的指標。

表2 業(yè)務用總日射表性能規(guī)格和等級劃分

需要說明的是，在世界氣象組織的有關規(guī)定中[1]，二等標準稱為高優(yōu)質量，一級[工作]稱為良好質量，二級[工作]稱為中等質量；另外，在國際標準化組織的相關標準中[2]，沒有最下一行有關不確定度的規(guī)定；光譜選擇性一項中有關波長范圍的規(guī)定為0.35～1.5μm。

有關兩個等級劃分中的等級名稱，世界氣象組織選擇的定性說法既不符合我國計量學界的習慣用法，也不符合國際上相關儀器廠家的用法，所以建議仍保留原稱謂。

應當注意的是，表中各項性能指標對于該等級的儀器來說，均為最低要求。即使某一兩項性能指標有所超過，只能維持原等級。例如，荷蘭Kipp &Zonen目前同時生產(chǎn)CMP11、CMP 21和CMP 22三種總日射表，并且均屬于二等標準級別，但是上述三種總日射表的質量依次遞增(主要體現(xiàn)在個別項目上)，儀器的價格自然也依次遞增。

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

對照表1和表2所列指標，目前國內生產(chǎn)的太陽輻射儀器屬于二等[工作]這一檔次。但提醒想要購買儀器的用戶，不能僅僅著眼于價格。根據(jù)總輻射表計量檢定規(guī)程[3]的要求，輻射站所用儀器必須經(jīng)過計量部門的檢定，合格后才準使用。這絕不是多此一舉，而是經(jīng)驗的總結。事實上也曾發(fā)現(xiàn)用戶使用一些儀器一段時間后，將儀器送到計量部門按檢定規(guī)程檢定時，才發(fā)現(xiàn)方向性響 應不合格(這一項的不合格率最高)或者零點不合格，給測量結果帶來嚴重的影響。

光電總日射表由于具有結構簡單、價格便宜的優(yōu)勢，也受到一些用戶的青睞。但對照表2的各項指標，光電總日射表在光譜選擇性上達不到要求。所以，它不符合二等[工作]表的要求，這一點從圖3可以更清楚地看到。正常的熱電型輻射表其光譜響應較平直，沒有明顯的光譜選擇性；而硅光電池的光譜響應具有相當?shù)倪x擇性。首先，它對不同光譜的響應不同，在一日之內，隨著太陽高度以及隨之而來的大氣質量的不斷變化，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，有些工程人員認為，他們要求并不高，這就另當別論了。

圖3 太陽輻射的各種譜段和各種相關器件的光譜響應曲線

[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].