太阳辐射测量仪器的分级

中国气象科学研究院 王炳忠

随着国家对新能源有关政策的发布，众多社会人士、单位积极参与到太阳能的开发与利用活动中来，太阳辐射的测量也日益受到关注。尽管太阳辐射的测量并不复杂，但涉及专门领域，并非随便购买相关仪器进行测量，就能达到想要的目的。因此，有必要对此作些介绍。

一 太阳辐射的分类

1 直射

由日面直接发射出来，并能使地面上的物体产生阴影的一种辐射。由于在地面上观察的日面只能形成一个约32'的视角，日面周围也非常光亮的部分称作华盖，在日射测量学中称其为环日辐射。

由于华盖的光亮随着距日面的距离急剧下降，且极易受大气浑浊度的影响，所以测量直射仪器的开口角度至关重要。因为不同的开口角度所包含的环日辐射不等，其同步测量的结果也就不一。对此虽然有过规定，但还允许存在一定的幅度，例如原苏联测量直射仪器的开敞角为10¡，其他国家仪器的开敞角在5¡～10¡间不等。后来，日射测量标准仪器的开敞角定为5¡(不同生产者之间略有差异)，逐渐向标准仪器靠拢。最初，之所以将开敞角设计得较大，是为了便于跟踪太阳。随着太阳跟踪装置日益现代化，采用大的开敞角已没有必要。

与直射束相垂直的接收平面所测量到的直射，称为法向直射。与直射呈某种角度的接收平面上的直射，需通过法向直射换算。

2 散射

太阳发出的辐射束经过大气层时，由于受到大气及其中各种粒子成分介质分散成多方向的空间分布而形成的辐射。这种辐射遇到介质时还可再次被散射，即多次散射。

3 反射

太阳辐射通过大气遇到另一介质界面而返回原介质中的现象。

4 总辐射

水平面上从其上半球空间接收到的全部太阳辐射，其成分包括直射和散射。

5 半球向辐射

任意朝向的平面从其上半球空间接收到的全部太阳辐射，其成分包括直射、散射和反射。

二 太阳辐射的测量仪器

1 直接日射表

测量从日面及其周围5¡立体角内所发射辐射的仪器。直接日射表的主要部件如下:

(1)热传感器，探测平面被涂成黑色或为一个腔体用于吸收入射辐射；

(2)限视光管(光阑管)，规定了仪器的视场几何关系(筒长d，进光孔口径半径R和感应面半径r决定了中心开敞角2arctan(R/d)和斜角arctan[(R-r)/d])；

(3)赤道仪式或经纬仪式可调支架，带动直接日射表跟踪太阳或使得直射表可瞄准太阳。

为严格跟踪太阳系统的准确度和进光筒长度，要求商业用直接日射表在斜角为1¡，开敞角为5¡的限度内操作。

2 总日射表

测量感应面以上2¹立体角内所发出辐射的仪器。总日射表主要由下列几部分组成:

(1)热传感器的接收表面有一黑色涂层或黑、白相间的涂层；

(2)半球玻璃罩，同心圆式地覆盖在接收表面上；

(3)仪器体常被用作热参照体，因此经常被遮光罩遮住。

三 太阳辐射量及其符号和单位

1 常用的辐射量

辐照度E，W/m2；

辐照量(气象学界称曝辐量)H，J/m2。

2 各种太阳辐射

直射S；

散射 Ed，Hd；

反射Er，Hr；

总日射 Eg，Hg；

式中:θ⊙是太阳的天顶角，也就是太阳高度角的余角。

以上介绍的名称和符号、单位等均为世界气象组织统一规定，也是世界各国气象部门记录太阳辐射数据所普遍采用的。

半球向辐射是为太阳能利用而专设的术语，其计量单位与前述各种辐射量并无区别。它的符号国际上也无统一规定，姑且设为EG。仿照总日射的公式，半球向辐射可以写作:

式中:θ'⊙为该斜面法线与直射线之间的夹角；Ed'为落入该斜面上的散射；Er'为落入该斜面上的反射。

四 太阳辐射的测量

1 直射

只能采用直接日射表来测量，而得到的结果是法向直射。至于其他平面上的直射则需通过公式(1)中的S cosθ⊙换算水平面上的直射和公式(2)中的S cosθ'⊙来换算倾斜面上的直射。

测量直射的辐照度并不困难，只需在测量的瞬间确保直接日射表的进光筒通过瞄准靶点对准太阳即可。如果需要连续记录太阳直射，则需要太阳跟踪器，即能保证随时跟上太阳运动的装置。目前，我国厂家一般只能提供所谓赤道仪式的太阳跟踪器，即底座能够24h一转，并能按照当地纬度保持倾斜的装置，上边安装的直射表光筒具有沿其上下方向做23.5¡内自由调整的功能。

然而问题在于:(1)真太阳运转一周，并非总是24h整，有的日期长些，有的日期短些；(2)机械加工出来的零部件，也未能完全按照设计的理想情况实际运行，经常会出现跟不上太阳的情况；(3)±23.5¡赤纬的逐日变化依然需要人工调整。

总体上讲，使用这类装置连续记录太阳直射的效果并不好。所以，目前国际上均已改用计算机辅助的并带有光电反馈装置的跟踪器。

2 散射

采用水平放置的总日射表测量，同时需要利用放置在一定距离的一圆形或球形遮光片，将落入总日射表感应面上的直射遮去。

严格地讲，遮光片的直径和距离是有要求的，它应与直接日射表的开口及开口至其感应面的距离成比例。换句话说，直接日射表测量了天空的哪一部分，在测量散射时，就应将该部分遮掉。实际应用中，各厂家生产的各种仪器的尺寸并不完全统一，也不可能备有各种尺寸的备用件，更重要的是，由于前述对直接日射表开口角度有一定的要求，所以实际相差不会很大。

3 反射

可采用总日射表进行测量，但需要将其翻转180¡，也就是水平向下进行观测。

4 总日射

准确的总日射应采用分别测量直射和散射，然后根据式(1)计算得出。如果要求不太高，也可采用水平放置的总日射表直接测量，这是因为总日射表对不同入射角的直射其余弦响应并不理想。也就是说，与同时利用直接日射表的测量数乘以当时太阳天顶角的余弦的结果有差异。

5 半球向辐射

采用总日射表进行测量，但此时总日射表的安装非水平状态，具有一定的朝向和一定的倾斜角度。因此，进入仪器感应面的不仅有直射和散射，还会包括一部分朝向前方地面的反射，且随着倾斜角度的增大，散射部分减少，而反射部分增大。

五 辐射测量仪器的分级

太阳辐射测量仪器的质量同其他仪器一样也有优劣之分。有些初涉太阳能领域的人员会有认知上的误区，以为凡是进口的就是好的。其实，根据世界气象组织[1]和国际标准化组织[2]的相关规定，各国所产的太阳辐射测量仪器按照其测量性能的优劣均可分为三等。由于两者分级的具体规定和指标，绝大部分相同，仅在个别项目上或名称上略有差异，为了节约篇幅，在这里统一给出，仅在有差异之处，加以标注，详见表1、表2。

表1 业务用直接日射表性能规格和等级划分

需要说明的是，在世界气象组织的有关规定中[1]，没有二级[工作]这一类别，二等标准称为高优质量，一级[工作]称为良好质量；另外，在国际标准化组织的相关标准中[2]，没有最下一行有关不确定度的规定及相应的指标。

表2 业务用总日射表性能规格和等级划分

需要说明的是，在世界气象组织的有关规定中[1]，二等标准称为高优质量，一级[工作]称为良好质量，二级[工作]称为中等质量；另外，在国际标准化组织的相关标准中[2]，没有最下一行有关不确定度的规定；光谱选择性一项中有关波长范围的规定为0.35～1.5µm。

有关两个等级划分中的等级名称，世界气象组织选择的定性说法既不符合我国计量学界的习惯用法，也不符合国际上相关仪器厂家的用法，所以建议仍保留原称谓。

应当注意的是，表中各项性能指标对于该等级的仪器来说，均为最低要求。即使某一两项性能指标有所超过，只能维持原等级。例如，荷兰Kipp &Zonen目前同时生产CMP11、CMP 21和CMP 22三种总日射表，并且均属于二等标准级别，但是上述三种总日射表的质量依次递增(主要体现在个别项目上)，仪器的价格自然也依次递增。

由此可见，在向国外订购辐射仪器时，极有必要事先了解一下它的等级是否符合你的预期，而不能听信一般销售商的宣传。一般国外厂商均会在其网站上，详细介绍其产品性能和等级。

对照表1和表2所列指标，目前国内生产的太阳辐射仪器属于二等[工作]这一档次。但提醒想要购买仪器的用户，不能仅仅着眼于价格。根据总辐射表计量检定规程[3]的要求，辐射站所用仪器必须经过计量部门的检定，合格后才准使用。这绝不是多此一举，而是经验的总结。事实上也曾发现用户使用一些仪器一段时间后，将仪器送到计量部门按检定规程检定时，才发现方向性响 应不合格(这一项的不合格率最高)或者零点不合格，给测量结果带来严重的影响。

光电总日射表由于具有结构简单、价格便宜的优势，也受到一些用户的青睐。但对照表2的各项指标，光电总日射表在光谱选择性上达不到要求。所以，它不符合二等[工作]表的要求，这一点从图3可以更清楚地看到。正常的热电型辐射表其光谱响应较平直，没有明显的光谱选择性；而硅光电池的光谱响应具有相当的选择性。首先，它对不同光谱的响应不同，在一日之内，随着太阳高度以及随之而来的大气质量的不断变化，太阳光谱也有较明显的改变；其次，它未能包括0.3～3.0µm的谱段。但是，有些工程人员认为，他们要求并不高，这就另当别论了。

图3 太阳辐射的各种谱段和各种相关器件的光谱响应曲线

[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，总辐射表检定规程[S].