光电式日照计累积测量误差减小方法研究

杨海行，王凌云，王醒华

（长春理工大学 光电工程学院，吉林长春 130022）

光电式日照计累积测量误差减小方法研究

杨海行，王凌云，王醒华

（长春理工大学 光电工程学院，吉林长春 130022）

针对光电日照计累积测量误差大、标定周期长的问题，通过建立日照计总辐射、散射辐射与太阳辐照度位置关系及相应光电转换数学模型，推导出总辐射和散射辐射理论遮蔽系数，选取了相应的光电传感器并设计了光电转换电路，解决了日照计测量结果不稳定，标定过程调节困难且周期长、主观因素影响大等技术难题。进行了实验与测试，通过对大量测量结果分析，提出了一种基于时间和经纬度及实测结果进行修正的误差补偿新方法。实现了将现有光电式日照计月累计测量误差由原来11.06%提高到了2.21%，标定周期由20天以上缩短为5天以内，并消除了调试人员主观误差的影响，使大规模生产得以实现，具有广泛的实用性。

光电日照计；累积误差；标定周期；修正方法

气象上通常采用日照计观测日照时数，日照时数为太阳直接辐照度达到或超过120瓦/平方米的各段时间总和［1］，是所有地面观测台必须监测的项目，观测日照对于了解太阳直射辐射变化、监测气候状况、分析和预报未来天气、农业生产、太阳能开发、建筑规划与设计、环境监测等都有重要意义。

我国气象部门现多采用暗桶式日照计、直接辐照计测量日照时数，暗桶式日照计需要人工安装试纸，费时费力且精度不高，不能满足日照计的现阶段需求。直接辐照计具有高精度、智能化等特点，但由于价格昂贵，难于维护，无法大规模使用，多作为鉴定日照计的标准表。国外气象部门多采用荷兰Kippamp;Zonen公司的CSD3型光电日照计，精度较高，在欧洲等地多年的使用效果良好，由于国内的气候条件更加多变导致引进的CSD3型光电日照计测量效果不好，不能满足国家气象局提出的最大月测量误差±10%的要求，所以减小累积测量误差是光电式日照计能否大规模使用的关键。

1 光电式日照计的原理及现存问题

光电式日照计依据总辐射测量法原理，分别测量太阳总辐照度和太阳散射辐照度，通过计算总辐照度和散射辐照度的差值间接获得直接辐照度值，并对日照时数进行累加。二分天空式总辐射光电日照计结构如图1所示。

光电感应器件1在360度范围内接收辐射，光电感应器件2和光电感应器件3则以90度的角度间隔分别接收不同方向上的散射辐射。通过与标准太阳直接辐射表实时比较，调节散射辐射和总辐射的遮蔽系数［2］，光电感应器件1的输出即为总辐照度，光电感应器件2和3的输出较小值即为散射辐照度。

遮蔽系数的调节需要以符合国家标准的太阳直接辐射表为参考基准，在无遮挡的户外测试点进行人工标定，其大小与当地天气状况密切关联［3］。遮蔽系数的调试周期长，容易造成较大的主观误差，进而导致不同批次的产品不能保证一致性。

现阶段国内外光电日照计的月累计误差受天气状况影响，多云、阴雨天的测量误差很大［4］，由于我国幅员辽阔，气候多样，现有光电式日照计在国内的月累计误差不能满足国家气象局提出的±10%的要求。

2 遮蔽系数的推导及误差分析补偿

2.1 光电转换模型的构建

光电传感器将辐照度转换成电信号，大多采用输出线性度较好的硅光电池作为传感器。本文选用的欧光电子科技公司研发的BPW34硅光电池，能够把辐照度转换为电流输出，光电转换特性如图2所示。

图2 BPW34光电转换特性图

由图2（a）可知在950nm处转换关系为：

式中，Ira为输出电流，Ee为辐照度。

由图2（b）可知BPW34对不同波长的光响应特性不同，响应函数为S(λ)，在950nm处转换率达到峰值，结合式（1）并对相对光谱灵敏度曲线积分，可得BPW34对太阳光的光电转换特性如式（2）所示。

BPW34的处理电路将输出的光电流转换为与辐照度（W/m2）相对应的电压值（mν）输出。处理电路如图3所示。

图3 光电处理电路图

其中，J1为总辐射输传感器出电流，J3、J5分别为两个散射传感器的输出电流。R31、R32、R33即遮蔽系数，结合式（2）光电转换电路的理想输出如式（3）所示。

总辐射传感器放在全开窗口中，接收太阳的总辐射，散射传感器放置于交错排列的窗口中，保证任意时刻太阳直接辐射只能照射到其中的一个，输出较小的即为散射辐射［5］，工作示意图如图4所示。

图4 日照计工作示意图

其中，h为太阳的入射光线与地平面的夹角即太阳高度角，β为太阳高度角的余角。由于光电传感器件的方向特性不满足余弦关系，通过添加余弦校正器来修正传感器的方向特性［6］，本文中余弦校正器采用聚四氟乙烯材料加工而成。

散射接收器件接收来自空气和大地对太阳光的散射，近似为0-90°方向都有入射光线，采用积分法对入射光方向进行等效平均，散射接收器件的方向特性系数η如式（4）所示。

总辐射接收器件接收太阳散射辐射和直接辐射，接收散射辐射的方向特性系数如式（4）所示为0.63。太阳直接辐射的入射角度与太阳高度角近似互为余角，太阳高度角与太阳时角和赤纬有关，赤纬角以年为周期，在+23°26′与-23°26′的范围内移动，成为季节的标志。季节更替影响测试地点正午太阳高度角的大小，以测试地点天津东经117°，北纬40°为例，在赤纬角为-23°26′时太阳高度角最小为27°，在赤纬角为+23°26′时太阳高度角最大为72°。即总辐射接收器件接收的太阳直接辐射入射角是变化值，受时间、季节影响。采用最大和最小值求平均值的方法来近似等效接收直接辐射的方向特性系数α，如式（5）所示。

参考中国太阳直射比的年分布数据可知太阳直射比为0.522［7］，对直接辐射和散射辐射加权后的总辐射接收器件的方向特性系数γ，如式（6）所示。

考虑接受传感器的方向特性，光电转换电路输出如式（7）所示。

选取R31为50Ω，R32、R33为40Ω能使式（7）永远成立，实际测试中只需进行微调即可得出满意的遮蔽系数值，将调节时间由20天缩短为5天，显著的加快了调试周期。

2.2 光电式日照计测量误差分析及补偿方法研究

由于日照计的摆放位置，吸光漆的均匀程度，余弦校正器的粗糙度，都会影响日照计的测量精度，且没有规律可寻［8］，很难固定参数的进行修正。光电传感器的灵敏度变化导致的测量误差可通过在夜里的测量值进行固定参数修正。

分析大量实测数据发现在不同天气情况下日照计的输出在中午附近会有明显的衰减，由于晴天正午直接辐照度很高，衰减不会影响日照时数的累积，但是在多云、阴天情况下，辐照度的衰减会造成较大误差，光电式日照计的吸光漆材料问题导致误差普遍存在。接收窗内附有吸光漆涂层，减少接收窗内反射造成的误差，可是由于吸光漆的吸光率不能达到100%，在户外测试过程中由于暴晒导致的吸光漆的老化吸光率还会逐渐的降低，通常会有25%的反射率。在当地时间正午前后，太阳直射在窗内壁会形成反射，导致接收到的散射辐照度增大，输出的直接辐照度就会减小，且衰减伴有明显的时间分布规律。在正午时刻下降最多，上下午对称衰减，成直线趋势。基于时间、经纬度、实测结果的修正方法能够有效解决问题。

对测量结果及日照计的结构分析可知衰减开始在当地时间九点前后，连续20分钟衰减幅度达到20W/m2，认为开始进入衰减，此时太阳高度角的正弦为sinhST，时间为TST，太阳直接辐照度为EST，衰减过程近似为一条直线，太阳高度角最大时衰减达到最大，如式（8）所示，太阳高度角最大时间为TMAX。

基于时间和经纬度的上午误差修正模型如式（9）所示。

上下午满足对称关系，下午修正模型如（10）所示。

通过嵌入式芯片的浮点运算单元，加载修正函数对测量结果进行修正，修正前后4种天气对比结果如图5所示。

图5 测试及修正结果图

四种天气下光电日照计测得辐照度都在正午前后出现对称衰减，但是衰减程度与实际天气情况相关，在加载基于时间、经纬度、测量结果的修正函数后，有效解决了这一问题。

3 测试验证

直接辐射表能够自动跟踪太阳位置，通过导热感应面和温差电堆测定太阳辐照度进而计算日照时数，中国气象局研制的TBS-2-B型工作级标准直接辐射表，不确定度为1%，达到世界气象组织（WMO）仪器和观测方法委员会（CIMO）有关工作标准直接辐射表的要求［9］，可作为检定光电式日照计的标准表。在天津中环天仪有限公司气象仪器测试平台为期一个月的初步测试中，以修正前后每日测得的日照时数与标准直接辐射表测得的日照时数的比值来观察光电式日照计测量结果稳定度，2016年10月综合修正前后对比如图6所示。

图6 综合修正前后测量结果对比图

表1 10月日照时数测量数据（a）上半月测量数据

（b）下半月测量数据

由图6可知修正后测得日照时数与标准表日照时数比值更加贴近于1，且波动减小，即测量结果更加稳定。10月日照时数测量数据如表1所示，表a为上半月测量数据，表b为下半月测量数据。标准表的月累计日照时数为9143分钟，修正前测得的月累计日照时数为8131分钟，修正后日照时数累计值为8941分钟，修正后将月累计误差由-11.06%提高到-2.21%，大幅度提高了日照计的测量精度。

4 结论

本文通过建立辐照度与电压信号的数学模型进而推导出遮蔽系数的值，将调节时间由20天以上缩短为5天以内，并且消除了调试人员的主观误差，解决了不同批次产品不能保证一致性的问题，使大规模生产得以实现，具有广泛的实用性。提出的基于当地时间、经纬度、实测结果的修正方法解决了日照计正午前后测量值衰减问题，将月累计误差由-11.06%提高到-2.21%，大幅度提高测量精度，满足了气象局的精度要求。

［1］WMO.气象仪器与观测方法指南［M］.北京：气象出版社，2008：24-30.

［2］江苏省无线电科学研究所有限公司.高精度日照传感器及其测量方法：中国，103257374［P］.2013-08-21.

［3］吕文华，边泽强，曾涛.光电型总辐射表校准方法研究［J］.电子测量技术，2012，35（5）：1-2.

［4］吕文华.净全辐射表校准结果的不确定度分析［J］.电子测量技术，2008，31（2）：87-90.

［5］Shuvankar Podder，Md.Minarul Islam.Solar radiation estimation from the measurement of sunshine hours over southern coastal region，Bangladesh［J］.International Journal of Sustainable and Green Energy，2015，4（2）：47-53.

［6］Ohunakin O S，Adaramola M S，Oyewola O M，et al.Correlations for estimating solar radiation using sunshine hours and temperature measurement in Osogbo，Osun State，Nigeria［J］.Energy，2013，7（2）：214-222.

［7］赵东.中国太阳能长期变化及计算方法研究［D］.南京：南京信息工程大学，2009.

［8］Miguel DE A，Bilbao J，Aguiar R，et al.Diffuse solar irradiation model evaluationin the North Mediterranean Belt area［J］.Solar Energy，2001，70，（2）：143-153.

［9］吕文华，边泽强，崇伟，等.直接辐射表性能测试研究［J］.仪器仪表学报，2013，34（增12）：19-24.

Research on Improving the Measurement Accuracy of Photoelectric Sunshine Meter

YANG Haihang，WANG Lingyun，WANG Xinghua
（School of Optoelectronic Engineering，Changchun University of Science and Technology，Changchun 130022）

Aiming at the problem of large measurement error and long calibration period for photoelectric sunshine，the shielding coefficient of total radiation and scattering radiation is deduced by establishing the relationship between total radiation，scattered radiation and solar irradiance position and corresponding photoelectric conversion mathematical model.The corresponding photoelectric sensor and the design of its photoelectric conversion circuit to solve the sunshine measurement results are unstable，calibration process adjustment difficult and long cycle，subjective factors such as large technical problems.A new method of error compensation based on time and latitude and longitude and measured results is proposed by analyzing and testing a large number of measurement results.The cumulative measurement error of the existing photoelectric sunshine month is increased from 11.06%to 2.21%，the calibration period is reduced from 20 days to 5 days，and the influence of the subjective error of the debugging personnel is eliminated，and the large-scale production can be realized，with a wide range of practicality.

photoelectric sunshine；cumulative error；calibration cycle；correction method

TN98

A

1672-9870（2017）05-0025-04

2017-09-15

杨海行（1992-），男，硕士研究生，E-mail：1184512389@qq.com

王凌云（1977-），女，博士，教授，E-mail：wlywly8888@126.com