太阳直接辐射计算.docx
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太阳直接辐射计算
太阳直接辐射计算导则
1范围
本标准给出了太阳直接辐射计算的基本原则，不同条件下的计算方法和适用范围，以及对计算结果的检验要求。
本标准适用于水平面直接辐射和法向直接辐射的计算。
2规范性引用文件
下列文件对于本文件的应用是必不可少的。
凡是注日期的引用文件，仅注日期的版本适用于本文件。
凡是不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本文件。
GB/T33698—2017太阳能资源测量直接辐射
GB/T34325—2017太阳能资源数据准确性评判方法
3术语和定义
下列术语和定义适用于本文件。
3.1
直接辐射directradiation
从日面及其周围一小立体角内发出的辐射。
[GB/T31163—2014，定义5.11]
注：
一般来说，直接辐射是由视场角约为5°的仪器测定的，而日面本身的视场角仅约为0.5°，因此，它包括日面周围的部分散射辐射，即环日辐射。
3.2
法向直接辐射directnormalradiation
与太阳光线垂直的平面上接收到的直接辐射。
注：
从数值上而言，直接辐射与法向直接辐射是相同的；两者的区别在于，直接辐射是从太阳出射的角度而定义，法向直接辐射则是从地表入射的角度而定义。
[GB/T31163—2014，定义5.12]
3.3
水平面直接辐射directhorizontalradiation
水平面上接收到的直接辐射。
[GB/T31163—2014，定义5.13]
3.4
散射辐射diffuseradiation；scatteringradiation
太阳辐射被空气分子、云和空气中的各种微粒分散成无方向性的、但不改变其单色组成的辐射。
[GB/T31163—2014，定义5.14]
3.5
[水平面]总辐射global[horizontal]radiation
水平面从上方2π立体角（半球）范围内接收到的直接辐射和散射辐射之和。
注：
改写GB/T31163—2014，定义5.15。
3.6
地外太阳辐射extraterrestrialsolarradiation
地球大气层外的太阳辐射。
[GB/T31163—2014，定义5.3]3.7
辐照度irradiance物体在单位时间、单位面积上接收到的辐射能。
注：
单位为瓦每平方米（W/m2）。
[GB/T31163—2014，定义6.3]
3.8
辐照量irradiation
曝辐量radianceexposure在给定时间段内辐照度的积分总量。
注1：
单位为兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦时每平方米（kWh/m2）。
注2：
1kWh/m2=3.6MJ/m2；1MJ/m2≈0.28kWh/m2。
注3：
改写GB/T31163—2014，定义6.5。
3.9
法向直接辐照度directnormalirradiance与太阳光线垂直的平面上单位时间、单位面积上接收到的直接辐射能。
注：
单位为瓦每平方米（W/m2）。
3.10
法向直接辐照量directnormalirradiation在给定时间段内法向直接辐照度的积分总量。
注：
单位为兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦时每平方米（kWh/m2）。
水平面上单位时间、单位面积上接收到的直接辐射能。
注：
单位为瓦每平方米（W/m2）。
3.12
水平面直接辐照量directhorizontalirradiation在给定时间段内水平面直接辐照度的积分总量。
注：
单位为兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦时每平方米（kWh/m2）。
3.13
[水平面]散射辐照度diffusehorizontalirradiance；scatteredhorizontalirradiance
水平面从上方2π立体角（半球）范围内单位时间、单位面积上接收到的散射辐射能。
注：
单位为瓦每平方米（W/m2）。
3.14
[水平面]散射辐照量diffusehorizontalirradiation；scatteredhorizontalirradiation在给定时间段内水平面散射辐照度的积分总量。
注：
单位为兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦时每平方米（kWh/m2）。
3.15
[水平面]总辐照度global[horizontal]irradiance
水平面从上方2π立体角（半球）范围内单位时间、单位面积上接收到的总辐射能。
注：
单位为瓦每平方米（W/m2）。
3.16
[水平面]总辐照量global[horizontal]irradiation在给定时间段内水平面总辐照度的积分总量。
注：
单位为兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦时每平方米（kWh/m2）。
3.17
地外法向太阳辐照度extraterrestrialnormalsolarirradiance
地球大气层外与太阳光线垂直的平面上单位时间、单位面积上接收到的太阳辐射能。
注：
单位为瓦每平方米（W/m2）。
3.18
地外法向太阳辐照量extraterrestrialnormalsolarirradiation
在给定时间段内地外法向太阳辐照度的积分总量。
注：
单位为兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦时每平方米（kWh/m2）。
3.19
地外水平面太阳辐照度extraterrestrialhorizontalsolarirradiance
地球大气层外水平面从上方2π立体角（半球）范围内单位时间、单位面积上接收到的太阳辐射能。
注：
单位为瓦每平方米（W/m2）。
3.20
地外水平面太阳辐照量extraterrestrialhorizontalsolarirradiation
在给定时间段内地外水平面太阳辐照度的积分总量。
注：
单位为兆焦每平方米（MJ/m2）或千瓦时每平方米（kWh/m2）。
3.21
日照时数sunshineduration
H
在一给定时间，太阳直接辐照度达到或超过120W/m2的各段时间总和。
注：
单位为小时（h）。
可照时数durationofpossiblesunshine
H0
在无任何遮蔽条件下，太阳中心从某地东方地平线到进入西方地平线，
时间。
注1：
可照时数完全决定于当地的地理纬度和日期。
注2：
可照时数的基本计量时间段为日，月和年的可照时数以日值进行累计，单位为小时（注3：
改写GB/T31163—2014，定义6.13。
3.23
日照百分率sunshinepercentage
s
日照时数占可照时数的百分比。
[GB/T31163—2014，定义6.14]
注：
以百分号（%）表示。
3.24
晴空指数clearnessindex
kT
总辐射与地外水平面太阳辐射的比值。
3.25
直散分离decomposedglobalradiationintodirecthorizontal
radiation
其光线照射到地面所经历的
h）
radiationanddiffuse
采用某种方法将总辐射分解为水平面直接辐射和散射辐射的过程。
太阳常数solarconstant
E0
大气层外日地平均距离处单位时间内通过与太阳辐射束垂直的单位平面上的太阳辐射通量。
注：
太阳常数并非严格的物理常数，世界气象组织1981年发布的太阳常数为1367W/m2±7W/m2，QX/T368—2016给出的太阳常数是1366.1W/m2。
3.27
透射比transmittance
面元透射的辐射通量与入射到面元的辐射通量之比。
[GB/T31163—2014，定义4.10]
4符号
下列符号适用于本文件。
DHI：
某时刻的瞬时水平面直接辐照度，单位为瓦每平方米（W/m2）。
DHI：
某一段时间的平均水平面直接辐照度，单位为瓦每平方米（W/m2）。
DHR：
某一段时间的水平面直接辐照量，单位为兆焦每平方米（MJ/m2）。
DIF：
某时刻的瞬时水平面散射辐照度，单位为瓦每平方米（W/m2）。
DIF：
某一段时间的平均水平面散射辐照度，单位为瓦每平方米（W/m2）。
DIFR：
某一段时间的水平面散射辐照量，单位为兆焦每平方米（MJ/m2）。
DNI：
某时刻的瞬时法向直接辐照度，单位为瓦每平方米（W/m2）。
DNI：
某一段时间的平均法向直接辐照度，单位为瓦每平方米（W/m2）。
DNR：
某一段时间的法向直接辐照量，单位为兆焦每平方米（MJ/m2）。
EDNI：
某时刻的地外法向太阳辐照度，单位为瓦每平方米（W/m2），计算方法参见附录A。
EDNR：
某一段时间的地外法向太阳辐照量，单位为兆焦每平方米（MJ/m2），计算方法参见附录
A。
EHI：
某时刻的瞬时地外水平面太阳辐照度，单位为瓦每平方米（W/m2），计算方法参见附录A。
EHR：
某一段时间的地外水平面太阳辐照量，单位为兆焦每平方米（MJ/m2），计算方法参见附
录A。
EHRd：
日地外水平面太阳辐照量，单位为兆焦每平方米（MJ/m2），计算方法参见附录A。
EHRh：
小时地外水平面太阳辐照量，单位为兆焦每平方米（MJ/m2），计算方法参见附录A。
GHI：
某时刻的瞬时水平面总辐照度，单位为瓦每平方米（W/m2）。
GHI：
某一段时间的平均水平面总辐照度，单位为瓦每平方米（W/m2）。
GHR：
某一段时间的水平面总辐照量，单位为兆焦每平方米（MJ/m2）。
MAE：
绝对误差。
MRE：
相对误差。
RMSE：
均方根误差。
R：
相关系数。
5计算方法
5.1基本原则
有法向直接辐射观测数据时，按照附录B中式（B.1）计算某一时刻的水平面直接辐照度。
在缺少
直接辐射实测数据时，根据应用需求和相关实测数据的情况，选择合适的计算方法，在满足需求的前提下，尽可能降低计算误差。
5.2具备太阳辐射实测数据时的计算方法
5.2.1具备总辐射和散射辐射实测数据时的计算方法
5.2.1.1基本思路
根据总辐射、散射辐射和水平面直接辐射之间的物理关系，计算水平面直接辐射和法向直接辐射。
5.2.1.2使用要求
只有在总辐射和散射辐射的实测数据具备分钟或小时值时，才能用于计算DNI和DNR；如果总辐射和散射辐射的实测数据仅有日值、月值或年值，只能用于计算DHI和DHR，不能用于计算DNI和DNR。
5.2.1.3DHI计算方法
DHIGHIDIF（.1）
DHIGHIDIF（.2）
5.2.1.4DNI计算方法
按照附录B计算DNI或DNI，其中DHI基于式
（1）计算得到，DHI基于式
（2）计算得到。
5.2.1.5DHR和DNR计算方法
按照附录B中式（B.2）计算DHR，其中DHI基于式
（1）计算得到，DHI基于式
（2）计算得到；按照附录B中式（B.3）计算DNR，其中DNI或DNI基于5.2.1.4计算得到。
5.2.2具备总辐射实测数据时的计算方法
5.2.2.1基本思路
将总辐射进行直散分离，得到散射辐射，进而计算水平面直接辐射和法向直接辐射。
5.2.2.2使用要求
式（4）仅适用于计算小时散射辐射，在此基础上可计算小时水平面直接辐射和小时法向直接辐射；对于日、月时间尺度的散射辐射，需另外建立经验关系（参见文献[6]），并在此基础上计算相应时间尺度的水平面直接辐射。
5.2.2.3DIF计算方法
由总辐射计算散射辐射，以晴空指数法为例。
DIFGHIfkT（.3）
式中：
kT——晴空指数，即总辐射与地外水平面太阳辐射的比值；
fkT——散射辐射与晴空指数的经验关系，对于小时平均的散射辐照度，宜采用式（4）中的方
法，且计算中GHI也应采用小时平均辐照度。
a1-a2kT0kT0.35
fkTa3-a4kT0.35kT0.75（.4）
a5kT0.75
式中：
a1-a5——经验系数，在参考文献[6]中的取值分别为1.0、0.249、1.557、1.84、0.177。
实际应用中，可根据周边有气候代表性的气象站的实测总辐射和散射辐射数据进行拟合确定。
此外，式（4）中的分段临界值0.35和0.75，亦属于经验取值，可根据当地的实际拟合方程进行调整。
5.2.2.4DHI和DNI、DHR和DNR计算方法
根据5.2.1的方法，计算DHI和DNI，以及DHR和DNR，其中GHI基于实测得到，DIF基于式（3）计算得到。
5.3不具备太阳辐射实测数据时的计算方法
5.3.1气候学统计方法
5.3.1.1基本思路
根据气候学原理，建立DHR和DNR与地面观测的相关气象要素的统计关系，获得水平面直接辐射和法向直接辐射。
5.3.1.2使用要求
气候学统计方法只适用于计算月或更长时间尺度的DHR和DNR，以及相应时段平均的DHI和
DNI。
公式（5）～（8），若用于计算月时间尺度的水平面直接辐照量和法向直接辐照量，则DHR、
DNR、EHR和EDNR均为月辐照量；若用于计算年时间尺度的水平面直接辐照量和法向直接辐照量，则DHR、DNR、EHR和EDNR均为年辐照量。
5.3.1.3DHR和DNR计算方法
DHREHRfs（.5）
DNRfDHR（.6）
式中：
fs——水平面直接辐射与日照百分率的经验关系，宜采用参考文献[2]中的方法，如式（7）所示；
fDHR——法向直接辐射与水平面直接辐射的经验关系，宜采用参考文献[2]中的方法，如式（8）所示。
2
fsa6sa7sa8（.7）
fDHRa9DHREHRa10EDNRa11（.8）
式中：
a6-a11
经验系数，可根据周边有气候代表性的气象站的实测直接辐射和日照百分率数据进行
拟合确定。
5.3.1.4DHI和DNI计算方法
根据附录B中式（B.2）和式（B.3），分别计算相应时段平均的DHI和DNI，其中DHR和DNR
基于5.3.1.3计算得到。
5.3.2物理反演方法
5.3.2.1基本思路
根据辐射传输原理，对大气层中影响直接辐射的因子分别建立参数化方程，逐步计算到达地表的法向直接辐射，进而计算水平面直接辐射。
5.3.2.2使用要求
适用于计算瞬时、分钟或小时平均的法向直接辐照度和水平面直接辐照度，以及相应时段的法向直接辐照量和水平面直接辐照量，对于日平均值（日总量）、月平均值（月总量）、年平均值（年总量），则只需将计算结果进行相应时段的平均（累加）即可。
5.3.2.3DNI计算方法
DNI的计算方法如式（9）所示。
DNIEDNIrOZgwac（9）
式中：
r——瑞利散射透射比；
OZ——臭氧吸收透射比；
混合气体和痕量气体吸收透射比；水汽吸收透射比；
气溶胶散射和吸收透射比；
c——云的散射和吸收透射比。
r、OZ、g、w、a、c的参数化方程可参考国外经典模型，如Iqbal模型、Bird模型、SMARTS模式等。
各参数化方程的输入数据，当地面气象观测数据无法满足需求时，通常采用卫星遥感数据。
5.3.2.4DHI计算方法
按照附录B中式（B.1）计算DHI，其中DNI基于式（9）计算得到。
5.3.2.5DHR和DNR计算方法
按照附录B中式（B.2）计算DHR，其中DHI基于5.3.2.4计算得到；按照式（B.3）计算DNR，其中DNI基于式（9）计算得到。
6计算结果检验
6.1原则和方法
按照GB/T34325—2017给出的原则和方法，对太阳直接辐射计算结果的准确性进行检验，给出误差分析结果。
6.2参照值要求
计算结果检验以实测数据为参照值，参照值应符合GB/T33698—2017的要求，且宜包含不同季节、不同天气状态的有效数据。
6.3检验数据要求
检验目标值与参考值之间应满足相同辐射要素、相同统计类型、相同时段和相近区域的要求。
6.4检验指标
评判计算结果准确性的指标包括绝对误差（MAE）、相对误差（MRE）、均方根误差（RMSE）、
相关系数（R），各指标的计算方法分别参见附录C中式（C.1）、式（C.2）、式（C.3）和式（C.4）。
相关系数计算时，数据样本量应不小于12，且相关系数应通过统计显著性检验。
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