提高光電式日照計(jì)測(cè)量精度方法的研究

崔賀，王凌云，鄭茹，邊志強(qiáng)

（1.長春理工大學(xué) 光電工程學(xué)院，長春 130022；2.上海衛(wèi)星工程研究所，上海 200240）

日照時(shí)數(shù)是地面氣象臺(tái)站觀測(cè)的基本項(xiàng)目，是指在無任何遮蔽條件下太陽照射一個(gè)固定位置每日實(shí)際照射的時(shí)數(shù)，WMO定義日照時(shí)數(shù)為太陽直接輻照度達(dá)到或超過120w/m2時(shí)間的總和［1］，日照條件和日照時(shí)數(shù)對(duì)于太陽能利用、監(jiān)測(cè)地球氣候變化、預(yù)報(bào)中長期天氣、指導(dǎo)農(nóng)業(yè)生產(chǎn)和建筑節(jié)能等具有重要意義［2］。

傳統(tǒng)的暗筒式日照計(jì)需要人工更換試紙，測(cè)量精度受人主觀影響較大，測(cè)量結(jié)果精度低。太陽直接輻照表準(zhǔn)確度高，但由于太陽自動(dòng)跟蹤裝置造價(jià)高昂，且跟蹤裝置全天候跟蹤存在累計(jì)誤差，機(jī)械結(jié)構(gòu)易磨損，不適宜大規(guī)模推廣使用［3］?？傒椛涔怆娛饺照沼?jì)與太陽直射輻照表相比具有不需要太陽跟蹤裝置，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，易于維護(hù)，高性價(jià)比等優(yōu)勢(shì)，與暗筒式日照計(jì)相比更加智能化，因此可以大規(guī)模推廣使用。同一地點(diǎn)由于太陽與日照計(jì)相對(duì)位置會(huì)隨著季節(jié)變化而改變，想要長時(shí)間獲取高精度的日照時(shí)數(shù)信息就要修正因季節(jié)變化所產(chǎn)生的周期性誤差，本文通過時(shí)間、地理位置得到光入射到日照計(jì)的角度信息并對(duì)太陽輻照度修正，提出一種根據(jù)太陽高度角對(duì)日照計(jì)進(jìn)行誤差修正的方法。

1 光電式日照計(jì)工作原理和余弦特性

1.1 光電式日照計(jì)工作原理

總輻射光電式日照計(jì)采用二分天穹法的遮光方案，其結(jié)構(gòu)如圖1所示，光電式日照計(jì)由光電感應(yīng)器件、光筒和數(shù)據(jù)處理模塊組成［4］，選用三個(gè)光譜范圍350～1100nm的BPW34光電感應(yīng)器件，其光譜特性和角度特性一致，將其安裝在光筒內(nèi)，其中光電感應(yīng)器件1用于測(cè)量太陽總輻射，光電感應(yīng)器件2和3由于遮光罩特殊的全分天空方式不會(huì)同時(shí)暴露在陽光下，實(shí)現(xiàn)測(cè)量太陽東、西半天空散射輻射，取光電感應(yīng)器件2和3中最小的輻照度作為散射輻射，做總輻射與散射輻射的差值，當(dāng)總輻射與散射輻射的差值大于或等于120w/m2時(shí)開始記錄日照時(shí)數(shù)。

圖1 總輻射式日照計(jì)結(jié)構(gòu)圖

1.2 光電式日照計(jì)的余弦特性

余弦響應(yīng)特性是影響日照觀測(cè)精度的重要因素，余弦響應(yīng)特性本質(zhì)上是指探測(cè)器所接收到不同太陽入射角下的電信號(hào)數(shù)值與光入射角符合余弦定律［5］。由于探測(cè)器表面在大角度入射光照射下菲涅爾反射現(xiàn)象嚴(yán)重，因此需要在探測(cè)器表面添加能夠有效修正大角度入射光的余弦校正器，采用Tracepro軟件對(duì)余弦校正器進(jìn)行建模和仿真，選取三個(gè)入射角度的Tracepro仿真圖如圖3所示，仿真數(shù)據(jù)如表1所示。

圖2 多角度光入射仿真圖

表1 不同角度光入射到余弦校正器仿真結(jié)果

同等輻照度不同光入射角入射到探測(cè)器接收到的輻照度不同，30°入射誤差約為14.3%，60°入射誤差約為51.2%，加裝余弦校正器后探測(cè)器接收的輻照度符合余弦定律。在面積為D的輻射光垂直照射的接收器表面時(shí)，接收面產(chǎn)生輻照度E，輻射光以入射角θ入射到面積為D接收器表面，此時(shí)接收器面的產(chǎn)生輻照度為E′，以θ角度入射的太陽直接輻射E′與入射光垂直照射接收器表面的直接輻射E的關(guān)系為：

式中，ρ為余弦校正器能量損耗率，與探測(cè)器表面積、余弦校正器發(fā)光面積和探測(cè)器與余弦校正器之間的距離有關(guān)，HA為太陽高度角與入射角θ互余，和測(cè)量的地點(diǎn)和時(shí)間有關(guān)。

總輻射光電式日照計(jì)采用的余弦校正器能夠使傳感器所接收的能量最大程度的滿足余弦定律［6］，實(shí)際測(cè)量中，日照計(jì)的接收面為圓對(duì)稱結(jié)構(gòu)，若日照計(jì)位置不變，隨著季節(jié)的變化光入射到日照計(jì)的角度會(huì)發(fā)生周期性的變化，該變化滿足余弦特性，光電器件所接收到的輻射信號(hào)也滿足余弦響應(yīng)關(guān)系，太陽高度角的改變會(huì)影響探測(cè)器所接收太陽輻照度，太陽高度角與調(diào)試時(shí)的高度角差值越大，探測(cè)器所能接收到的太陽輻照度越小，所以減小因余弦響應(yīng)特性產(chǎn)生的誤差，能更準(zhǔn)確的測(cè)量直接太陽輻照度。

2 光電式日照計(jì)的余弦校正

太陽高度角對(duì)日照計(jì)所測(cè)量的太陽輻照強(qiáng)度有很大的影響，地球環(huán)繞太陽公轉(zhuǎn)的軌道是橢圓形的，相同地理位置的太陽在天空中的位置隨時(shí)間的改變而不同［7］，對(duì)于太陽的位置信息，可以使用當(dāng)?shù)氐木暥群蜁r(shí)間來計(jì)算太陽的高度角，從而獲取光電式日照計(jì)的光入射角度。

2.1 太陽高度角對(duì)余弦校正的影響

太陽赤緯角DE表示的是太陽和地心的連線與赤道平面的夾角，其公式為：

式中，n為一年中的每一天在一年內(nèi)的順序號(hào)，稱之為年積日，如平年的12月31號(hào)，n的值為365，閏年的12月31號(hào)，n的值為366。

太陽時(shí)角T0表示的是太陽所在地時(shí)圈和通過正南方時(shí)圈之間的夾角：式中，TT為當(dāng)?shù)卣嫣枙r(shí)，單位為h，實(shí)際上地球以橢圓形的軌跡繞日運(yùn)行，因此地球的自轉(zhuǎn)以及對(duì)應(yīng)的時(shí)間是不均勻的。

將太陽赤緯角DE和時(shí)角T0帶入得太陽高度角HA：

式中，φ為當(dāng)?shù)鼐暥龋籇E為太陽赤緯；T0為太陽時(shí)角，確定了觀測(cè)地點(diǎn)的太陽時(shí)角T0，當(dāng)?shù)鼐暥圈眨柍嗑旸E，就能得到該點(diǎn)的太陽高度角，從而獲取光入射到日照計(jì)的角度信息，為太陽輻照度值數(shù)據(jù)修正提供理論支撐。由南到北選取?？?、天津、長春三個(gè)地區(qū)，一年內(nèi)正午太陽高度角變化范圍分別為46°51′～90°、27°91′～ 74°50′、22°51 ～69°43′，同時(shí)間不同地區(qū)或同地區(qū)不同時(shí)間的太陽高度角及變化速率均不同，因此需在實(shí)際測(cè)量中根據(jù)時(shí)間位置信息修正太陽高度角變化所引起探測(cè)器余弦響應(yīng)的影響。

2.2 日照計(jì)誤差修正方法

太陽高度角、赤緯、太陽時(shí)角之間的關(guān)系由公式（4）可知，相同地點(diǎn)不同時(shí)間太陽高度角的變化程度是不同的，相同時(shí)間不同地點(diǎn)太陽高度角變化程度也不同。單片機(jī)通過軟件算法根據(jù)地理位置和時(shí)間計(jì)算出太陽高度角，進(jìn)而對(duì)日照計(jì)所接收到的輻照度進(jìn)行修正，長春地區(qū)太陽位置變化如圖3所示，6月太陽高度角為67.75°，12月太陽高度角為22.64°，高度角變化45.11°，由余弦響應(yīng)特性引起的太陽輻照度誤差約為29%，長春地區(qū)6月太陽高度角為69.2°，?？?月太陽高度角為88.2°，高度角變化19°，由余弦響應(yīng)特性引起的太陽輻照度誤差約為7%，因此需要通過太陽高度角修正余弦響應(yīng)特性引入的誤差。

圖3 太陽位置變化

理想情況下光電式日照計(jì)正南方向擺放，太陽光垂直入射日照計(jì)，這樣才能獲取準(zhǔn)確的輻射度值，但太陽的入射角隨時(shí)間的推移而改變，若要測(cè)得精確的太陽輻照度，日照計(jì)應(yīng)隨太陽高度角變化定期調(diào)整俯仰角度，但由于此方法調(diào)試過程繁雜，不適宜大規(guī)模使用，因此可以在不改變?nèi)照沼?jì)方位俯仰的情況下可以使用軟件將傳感器采集到的數(shù)據(jù)通過時(shí)間、地理信息計(jì)算出太陽高度角并進(jìn)行修正。光電式日照計(jì)是由3個(gè)能夠?qū)⑻栞椪斩绒D(zhuǎn)換為電流輸出的BPW34光電傳感器組成，BPW34光電轉(zhuǎn)換特性曲線如圖4所示。根據(jù)傳感器在950nm處光電流與輻照度的關(guān)系和光譜靈敏度與波長的關(guān)系能夠求出傳感器電流Ira與輻照度Ee的關(guān)系。

式中S(λ)是各波段光譜的靈敏度。

圖4 光電轉(zhuǎn)換特性

硬件處理電路將輻射光照射到探測(cè)器產(chǎn)生的微弱光電流信號(hào)Ira轉(zhuǎn)換放大成電壓信號(hào)V［8］，其設(shè)計(jì)硬件放大電路如圖5所示。

圖5 硬件放大電路圖

三個(gè)分別測(cè)量總輻射電壓和散射輻射電壓的傳感器硬件電路相同，電流Ira經(jīng)I/V轉(zhuǎn)換后得到的電壓信號(hào)放大10倍，由于光電感應(yīng)器件2和3分別測(cè)量半個(gè)天空的散射輻照度，因此測(cè)得的散射輻照度Output散應(yīng)乘以2以做補(bǔ)償，得到單片機(jī)能夠采集的總輻射輻照度電壓值Output總和散射輻照度Output散，總輻射輻照度減去散射輻照度得到直接輻照度Output直。輻照度每增加1w/m2產(chǎn)生2.4mV電壓，由式（6）直接輻照度Output直經(jīng)太陽高度角HA及預(yù)設(shè)太陽高度角HZ進(jìn)行余弦校正可得到真實(shí)的太陽輻照度E直。

式中，α和β分別是總輻射輻照度修正系數(shù)和散射輻照度遮蔽系數(shù)，不會(huì)影響余弦響應(yīng)情況，實(shí)際測(cè)試中只需要進(jìn)行微調(diào)即可得到滿意的修正系數(shù)［9］。

3 測(cè)試驗(yàn)證

2017年6-12月分別在長春和天津氣象儀器測(cè)試平臺(tái)，對(duì)修正前和修正后的日照計(jì)進(jìn)行測(cè)試。天津市測(cè)試地點(diǎn)位于于東經(jīng)117.20°、北緯39.12°，長春市測(cè)試地點(diǎn)位于東經(jīng)123.35°、北緯43.88°，將日照計(jì)朝南擺放，讓入射光垂直照射日照計(jì)，以此時(shí)的太陽高度角為基準(zhǔn)角HZ，將測(cè)量時(shí)太陽高度角HA與基準(zhǔn)角HZ做差得到余弦值，對(duì)日照計(jì)測(cè)得的輻照度進(jìn)行誤差修正。其測(cè)試場(chǎng)地如圖6所示。將日照計(jì)測(cè)得的太陽輻照度與標(biāo)準(zhǔn)直接輻照表做比較，天津、長春地區(qū)數(shù)據(jù)如表2、表3所示。

圖6 日照計(jì)實(shí)測(cè)圖

表2 天津日照時(shí)數(shù)測(cè)量

表3 長春日照時(shí)數(shù)測(cè)量

未修正太陽高度角的光電式日照計(jì)隨著太陽入射角的角度增大誤差也逐漸變大，修正后的直接輻照度更接近標(biāo)準(zhǔn)表所測(cè)值，即測(cè)量結(jié)果更加接近標(biāo)準(zhǔn)表。天津地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)表日照累計(jì)時(shí)數(shù)為1256.8小時(shí)，日照計(jì)修正前日照累計(jì)時(shí)數(shù)為1128.6小時(shí)，修正后日照累計(jì)時(shí)數(shù)為1186.1小時(shí)，日照計(jì)累計(jì)誤差由10.2%修正到5.6%；長春地區(qū)標(biāo)準(zhǔn)表日照累計(jì)時(shí)數(shù)為1510.9小時(shí)，日照計(jì)修正前日照累計(jì)時(shí)數(shù)為1342.5小時(shí)，修正后日照累計(jì)時(shí)數(shù)為1413.8小時(shí)，日照計(jì)累計(jì)誤差由11.2%修正到6.4%，在兩個(gè)不同地區(qū)，日照計(jì)測(cè)量精度均優(yōu)于7%。

4 結(jié)論

結(jié)合總輻射光電式日照計(jì)二分天穹結(jié)構(gòu)，提出一種根據(jù)太陽高度角變化對(duì)日照計(jì)采集太陽輻照度進(jìn)行誤差修正的方法。著重研究了太陽高度角與時(shí)間和地理位置的關(guān)系，對(duì)太陽高度角所造成的誤差進(jìn)行修正，提高了日照計(jì)測(cè)量太陽輻照度的精度，日照計(jì)半年累積誤差優(yōu)于7%，滿足氣象局對(duì)日照計(jì)測(cè)量精度要求。