典型天氣下太陽直接輻照的環日比參量時變特性研究

蘇 營，牛一森，王 乾，鄒良林，鄒祖冰，顏子璇，宋記鋒

（1.中國長江三峽集團有限公司 科學技術研究院，北京 100038；2.華北電力大學 新能源學院，北京102206；3.華北電力大學 新能源電力系統國家重點實驗室，北京 102206）

0 引言

太陽能熱發電是一種大規模太陽能利用方式。大型太陽能熱發電站利用大面積的光學系統聚焦陽光，用于加熱工質，產生高溫高壓水蒸氣，推動汽輪機發電[1]。常見的聚光光熱發電裝置主要有拋物槽式、塔式、菲涅爾式和蝶式4種。目前，槽式與塔式系統是最主要的兩種，也是商業化規模最大的兩種技術形式[2]。槽式光熱電站利用拋物槽面鏡聚焦陽光，將聚焦能流投射到集熱管，使工質加熱到400℃。塔式光熱電站利用定日鏡場聚焦陽光，聚焦能流投射到吸熱器上，可將工質加熱到600℃以上。在太陽能熱發電的研究中，聚光能流密度分布非常重要，其對吸熱器的溫度場、工質流場具有決定性作用。

太陽能光熱電站的聚焦能流分析中，太陽直接輻照是最重要的參數之一。太陽直接輻照來自日面，其視場角僅0.53°，這部分輻照可以被聚焦到吸熱器上。在實際應用中，太陽直接輻照的測量是由視場角5°的儀表測定，除日面輻照外，還包含了日面周圍的散射輻射，即環日輻射。由于吸熱器的尺寸限制，大部分的環日輻射無法吸收，環日輻射占儀表數值的比例稱為環日比（Circumsolar Ratio，CSR）。在計算光熱電站的效率分析時，需要精確的CSR數據，以便將儀表測量結果中的環日輻射濾除。在以往的光熱電站聚焦能流分析、吸熱器效率研究中，經常忽略環日輻射[3]～[6]或認為CSR是一個常值[7]，[8]，但實際上CSR是一個動態的數值，其變化對光熱系統的光學效率產生的影響可達20%[9]。

CSR本質是太陽光在進入地球大氣層時發生的前向散射效應，主要由霧霾和太陽光穿越的大氣層厚度決定。太陽光穿越地球大氣層時，霧霾會導致入射光產生Mie散射，形成強烈的前向散射，是環日輻射的主要成因。太陽光穿越地球大氣層的等效厚度與垂直入射時的等效厚度的比值為大 氣 質 量（Air Mass，AM），一 天 內 會 經 歷 從 大 到小，再到大的變化。AM的變化也會對太陽前向散射效應造成明顯的影響。

掌握CSR的時變特性和日內變化趨勢對光熱電站的聚光效率研究具有重要的參考意義，采用符合實際情況的CSR數據能夠降低光熱電站聚光分析結果的誤差，有助于提高光熱電站出力預報精度。然而，少有對CSR的實測研究，美國伯克利大學統計了美國20a的CSR觀測數據，建立了Reduced database數據庫，并擬合了太陽亮度模型，利用CSR參量表達環日輻照分布[10]。德國宇航中心在德國建立觀測點，收集了大量CSR數據進行分析[11]。文獻[12]針對氣溶膠對CSR的影響進行了討論。文獻[13]對大氣混濁度高的地區進行了CSR的測量和分析，發現該地區CSR偏高。但是，對于實測CSR的時變特性、動態特性的細節特征研究還十分缺乏，CSR與AM、太陽直接輻 照（Direct Normal Irradiance，DNI）的 關 系 也 未有針對性報道。

本文搭建了CSR觀測系統，利用雙視野輻射表方法[14]進行了多種典型氣象下CSR的不間斷測量，旨在獲得CSR的變化趨勢和時變特性，為光熱電站的聚焦能流密度分析提供支持。

1 實驗系統

1.1 CSR與AM定義

由于前向散射的緣故，太陽盤面和周圈區域的亮度呈現強烈的非線性分布。太陽盤面輻射的角度范圍等于太陽張角，即0.53°（-4.65～4.65 mrad）。太陽直射范圍與太陽直射測量儀表有關，目前，工程上應用的直射輻射表視野范圍為5°，所以本文研究中采集和討論的太陽直射角度范圍為5°（-46.3～46.3mrad）。環 日 輻 射 區 域 為 太 陽 圓盤邊界到太陽直射邊界范圍之間的區域，即角度范 圍 是 以 太 陽 為 中 心±（0.265°，2.5°）之 內 的 環 形區域。來自環日輻射區域的輻射稱為環日輻射，環日輻射本質上是散射輻射。CSR通常被用來衡量環日輻射的大小，其定義為環日輻射強度（ICS）與DNI（Ii）的 比 值，表 達 式 為[10]

從太陽中心沿半徑方向的亮度分布曲線稱為太陽亮度分布曲線。文獻[10]通過對大量太陽亮度分布數據擬合，提出了一種歸一化的太陽亮度模型，其表達式為

其中：

式中：φ（θ）為太陽亮度模型；θ為距離太陽中心的弧度；γ為對數坐標系中太陽亮度模型的斜率；κ為對數坐標系中太陽亮度模型在縱坐標的截距。該方程無量綱，以太陽盤面中心的亮度為1，向外逐漸降低。該模型亮度分布的不同只取決于CSR，該模型在太陽盤面的亮度分布考慮了恒星臨邊昏暗效應，在環日區域的亮度分布考慮了地球大氣衰減與散射效應，與實際較吻合。

太陽高度角變化時，太陽光穿越大氣層到達地面的行程會發生變化，對CSR會產生相應的影響。AM=0指在大氣層外接收太陽光的情況，太陽光垂直入射大氣層時AM=1，當太陽高度角 α為48.2°時AM=1.5。AM與α負相關，二者的關系式為[15]

1.2 CSR測量方法

本文研究測量CSR的方式為雙視野輻照測量法，具體為測量不同視野范圍（3°，5°）的太陽直射強度，利用太陽亮度模型進行計算處理，得到CSR。兩個視野的太陽直接輻照強度的比率與CSR之間存在一一對應的關系。

規定角度范圍的輻射量為輻照分布函數在該立體角度范圍上的積分。這個積分基于兩個假設：①太陽亮度分布是輻射對稱的[16]，在大部分時間內（太陽高度角大于10°）這個假設以很高的精度成立；②輻照強度和光照強度成正比，即亮度可以反映輻照強度，則可用太陽亮度模型代替輻照分布函數計算理論輻射量Iδ[10]。

式中：δ為接收太陽輻射的弧度范圍。

計算得到的輻射量I是無量綱數，再通過與實測值對比反演獲取CSR，方法如下：在CSR=0～1遍 歷①～③過 程，①根 據 式（2）～（4）計 算 該CSR下 的 太 陽 亮 度 分 布 模 型 φ（θ）；②由 式（6）計 算 出3°和5°視 野 范 圍 內 的 太 陽 輻 射 量Iδ1，Iδ2；③計 算無 量 綱 數Iδ1，Iδ2的 比 值 和 實 際 測 量 值Iδ1測，Iδ2測的比值的差值 Δ，Δ越小，則計算值與測量值越相似，遍歷結束后，Δ最小時對應的CSR為該時刻的實際CSR。

1.3 實驗系統

圖1 為本文研究開發的雙視野輻照法CSR測量系統。

圖1 CSR測量實驗系統Fig.1 CSR measurement system

不同視野范圍的直接輻射表（視野范圍分別為3°，5°，型號為KippZonen SHP1直接輻射表）和四象限傳感器搭載在高精度太陽跟蹤雙軸平臺上。該系統包含的參數如表1所示。

表1 設備及傳感器參數Table1 Parameters of instruments and sensor

輻射表視野的限制由限光筒實現，限光筒內部放置了多個光闌，梯度放置的光闌組合能夠有效抑制雜散光。光闌會造成輻射表接受太陽光的角度攔截效應，即對不同角度入射的光線有不同的攔截效率，本文使用輻射接收函數F（β）量化攔截效率，其定義為平行光以入射角β入射到限光筒時，限光筒出射端接收器的受光面積與接收器面積的比值。

本文對光闌的攔截效應進行了光線追跡仿真，得出本文設備中3°與5°兩個限光筒的輻射接收函數，如圖2所示。

圖2 不同入射角下輻射接收函數Fig.2 Radiation reception function at different incident angles

同時為了保證測量精度，兩個輻照表應當具有良好的一致性。兩個輻射表的一致性實驗結果如圖3所示。由圖3可知，兩個輻照表的數值高度吻合，差異率小于1%，一致性良好。

圖3 雙輻射表一致性校驗Fig.3 Pyrheliometers consistency experiment

由于采用的直射輻射表測量視野小，出現輕微的跟蹤誤差就會對測量產生很大影響，所以本文使用了高精度雙軸跟蹤器。該跟蹤器采用雙重反饋控制、天文算法和編碼器反饋進行粗跟蹤，利用四象限傳感器反饋進行精細跟蹤，系統跟蹤精度優于0.05°。

2 實驗數據分析

測 量 地 點 為 北 京（38°52′N，115°29′E，海 拔24m），測量時間為2020年，數據中CSR和DNI是測量值，太陽高度角和AM由高精度太陽算法和 式（5）計 算 所 得。

2.1 典型天氣下DNI與CSR的日變化

從測量數據中分別挑選晴天、霧霾、多云這3種典型天氣類型，分析北京地區在這些天氣下DNI，CSR的日平均變化情況。圖4為晴天、霧霾和多云天氣下的CSR和DNI日變化對比曲線。

圖4 不同天氣下的DNI和CSR特征Fig.4 DNI and CSR characteristics under different weather conditions

陰天、雨雪天氣下雙軸平臺無法精確定位太陽，同時，該天氣條件下直接輻照弱（＜50W/m2），對太陽能電站不具參考意義，所以圖中未展示陰天及雨雪天氣的CSR曲線。

圖5為2020年6月15日的太陽高度角和AM的變化。因為高度角與AM一天中的變化趨勢相似，且與天氣無關，所以只展示其一天的變化。由圖4，5可知，晴天時，DNI呈現早晚低、中午高 的 趨 勢，11：00-14：00達 到 峰 值，DNI最 大 值 為937W/m2。與DNI曲線相反，CSR呈現明顯的“浴盆”曲線，即早晨和傍晚高中午低，且中午CSR變化較小。這是因為，早晚時刻太陽高度角偏低，太陽光到達地面前穿越的大氣等效厚度大，即AM較大，前向散射效應強，CSR偏大。隨著太陽高度角的變大，太陽光穿越的等效大氣層厚度較小，即AM較小，前向散射效應弱，CSR隨之偏低。整體上，晴朗天氣下中午DNI和CSR曲線相對平滑，但CSR仍在一天之內會發生數倍變化，可以從中午的0.1變化到日落時分的0.3。

圖5 太陽高度角和AM日特征Fig.5 Solar altitude and AM characteristics during a day

與晴天相比，霧霾天氣的DNI和CSR變化趨勢相同，但是由于大氣中的水汽及其他微粒成分含量的增加，太陽輻射穿過大氣層時受到了更加嚴重的吸收和散射，DNI總體比晴天時低，最大值為788W/m2，同時CSR增加，總體比晴天時高，最小值為0.2。在CSR偏大的情況下，對聚光熱發電站的光熱效率分析時，應當將DNI中的散射部分濾除，否則會導致明顯的計算偏差。

云層對太陽輻射有較大的吸收和散射作用，所以在多云天氣下，DNI和CSR變化的總體趨勢與晴天時相同，但會出現較大的波動。當出現少量的薄層云團時，CSR短時間會發生劇烈的波動。對于太陽聚光熱發電站，CSR劇烈波動會導致吸熱器接收到的聚光能流功率和密度分布出現同步的劇烈波動。一天中DNI最大值出現在未被云層遮擋的中午，達到934W/m2，同時，CSR達到最小值0.11。被云層遮擋時，DNI明顯下降，CSR明顯上升，被厚云層遮擋時，DNI下降到0，此時，CSR無法測量，認為是1。雖然云層的影響具有強烈的時變特性，其尺寸、形狀會不停變化，但是在15 min的尺度上，云層的形狀變化不大，可以通過對云層的路徑進行分析，從而實現對CSR，DNI的超短期波動預報。

2.2 DNI與CSR季節變化特征

本文將采集到的數據按照季節劃分，圖6～8分別為北京地區2020年4個典型日（春季，4月4日；夏季，7月15日；秋季，10月2日；冬季，1月18日）的DNI，CSR和AM日變化曲線。

圖6 DNI的季節特征Fig.6 DNI characteristics in different seasons

圖7 CSR的季節特征Fig.7 CSR characteristics in different seasons

圖8 AM的季節特征Fig.8 AM characteristics in different seasons

由圖6～8可知，DNI在夏季最大，冬季最小，春季和秋季相近，春、夏、秋、冬4個典型日DNI最 大 值 分 別 為890，937，888，833W/m2；4個 典 型日CSR最 小 值 分 別 為0.14，0.11，0.13，0.18，CSR均 值 分 別 為0.19，0.14，0.2，0.26。相 同 時 刻，太 陽高度角在夏季最高，冬季最低，春季與秋季相近，此時，太陽輻射穿過大氣層的路程（即AM）在夏季最小，冬季最大。隨著AM的變化，可以看到，DNI和CSR也呈現出相應的變化趨勢。太陽聚光熱發電站在冬季DNI偏低、CSR偏大的共同作用下，其出力和光學效率都大幅降低。

2.3 CSR-AM-DNI內在關聯

大量的實驗數據顯示，CSR，AM和DNI之間存在一定的關聯，特別是在霧霾環境下。圖9～11為受霧霾影響下CSR，AM和DNI三者的規律。

圖9 CSR-AM-DNI互動關系Fig.9 Relationship of CSR-AM-DNI

圖10 CSR-DNI互動關系Fig.10 Relationship of CSR-DNI

圖11 CSR-AM互動關系Fig.11 Relationship of CSR-AM

CSR的大小與空氣質量和AM有關，空氣質量差時，例如霧霾天氣，大氣中微粒及水汽濃度提高，加重了對太陽光的吸收和散射，DNI減小，環日輻射增加，CSR增大；天氣條件（空氣質量）相同時，AM增大，太陽光穿過大氣層的距離增加，同樣加重了大氣對太陽光的吸收和散射，CSR升高。所以CSR與DNI負相關，與AM正相關。北京本地的CSR大部分時間為0.05～0.3，CSR反映出當時的大氣散射程度，可以根據CSR數值判斷當天的霧霾情況。

3 結論

本文使用雙視野輻射表法測量收集了北京地區2020年4個典型日的DNI和CSR信息并進行了分析，發現CSR具有明顯的時變性，結論如下。

①不同天氣下CSR的變化：晴天時CSR呈現“浴盆曲線”，中午DNI最大，AM最大，CSR最小；霧霾天氣時大氣渾濁度高，所以與晴天時相比DNI低，CSR高；多云天氣下，當云團遮擋太陽時，CSR會出現劇烈的波動，具有分鐘級瞬態性。

②CSR的季節變化：春、夏、秋、冬4個典型日CSR均值的大小：冬季＞秋季≈春季＞夏季，與DNI的變化相反，這是因為相同時刻，AM在夏季最低，冬季最高，春季與秋季相近，太陽光受到的吸收和散射程度隨AM的增大而增大。CSR季節變化主要與AM有關。

③CSR與DNI負相關，與AM正相關。DNI，AM和CSR之間存在較為明顯的相關性，CSR可以反映出當日的霧霾情況，AM可以反映出當時的太陽位置，這意味著對DNI的預報算法可以將CSR和AM作為輸入參量，下一步繼續研究這個關系或有助于提高DNI預報的精度。