WANG Hua - jun ,LI Shu - lan ,WANG Fang ( Energy Research Institute of Henan Academy of Science ,Zhengzhou 450008 ,China)
Abstract :Using polynomial model and interval model respectively ,the measured data ,which included monthly average solar diffuse radiation ( Id ) ,monthly average solar total radiation ( I) and clearness index ( Kt ) during the year of 1990 - 2000 ,was regressed and analyzed. Results showed that the relationship between IdΠI and Kt can be used to estimate monthly average solar diffuse radiation in several areas in China. The value of Kt usually is 0. 3 - 0. 8 for the cities within the latitude range of 30°- 40°,while the value of Kt can reach 0. 8 - 1. 0 for the cities in higher or lower lati2 tude. The IdΠI - Kt curve can provide the information on air quality of a city to some extent . Generally ,under the same other conditions ,the more good air quality of a city is ,the more obvious the linearity of regression curve is. Key words :solar energy ;monthly average solar diffuse radiation ;clearness index ;data estimation
均太阳总辐射量 I 对月平均太阳散射辐射量 Id 进行一定程度上 的估测 。需要指出的是 ,由于模型的限制 ,估计数据的误差有时会
比较大 ;而且分析还表明 ,一味地提高回归方程的阶数 (如 5 阶以
上) 并不能有效地改善方程的拟合程度 。因此 ,对于比较特殊或
严格的工程设计应用中 ,还应考虑其它一些模型 ,以提高数据估
第200242年卷5,总月第,第1235
期 期
《节 能 技 术 》 ENERGY CONSERVATION TECHNOLOGY
Vol . 22 ,Sum. No. 125 May12004 ,No. 3
估算不同地区月平均太阳散射辐射量数据的研究
王华军 ,李淑兰 ,王 方 (河南省科学院能源研究所 ,河南 郑州 450008)
收稿日期 2004 - 02 - 27 修订稿日期 2004 - 03 - 23 基金项目 :国家“十五”攻关项目子专题“太阳能供热制冷成套技术
开发与示范”(2002BA4058) 作者简介 :王华军 (1975～) ,男 ,汉族 ,河南新安人 ,河南省能源研究
所助理研究员 ,硕士学位 ,主要从事新能源与计算机技术 研究 。
图 1 我国辐射观测站数据缺失情况
图 2 不同纬度下的晴天月平均太阳总辐射量
2 模型及结果分析
Angstrom 较早地就提出了计算月平均太阳总辐射量的经典 半经验公式 ,后来 Page[3、4] 、Beckman 和 Duffie[4] 等人又进行了修 正 ,并被许多国家采用 。但是问题在于 ,就我国而言 ,总辐射数据 采集程度比较完整 ;而且随着气象观测手段与设备的不断进步 , 这种基于寻找方程系数 (a 和 b) 的半经验方法远不如直接测量数 据准确快捷 。
IdΠI = m1 + m2 Kt + m3 K2t + m4 K3t c1 ≤ Kt ≤ c2
(2) 和
a1 + b1 Kt 0 ≤ Kt ≤ c1
IdΠI = a2 + b2 Kt c1 ≤ Kt ≤ c2
(3)
a3 + b3 Kt c2 ≤ Kt ≤1. 0
·4 ·
其中 , Kt 为晴朗指数 (Clearness Index) ,定义为平均总太阳辐射与 晴天条件下月平均太阳总辐射量之比 ( IΠIo) ,我国不同纬度下的 晴天月平均太阳总辐射量曲线见图 2 所示 : ai , bi 和 mi ( i = 1 ,2 , 3 ,4) 分别为方程系数 ; c1 和 c2 为区间端点 。在多项式模型中 ,Liu 和 Jordan 给出的 c1 和 c2 数值分别为 :0. 3 和 0. 7 ;在区间模型中 , IdΠI 与晴朗指数 Kt 之间的关系分为三个区间 ,且各个区间内的 函数变化均为线性 。
(例如太阳房) 设计而言 ,从 (1) 式去获取月平均太阳散射辐射量
将会十分困难 。因为分析复杂地理分布情况下的物体表面对太
阳辐射的反射率并非易事 ;此外 ,云层与云量指数的准确数据需 要通过气象卫星采集获取 ,分析起来需要运用大量分维几何方 面的复杂模型及数值运算 ,不利于工程实际应用 。
因此 ,本文采用了 Liu 和 Jordon 提出的多项式模型[5] 以及 Catsoulis 提出的区间函数模型[6] 进行比较分析 , 二模型分别如 下:
义。 文献[2 ] 中设计了“太阳能气象资料数据库查询系统”软件 ,
可以对不同城市 、不同年月日的平均温度 、平均风速以及太阳辐 射量等基本气象参数的变化情况进行分析与查询 。但在软件应 用过程中发现 ,我国气象数据的残缺现象比较严重 。以太阳辐射 为例 ,1993 年以前 ,我国辐射数据观测分甲 、乙两种观测站 ,甲种 站有要素项 3 项 (总辐射 、散射辐射和直接辐射) ,乙种站有要素 项 1 项 (总辐射) 。从 1993 年起 ,我国气象辐射观测站由原来的甲 、 乙两种观测站调整为一 、二 、三级观测站 , 一级站有要素项 5 项 (总辐射 、净辐射 、散射辐射 、直接辐射和反射辐射) ,二级站有要 素项 2 项 (总辐射和净辐射) ,三级站有要素项 1 项 (总辐射) 。在此 期间 ,由于受到旧站撤消 、新站建立以及辐射测试仪器设备新旧 更新等诸多因素的影响 ,许多观测站的数据出现了不同程度的 残缺现象 。图 1 统计了自 1960 至 2000 年期间 ,我国 122 个辐射观测
图 9 和表 1 。
从图 3 ～ 图 9 中可以看出 ,我国 30°～ 40°纬度范围内城市的
Kt 基本上都在 0. 3 ～ 0. 8 区间范围之内 ,这与Liu 和Jordan 的结果 是基本吻合的 ;所不同的是 ,我国较高或较低纬度范围内城市 (如
哈尔滨和昆明) 的 Kt 可以达到 0. 8 ～ 1. 0 。 我们引入一个决定系数 R2 ,来衡量回归方程与相应的实际
测量数据之间的拟合程度 。R2 的数学定义如下 :
∑ ∑ ∑ R2 = 1 - [
( Yi - Yi ) 2 ]Π[ (
( Y2i ) -
Yi ) 2 n ] (4)
当 R2 等于 1. 0 或接近于 1. 0 时 ,所回归方程具有最高的可靠性 ;
R2 越小 ,说明方程的可靠性越差 。本文计算了上述两种模型回归
我国目前 推 荐 水 平 面 月 平 均 太 阳 散 射 辐 射 量 的 计 算 公 式
为:
IdΠI = K( a + bCh + cC1 )
(1)
其中 , K 是自然表面对太阳辐射的反射率的非线性函数 ; Ch
和 C1 分别为计算月的高 、低云量 ; a 、b 和 c 是回归系数 ,随海拔高
度和年平均绝对湿度变化而变化 。实际上 ,对于太阳能应用系统
计的精度 。
此外还可以看出 ,在表 1 中的六个城市中 ,昆明市的 R2 数值
最大 (0. 817) ,而郑州市的 R2 数值最小 (0. 186) ,其它城市均在伯
仲之间 ,这可以从 Kt 的物理意义上分析其主要原因 。影响 Kt 的 因素有很多 ,主要包括所在区域的地理位置 、纬度 、大气湿度 、云
1 前言
自从太阳能与建筑一体化理念提出以来 , 太阳能系统在建 筑上得到了迅猛地推广 ,同时也对系统预测性能与结构优化设 计提出了更高的要求[1] 。就设计太阳能光热和光电应用系统而 言 ,了解当地太阳能辐射 (包括总太阳辐射 ,散射辐射 ,直接辐射 以及反射辐射) 的大小以及分布规律等信息 ,具有很强的工程意
摘 要 :采用多项式模型与区间模型 ,对我国不同纬度城市 1990 - 2000 年期间的月平均太阳散射辐 射量 ( Id ) ,月平均太阳总辐射量 ( I) ,以及晴朗指数 ( Kt ) 之间的关系进行了回归分析 。研究结果表明 ,在太 阳能与建筑结合工程设计中 ,利用 IdΠI 与 Kt 的函数关系 ,可以对我国不同地区月平均太阳散射辐射量数 据进行初步的估算 ;我国 30°- 40°纬度范围内城市的 Kt 在 0. 3 ～ 0. 8 之间 ,对于较高或较低纬度范围内部 分城市的 Kt 可以达到 0. 8 - 1. 0 ; IdΠI - Kt 系曲线可以在一定程度上反映城市的空气质量情况的优劣 ,通 常在其它因素相同的条件下 ,城市空气质量越好 ,同归曲线越趋近于线性 。
量以及空气中悬浮物颗粒等因素 。而对于城市的空气质量而言 ,
由于大气中污染物 (如粉尘 、污染气体以及其它固体悬浮物等)
的存在 ,必然会对太阳散射辐射量的大小造成不同程度的影响 。