Modeling and Analysis of Global and Diffuse Solar Irradiation Components Using the Satellite Estimation Method of HELIOSAT

It is very important to determine the daily horizontal global,diffuse and beam irradiations correctly in planning energy systems,in cost analysis,in the atmosphere,and in the productivity evaluations.Besides,the knowledge of accurate solar irradiation is the most important component of the essential climate variables according to the Global Climate Observing System(GCOS)in August 2010.It is known that the changes of these irradiation parameters directly affect our atmosphere and cloud formation processes.Turkey is one of the countries,which has high solar energy potential by reason of its climatic and regional factors.Especially,Konya and Karaman regions(in Central Anatolia Region)are seen as the most efficient area in where the solar energy systems will be processed.Because of this reason that region has been designated as an Energy Specialized Industrial Zone(ESIZ)in Turkey.Solar energy inputs must carefully be determined in this region where the systems will be installed with respect to the climate and energy efficiency.In this work aims to understand the components of daily solar irradiation on a horizontal surface in selected region are analyzed by using the HELIOSAT method by setting satellite images.Results have been determined by comparing with ground measured data and method were analyzed by using statistical errors.According to the seven-year data,the accuracy of the daily global and diffuse solar irradiations estimation was found acceptable levels.Nevertheless,the estimated results reveal that this method can easily be adapted to any point in the world resembles with the Central Anatolia Region climate type.Especially,the obtained results are significant for the simulation studies such as solar PV power plants performance,payback time,and cost of energy analysis.Also,these results can be used to increase the performance of the solar energy system and to determine long-term a road map for climate change studies.

The Disagreement between Anisotropic-Isotropic Diffuse Solar Radiation Models as a Function of Solar Declination: Computing the Optimum Tilt Angle of Solar Panels in the Area of Southern-Italy

In this paper a simulation to maximize the global solar radiation on a sloped collecting surface was applied to typical latitudes in the area of southern Italy, to calculate the optimum tilt angle of solar panels on building structures or large photovoltaic power plants located in that geographical area. Indeed, the area of southern Italy and in particular Sicily and Calabria are the top of European locations for acquiring solar energy. Some models of diffuse solar irradiance were taken into account to determine panels inclinations that maximized the impinging solar radiation by means of global horizontal solar radiation data provided from the Italian Institute of ENEA (Italy). An algorithm was used for the simulation providing a set of tilt angles for each latitude. The optimum tilt angle values obtained from the simulation resulted to be strictly related to the model of diffuse solar radiation that was used. Indeed, the disagreement between the values obtained using anisotropic models of diffuse solar radiation and those obtained from the isotropic model resulted to decrease significantly with increasing solar declination, showing that the isotropic model can be reliable only in summer months.

太阳辐射直散分离模型比较研究——以北京地区为例

在建筑能耗模拟与太阳能建筑系统设计中,逐时的太阳直射和散射气象数据是最重要的基本参数。由于中国辐射观测数据的缺失,逐时直射和散射数据很难获得。很多学者对此进行了研究,提出了数十种直散分离模型。采用北京地区2009年—2011年3年太阳总辐射和散射实测数据,选取Erbs模型、Orglill模型、清华大学随机气象模型、宇田川光弘模型、张晴原模型5个代表性的直散分离模型进行计算验证,分析比较了实测数据和计算数据之间的相关系数R、均方根误差RMSE和相对误差RE,得出晴空指数Kt可以作为最主要的影响因子,Erbs模型预测散射的准确率最高,其次为张晴原模型和Orglill and Hollands模型。

基于精密太阳光谱辐射计的气象辐射观测

目前,气象业务观测普遍采用的积分型太阳辐射观测仪器存在观测数据信息量少、数据差异大的观测瓶颈,已无法满足目前众多应用科学研究领域对太阳光谱辐射精细化观测的需求,具有高光谱分辨率的精密光谱辐射计的仪器研制及观测方法与技术已成为太阳辐射观测的前沿科技问题。在此背景下,为解决气象领域太阳辐射的精细化观测问题,开展了深入的科学研究与技术开发工作。重点阐述了仪器开发成果和数据观测分析方法,首先介绍了开发研制的用于地基太阳光谱辐照度观测的光谱辐射计系统。光谱辐射计的分光系统采用了平场凹面光栅结构,具有低杂散光、高收光效率和高可靠性的特点,尤其适用于长期无人值守的户外观测。系统所采用的平场凹面光栅的像差校正特性对于300～1 100 nm这种宽谱段的应用来讲更为合适,在整个谱段范围内光谱分辨率变化很小,不同波长通道的带宽基本一致,使用25μm狭缝时光谱分辨率(FWHM)约为2 nm,像素采样间隔小于0. 5 nm。对于太阳辐射观测来讲,这是一种谱段范围和分辨率都与需求十分匹配的专用光谱辐照度观测仪器。其次,在观测数据的基础上,阐述和分析了气象等领域的光谱应用观测方法。太阳辐射照度分布的能量通过不同参数化模型约束的接收系统收集,将太阳光谱辐射在半球天穹中的变化及分布进行约束并划分为水平总辐照度(GHI),法向直接辐照度(DNI)和水平散射辐照度(DHI)三种光谱辐照度辐射分量,阐述了基于GHI,DNI和DHI三种观测形式下的数据特征与用途。其中,GHI是地表实际辐照度水平,适用于太阳能资源评估; DHI反映大气和云态; DNI作为直接透射形式,可用于计算日照时数和分析大气参量。并且,进一步分析了观测形式、光谱特征与地理(经度、纬度、海拔高度、大气质量)及气象参数(云量、大气吸收)之间的互易演算关系。与传统的波长积分式辐射观测相比,太阳光谱辐射计为辐射能量观测增加了波长信息维度。从DNI形式的光谱辐照度数据中可以看出,不同波长之间的辐射能量变化显著,而这些变化与大气变化密切相关。因此,太阳光谱辐照度数据不仅仅是为业务观测提供更精细化的太阳辐射信息,更提供了丰富的辐射能量的变化信息通道,利用特征波长维度的辐射信息,可进一步通过模型反演计算气溶胶光学厚度、臭氧、水汽等大气参数。通过精密太阳光谱辐射计,可将纳米分辨率水平的太阳光谱辐照度作为基础业务运行数据,提供精细化的太阳辐射分布及变化信息用于气象与气候模型、光伏资源评估与生态环境等研究;同时也为辐射波长分布中所蕴含的气候、农业、生态等领域关心的各种通量监测和演化关系研究提供了有力的数据信息及观测工具。

合肥地区无云晴天地表太阳短波辐射特征

利用SKYNET合肥站1999年9月至2005年8月期间285个无云晴天地面辐射收支观测资料,计算分析了合肥地区地表太阳短波辐射特征。结果表明,地表太阳短波辐射各个分量的日变化均呈上下午近似对称的倒“U”型分布,中午变化较平缓并出现最大值;漫射辐射与总辐射之比KDF呈“U”型日分布。太阳短波辐射各个分量的年最小值均出现在12月份,6月份总辐射、地表太阳短波净辐射和漫射辐射最强,7月份太阳直接辐射和地面反射的短波辐射最强但漫射辐射出现相对低谷。漫射辐射春季最强、夏季次之;太阳短波辐射其它各分量的季节变化均为夏季最强、春季次之、冬季最弱,而且冬夏差异较大。<KDFd>在1月份最大, 7月份值最小并有明显的突变现象;其季节变化特征为夏季最小,冬季最大;其七年平均值为38．4％。

太阳辐射变化对光伏电站最佳倾角的影响分析

从中国典型资源区选取6个一级辐射站(北京、额济纳旗、格尔木、拉萨、喀什、郑州站)1961-2016年的太阳总辐射、水平面直接辐射和散射辐射数据资料,在用气候倾向估计法分析太阳辐射的变化趋势和利用Klein-Hay模型计算分析最佳倾角的基础上,分析太阳辐射变化对光伏电站最佳倾角的影响.结果显示:(1)近56年,6个一级辐射站的太阳辐射量的总体变化趋势是下降的;除格尔木市和郑州市外,其他4个城市的水平面直接辐射量呈下降趋势;从2003年开始,北京市出现散射比大于直射比的情况;1976年后,郑州市的散射比大于直射比;格尔木、喀什、拉萨市近56年的直射比均高于散射比;额济纳旗市的直射比、散射比变化不明显.(2)6个典型资源区一级辐射站的最佳倾角随着太阳辐射量的降低而减小;北京、喀什、拉萨市的最佳倾角的下降受总辐射量和直射比的影响;格尔木市和郑州市的最佳倾角的下降受总辐射量和散射比的影响.

地基太阳光谱辐照度计的余弦误差影响及其校正方法

针对自研的太阳光谱辐照度计入射光学系统的结构特征,分析了引入余弦误差的因素,研究了直、漫射辐照度以及漫射-总辐射比的余弦校正方法,开展了实验室余弦响应特性测量和多种仪器的敦煌外场比对试验.结果显示,余弦误差与积分球入口黑色阳极化内壁及结构有关,在入射角为60°时,440nm、500nm、670nm和870nm波段太阳光谱辐照度计的余弦误差为4.3%～9.1%;由太阳光谱辐照度计获取的直射辐照度反演得到的大气光学厚度受到余弦误差的严重影响,余弦校正前后与CE318太阳光度计反演结果相比,偏差分别为0.11～0.13和小于0.012;基于天空辐亮度各向同性分布假设,余弦校正后四个波段漫射辐照度数值提升6.8%～10%.基于天空辐亮度分布数据,提出了一种漫射辐照度的精确校正方法,仿真结果显示,余弦校正后的漫射辐照度与理论数据一致,初步验证了该方法的可行性.