太陽(yáng)輻射強(qiáng)度模型的建立及驗(yàn)證

1、第15卷第5期2007年10月安徽建筑工業(yè)學(xué)院學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版Journal of Anhui Institute of Architecture & IndustryVol.15 No.5Oct. 2007收稿日期:2007-06-07作者簡(jiǎn)介:林媛(1972-,女,講師,碩士研究生,主要研究方向太陽(yáng)能土壤源熱泵。太陽(yáng)輻射強(qiáng)度模型的建立及驗(yàn)證林媛(安徽建筑工業(yè)學(xué)院環(huán)境工程系,合肥230601摘要:通過(guò)建立太陽(yáng)輻射的數(shù)學(xué)模型,推導(dǎo)出了任意角度采光面的太陽(yáng)直射輻射和散射輻射計(jì)算公式。此外還討論了云層對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響,得到云遮修正系數(shù),使非晴天的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算成為可能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,所采用的

2、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算模型是較為準(zhǔn)確的。關(guān)鍵詞:直射輻射;散射輻射;云遮修正系數(shù)中圖分類號(hào):TU111.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼:A 文章編號(hào):1006-4540(200705-044-03The Model of the Solar Radiation Energy.s Establishment and VerificationLIN Yuan(Dept. of Environmental Engineering, Anhui Institute of Architecture & Industry, Hefei 230601, ChinaAbstract:After establishing solar

3、 radiation mathematical model, incident angle computing formula ofsolar direct radiation and scattered radiation of arbitrary angle of flat solar energy absorber plane wasobtained. In addition, the impact of cloud layer on solar radiation intensity was discussed, and over-cast compensation factor wa

4、s obtained. So, the solar radiation intensity calculation of the days of nosunshine becomes possible. The experiment proved the availability of the model.Key words:the solar of direct radiation; the solar of scattered radiation; overcast compensation factor單位面積在單位時(shí)間內(nèi)接受的太陽(yáng)輻射能稱為太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,通常以I表示,其單位為W/m2,

5、這個(gè)數(shù)值決定著利用太陽(yáng)能的可能性。由于大氣層對(duì)太陽(yáng)輻射的衰減作用,到達(dá)地面上的太陽(yáng)輻射能有兩種:一種是太陽(yáng)直接輻射;另一種是由大氣、灰塵、水滴等散射而來(lái)的,稱為散射輻射。在天氣晴朗時(shí),到達(dá)地面的太陽(yáng)能主要是直接輻射;在陰天時(shí)主要是散射輻射。此外,在海拔高度不同的地區(qū),太陽(yáng)輻射強(qiáng)度也不相同。海拔高的地區(qū)高于海拔低的地區(qū)。至于確定輻射量大小的方法,可以利用數(shù)學(xué)公式進(jìn)行計(jì)算或者用觀測(cè)法測(cè)量輻射量。空調(diào)負(fù)荷計(jì)算中采用的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度可以根據(jù)氣象臺(tái)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),用統(tǒng)計(jì)的方法給出具體數(shù)值。我國(guó)的有關(guān)規(guī)范多半是用這一方法得出的,其特點(diǎn)是按城市給出各朝向在各時(shí)刻的太陽(yáng)輻射法向強(qiáng)度。它也叫觀測(cè)法,即用觀測(cè)儀器直接測(cè)出

6、到達(dá)地面的輻射強(qiáng)度。本文所討論的是用計(jì)算來(lái)確定太陽(yáng)輻射強(qiáng)度14,為了考慮同樣條件下不同地方的大氣條件的差異,在計(jì)算過(guò)程中引入一隨地區(qū)而異的系數(shù)-大氣透過(guò)率或大氣透明度,它們是通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的分析、統(tǒng)計(jì)后確定的4。1 太陽(yáng)輻射直射強(qiáng)度計(jì)算方法以l表示大氣層厚度,建立如圖1所示的坐標(biāo)系。I0表示大氣層外表面接受到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度,IDN表示太陽(yáng)輻射到達(dá)地表平面時(shí)的強(qiáng)度。太陽(yáng)輻射經(jīng)過(guò)大氣層,其強(qiáng)度有所衰減。根據(jù)研究,這一減弱量與通過(guò)大氣層的路線長(zhǎng)度成比例,并且還與輻射強(qiáng)度自身大小有關(guān)。從而對(duì)dx這一微元大氣層,太陽(yáng)輻射通過(guò)它后的減弱量為:dI =-KIdxsinAs(1其中,K為大氣吸收太陽(yáng)輻射能力的

7、系數(shù),稱為消光系數(shù)(m-1;dx為所研究的微元大氣層的厚度(m;I為進(jìn)入微元大氣層的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(W/m2;As為太陽(yáng)高度角(rad。圖1 太陽(yáng)輻射直射強(qiáng)度示意圖1(1式可改寫為下式:dII=-KdxsinAs(2對(duì)上式進(jìn)行積分:QIDNI0dII=-KsinAsQLdx (3即得:IDN= I0exp(-KL/sinAs (4令P =exp(-KL (5P稱為大氣透過(guò)率,其含義是:當(dāng)太陽(yáng)在天頂時(shí)(As=90e,到達(dá)地面的大氣輻射強(qiáng)度與大氣層外表面太陽(yáng)輻射強(qiáng)度之比,即:P =IDNI0As=90b(6將式(5代入式(6得到:IDN= I0P(1/sinAs(7到達(dá)地球大氣層外表面的平均太陽(yáng)輻射

8、強(qiáng)度為1 353 (W/m2,通常稱之為太陽(yáng)常數(shù)。由于地球繞太陽(yáng)旋轉(zhuǎn)的軌道是橢圓的,各月大氣層外表面接受到的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度I0是不同的,具體數(shù)值見(jiàn)文獻(xiàn)1。太陽(yáng)高度角As可由公式計(jì)算得到。于是只要知道P值,就可以計(jì)算任意時(shí)期任意時(shí)刻的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度。P值隨地點(diǎn)而異,即使在同一地點(diǎn),P值還隨時(shí)間而異。P的具體數(shù)值應(yīng)通過(guò)對(duì)實(shí)測(cè)值的統(tǒng)計(jì)和分析來(lái)確定。下式是引用了美國(guó)ASHARE提出的太陽(yáng)輻射直射強(qiáng)度計(jì)算公式:IDN= A(CNexp(-B/sinAs (8其中,CN為大氣透明系數(shù),隨地區(qū)而異。比較式(7和式(8,二者的形式基本是一致的。但式(7中的exp(-KL隨地點(diǎn)而異,而式(8中的B值不隨地點(diǎn)而變化,

9、用CN來(lái)考慮不同地點(diǎn)的大氣透明情況。A和B的逐月值見(jiàn)文獻(xiàn)1,A的單位是kW/m2,B為無(wú)量綱數(shù)。根據(jù)IDN即可算出與水平面成任意夾角的斜面所接受的太陽(yáng)輻射直射強(qiáng)度IB:IB= IDNcosis(9其中,is為太陽(yáng)直射光線與該表面法線間的夾角。2 太陽(yáng)輻射的散射強(qiáng)度太陽(yáng)輻射到達(dá)地面以后有一部分被反射,在大多數(shù)情況下,這種反射屬于漫反射,加之天空散射,構(gòu)成對(duì)地面物體的總散射輻射強(qiáng)度:ID= Ids+Idg(10其中,ID為總散射輻射強(qiáng)度(W/m2;Ids為天空散射強(qiáng)度(W/m2;Idg為地面反射輻射強(qiáng)度(W/m2。天空輻射是一個(gè)相當(dāng)復(fù)雜的問(wèn)題,迄今為止研究的還不夠。本文引用ASHARE推薦的如下公

10、式:ID= CIDN(11其中,C是一個(gè)隨月份而異的無(wú)量綱數(shù),其具體數(shù)值見(jiàn)文獻(xiàn)1。對(duì)于垂直面或傾斜面,在上式中需引入該面與天空間的角系數(shù)Fs:Ids= CIDNFs(12用Fg表示該面與地面間的角系數(shù),則有:Fs=1-Fg(13而Fg可用下式計(jì)算:Fg=0.5(1-cosS (14地面反射輻射強(qiáng)度Idg可用下式計(jì)算:Idg=QgFg(CIDN+IDNsinAs=QgFgIDN(C+sinAs (15其中,Qg為地面反射率,隨地面情況和入射角(指太陽(yáng)光線和地面法線間的夾角而異。3 太陽(yáng)輻射總輻射強(qiáng)度由上述的計(jì)算結(jié)果即可得到任意平面接受的太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度It:It= IB+ID= IB+Ids+Id

11、g(164 云遮影響的確定前面所述的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算是針對(duì)晴天進(jìn)45 第5期林媛:太陽(yáng)輻射強(qiáng)度模型的建立及驗(yàn)證行的,然而,天氣狀況變化無(wú)常,天空中云層對(duì)太陽(yáng)輻射的影響之大是顯而易見(jiàn)的,這就需要對(duì)基于晴天計(jì)算的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度做出云遮修正。云遮對(duì)此作過(guò)研究,以下介紹NBSLD程序中的實(shí)際處理辦法5。云遮修正系數(shù)Cc與太陽(yáng)高度角As、云量Cq和云類CT有關(guān)。云量分110十種情況,表明天空被覆蓋的程度;云類分0、1和2三種,0代表卷云,屬于太陽(yáng)輻射最易透過(guò)的情況;1代表云層,屬于太陽(yáng)輻射最不易透過(guò)的情況;2代表01之間的中間情況。云量和云類的數(shù)值可以從逐時(shí)實(shí)際氣象記錄中得到。在得到云遮修正系數(shù)之后即可對(duì)

12、太陽(yáng)輻射強(qiáng)度進(jìn)行修正:Itc= ItCc(17其中,Itc透過(guò)云層投射到某一平面上的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度(W/m2。5 太陽(yáng)輻射強(qiáng)度模型的驗(yàn)證由于太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的計(jì)算模型比較復(fù)雜,為此筆者編寫了一個(gè)軟件,用以減少計(jì)算工作量,提高計(jì)算精度。以下是計(jì)算太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的一個(gè)算例。計(jì)算條件如下:(1計(jì)算地點(diǎn)為合肥市,經(jīng)度為117.23b,緯度為31.87b;(2計(jì)算時(shí)間為2006年8月27日,時(shí)間間隔30 min;(3集熱器采光面方位角為0b,傾斜角為0b;(4集熱器所處環(huán)境為混凝土建筑;(5晴天且集熱器采光面無(wú)陰影遮擋。通過(guò)軟件計(jì)算得到下表所示結(jié)果,為了驗(yàn)證該模型的準(zhǔn)確性,筆者在同一天用天空輻射表記錄了對(duì)應(yīng)時(shí)間

13、水平面太陽(yáng)總輻射強(qiáng)度,記錄結(jié)果同樣列于表1中,并作圖以比較實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù),從圖2中可以看出,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)較為接近,從而驗(yàn)證了本文所建立的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度模型是較為準(zhǔn)確的。6 結(jié)論在太陽(yáng)能的主動(dòng)式熱利用系統(tǒng)分析中,太陽(yáng)輻射強(qiáng)度是最基本的輸入量,如何得到太陽(yáng)輻射強(qiáng)度數(shù)據(jù)是本文所要解決的主要問(wèn)題。通過(guò)建立太陽(yáng)直射輻射強(qiáng)度及散射輻射強(qiáng)度數(shù)學(xué)模型,采用ASHRAE提出的計(jì)算公式,便可得到任何時(shí)間任何地域內(nèi)的太陽(yáng)輻射能。另外本文還討論了云層對(duì)太陽(yáng)輻射強(qiáng)度的影響,得到云遮修正系數(shù), 使非晴天的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算成為可能。通過(guò)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證,本文采用的太陽(yáng)輻射強(qiáng)度計(jì)算模型是較為準(zhǔn)確的。表1 太陽(yáng)輻射計(jì)算結(jié)果及總

14、輻射強(qiáng)度測(cè)量值時(shí)間It測(cè)量值(W/m2模型計(jì)算值It(W/m2IB(W/m2Ids(W/m2Id(W/m28:309:009:3010:0010:3011:0011:3012:0012:3013:0013:3014:0014:3015:0015:3016:0016:30546.59603.16681.36733.78735.44 762.90 804.49 792.85 767.89 736.27 687.19 599.83 553.24 485.02 401.00 316.97 227.12 571.45 641.17 700.28 747.73 782.70 804.58 813.01 8

15、07.83 789.13 757.23 712.70 656.29 588.99 512.00 426.70 334.72 238.05 493.31 560.75 618.19 664.45 698.62 720.03 728.28 723.21 704.91 673.73 630.28 575.41 510.24 436.15 354.89 268.67 180.58 78.14 80.43 82.09 83.28 84.08 84.55 84.73 84.62 84.22 83.50 82.41 80.87 78.75 75.85 71.81 66.05 57.46 0.00 0.00 0.0