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    太阳辐射探测的不确定性因素

    2016-04-24 14:40:33
    太阳辐射探测的不确定性因素
    不确定性,非准确性
    “准确性”是一个术语,没有特定的国际定义,同时这个术语的使用不是我们所希望的。国际标准组织(ISO)和国际气象组织(WMO)现在只使用“不确定性”来描述在特定环境下的参数的测量。
    ISOGuide to the Expression of Uncertainty Measurement (GUM)”提供一个标准方法来指明不确定性。总体来讲在Kipp&Zonen的不确定性都是表示在95%的置信水平(K=2),“整体”的不确定性可以使用和的平方根来得到。
    太阳辐射的不确定性
    大多数的太阳辐射数据都是从热电堆型的总辐射表测量得到,即水平总辐射(GHI),但是这个的“不确定性”如何?测量过程的不确定性的来源是什么,以及如何量化的?
    这次我们只针对表的参数和性能表现来讨论这个问题。
    首先我们假设所有的总辐射表都正确安装和维护——但并非总是如此!同样我们假设数据的采集、记录和运行都是一些正常,没有任何的问题。同样并非总是如此!
    总辐射表的不确定性定义
    WMO针对不同参数,分别设置了*高限度的误差值,将表分为“中等”,“好”,“高”的总辐射表。同样WMO对每天误差的总和,给出了“可达到的不确定性(95%置信水平)”然而WMO没有就这些误差参数是如何计算得到给出解释。实际上,总体误差的计算不是那么简单的,这可能就是ISO90601990为什么没给出参数的原因。

    ISO 9060:1990 二级 一级 次基准级
    Ref.No. 技术参数 Lower Higher
    1 响应时间 (95 %) < 60 s < 30 s < 15 s
    2  零点漂移      
       (a) 响应200W/m2净辐射时
      (通风如果必要)
    ±30 W/m² ±15 W/m² ±7 W/m²
       (b) 响应 5K/小时空气温度变化时 ±8 W/m² ±4 W/m² ±2 W/m²
    3a  非稳定性
      每年响应率百分比改变
    ±3.0 % ±1.5 % ±0.8 %
    3b  非线性
      500 W/m²时响应偏离
      100 W/m² to 1000 W/m²环境内
    ±3 % ±1 % ±0.5 %
    3c  方向响应 (成束辐射)
      各方向成束辐射1000 W/m²垂直入射时产生的误差
    ±30 W/m² ±20 W/m² ±10 W/m²
    3d 光谱灵敏度
       0.35 μm 1.5 μm之内光谱吸收和光谱透射的百分比偏离
    ±10% ±5% ±3%
    3e 温度响应
      50 K温度变化时,百分比偏离
    8% 4% 2%
    3f 倾斜响应 
    1000W/m²辐射时,从0°到90°角度的百分比偏离
    ±5% ±2% ±0.5%
    下面我们比较一下Kipp&Zonen产品的参数
    KIPP & ZONEN 产品不确定性

    不确定性来源 CMP3 SMP3 CMP6 C/SMP10 C/SMP11
    C/SMP21
    C/SMP22
    零点漂移 a) 1.5 % 1.5 % 1.2 % 0.7 % 0.3 %
    零点漂移b) 0.3 % 0.3 % 0.3 % 0.1 % 0.1 %
    非线性 1.0 % 1.0 % 1.0 % 0.2 % 0.2 %
    方向响应 2.0 % 2.0 % 2.0 % 1.0 % 0.5 %
    光谱灵敏度 0.1 % 0.1 % 0.1 % 0.1 % 0.1 %
    温度响应 5.0 % 2.5 % 4.0 % 1.0 % 0.5 %
      倾斜响应 (与GHI不相关) (1.0 %) (1.0 %) (1.0 %) (0.2 %) (0.2 %)
    典型日均不确定性水平总辐射 5.7 % 3.7 % 4.7 % 1.6 % 0.8 %
    典型日均不确定性垂直倾斜 5.8 % 3.8 % 4.8 % 1.6 % 0.8 %
    这些日均不确定性的数据实际上是*糟情况下的数据值,同时在中纬度、非极端气候条件下,整年数据都可以保持到这样的水平。
    标定的不确定性
    所有总辐射表的仪器标签和校准证书都给出了日均不确定性。因此在2年以内的标定系数和证书都是有效的。根据WRRworld Radiometric Reference)也给出了辐射表标定的绝对不确定性。
    典型的标定不确定性在95%置信度:
    C/SMP3                二级                4%
    C/SMP6                一级                3%
    C/SMP10/11/21  次基级       1.5%
    C/SMP22              次基级          1%
    在每个辐射表的标定证书上给出了确切的数值。
    保持玻璃罩干净
    如果使用的辐射表的不确定性在每日的测量中占到2%或以下,则不需要太多的去清洁玻璃外罩,如果大于2%,则需要进行清洁。
    露水、雨滴会吸收和散射辐射,雾,雪会对辐射产生高度反射作用,灰尘、砂砾会阻止辐射到达探测器,也可能粘到球罩上,从而形成较厚的阻挡层。大气污染物在球罩上会衰减辐射,同时也会改变到达探测器的辐射光谱。但是现场并不是有专门的来每天负责清洁辐射表,所以有什么办法解决呢?
    我们推荐使用CVF4通风罩,通过CAD流体模拟软件设计和真实测试,得到的结果相比CVF3都具有显著的改进和提升。CVF4风扇会在球罩表面产生气流如图,气流可以使将玻璃球罩表面的尘埃,砂砾等吹开,同时气流还能对沉积和露水蒸发和雨滴形成一个屏障层空气,可以持续的保持表面清洁。风扇使用12V直流电供电,功率为5W,转速可控。
    下图为CVF4气流模型

    下图为在极端的融霜、降雪的环境CVF412V/5.5w的加热器的表现

    所以在使用中,我们推荐有条件的现场,或是对数据要求十分严格的场合或是无人值守站,推荐使用CVF4来降低维护因素对辐射表不确定性的影响,以保持辐射表*好的表现,从而使数据更加准确、可靠。
     


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