关于太阳总辐射

本篇文章将帮助你掌握总辐射表及其工作原理，让你能够选出合适自己测量数据的总辐射表。

什么是太阳辐射

太阳的辐射波长范围在0.15到4.0μm，称为太阳光谱。太阳在地球上的辐射测量被称为全球太阳辐射，也就是短波辐射。短波辐射既是太阳的直接辐射也是太阳的漫射辐射，从总辐射表上方的半球能够接收到这些辐射。 在地球上很难找到一个不受太阳影响的环境，因此太阳辐射很可能影响你正在研究的内容。

为什么要测量太阳辐射

太阳辐射测量的几个应用：

1.太阳能决定了太阳能电池板如何有效地将太阳的能量转化为电力。 2.在公共事业上能够预测天然气和电力的能源使用。 3.可以研究、预测植物的生长或产量。

4.在农业里作为计划灌溉的一个参数，或者用来预测工厂的用水量。 5.用于天气预报。

什么是总辐射表，它有什么用处？

总辐射表是一种传感器，可以测量太阳光谱的一部分，并将接收到的太阳辐射转换为可测量的电信号。比如CMP21型总辐射表（Kipp & Zonen）测量波长从0.285到2.8μm。总辐射表不能测量长波辐射，取而代之的是长波辐射表（4〜100μm）。

总辐射表还必须考虑太阳辐射的角度，也就是余弦响应。比如垂直于传感器接收到1000 w / ㎡（即距天顶0°），测量结果为1000 w/ ㎡； 然而，当从天顶角60°接收到1000 w / ㎡的时候，测量结果为500 w / ㎡。 没有配备玻璃穹顶的总辐射表需要精确的散光器来提供正确的余弦响应。

总辐射表、净辐射表、直接辐射表的区别

净辐射表使用两个总辐射表来测量进出的短波辐射，并使用两个长波辐射表测量进出的长波辐射。这四个测量经常是能量预算的一部分，能源预算评估有助于我们了解太阳能是储存在地下还是从地下流失，是反射回空气还是用于水的蒸发。

直接辐射表由一个封装在外壳（准直管）中的辐射传感元件组成，该外壳具有一个小孔径，只有直接的太阳光线才能进入。如果要进行全天观测，就需要使用太阳能追踪器配合直接辐射表时刻直接指向太阳。

总辐射表如何测量太阳辐射

总辐射表最常见的传感器类型是热电堆型和光电型，下面讨论这两种总辐射表以及它们的优点和缺点。

提示：为了能够测到总辐射表的电压值，需要用到数字万用表或数据采集器。 如果使用数字万用表，则需要自行将mv读数转换为w/ ㎡。如果使用数据采集器，则需要设置数采进行单位转换。

现在市面上还有数字型总辐射表，这就要求电脑或数据采集器能读取串口信息（还得具有串口连接线和串口软件）。 热点堆型总辐射表

热电堆型总辐射表使用一系列热电结（两种不同金属的多个结-热电偶原理），能提供黑色吸收表面和参考之间的温差信号（μv/ w / ㎡），参考可以是白色反射面板或传感器内部基座。

太阳光谱是太阳发出的光的波长范围。蓝光、白光、黄光和红光各自具有不同的温度，因此具有不同的太阳光谱。

太阳输出波长为0.15到4.0μm。热电堆型总辐射表能精确地吸收太阳辐射，因为其特殊的黑色吸收表面对大部分太阳光谱能够均匀响应。传感元件通常封闭在一层或两层的特殊玻璃圆顶内，这些玻璃圆顶能均匀地将辐射透射到传感器。

热电堆型总辐射表测量涉及广泛且准确性高，其黑色表面能均匀地吸收0.285至2.800μm（例如CMP6总辐射表）的太阳辐射。均匀的光谱响应允许热电堆型总辐射表能测量地面反射的短波、植被冠层或室内辐射以及同时测量上行或下行的短波辐射。

热电堆型总辐射表是最准确测量太阳能短波辐射的传感器，但通常比光电型总辐射表贵很多。 光电型总辐射表

光电型总辐射表最常用的是硅光电二极管传感器。硅光电型总辐射表产生的μA输出电流过程类似于太阳能电池板将太阳能转化为电能。当电流通过分流电阻（例如100Ω）时，它会转换成电压信号（μv/ w/ ㎡）。塑料扩散器能在不断变化太阳角度下提供均匀的余弦响应。

硅光电型总辐射表的光谱响应只有0.4到1.1μm，尽管只采样短波辐射的一部分，但硅光电型总辐射表在晴朗的天空下测得的结果和热电堆型总辐射表相差不多，但是当多云时，测量误差会增大。在大多数天空条件下，白天光谱的均匀性限制误差小于±3％，最大误差为±10％。在阴天条件下，误差一般是正的。

硅光电型总辐射表比热电堆型总辐射表便宜几倍。对于环境研究人员来说，硅光电型总辐射表的准确度就能够满足他们的一般要求，性价比更高。

硅光电型总辐射表的缺点是光谱响应范围小，而且最好不要用它来测量植被冠层、室内辐射和地面的短波反射。

总辐射表比较

下面的图显示了在晴天和阴天的情况下，硅光电型总辐射表和二级标准热电堆型总辐射表之间的输出比较：

如图上左边所示，在晴天下两个总辐射表测量结果相近；但是由于硅光电型总辐射表采样太阳短波辐射范围窄（0.4至1.1μm），所以在天空状况改变时会引发误差，如图上右边所示，在阴天时硅光电型总辐射表与参考值有8%的差异。

总辐射表的级别

WMO（世界气象组织）已经将WRR（世界辐射测量基准）建立为“集体标准”。WRR被认为代表国际单位制体系中总辐照度的测量基准，其误差小于±0.3%，所有有关总辐射表校的信息都可以准追溯到WRR。

WMO（世界气象组织）和ISO（国际标准化组织）为不同的应用建立了三个总辐射表级别。下表显示了WMO总辐射表级别。ISO级别中的“一级”、“二级”和“副基准级”与WMO级别中的“优质”、“中等品质”和“高品质”相类似。 参考文献：

1.Jarraud, M. “Guide to meteorological instruments and methods of observation (WMO-No. 8).” World Meteorological Organisation: Geneva, Switzerland (2014): 233.

2.ISO 9060:1990 Solar energy — Specification and classification of instruments for measuring hemispherical solar and direct solar radiation, International Organization for Standardization, Geneva, Switzerland. 3.Tanner, Bertrand D. “Automated weather stations.” Remote Sensing Reviews 5, no. 1 (1990): 73-98.