散射辐射仪基础简介
本文为读者梳理散射辐射仪相关基础技术常识，介绍该类设备以及太阳散射辐照量的检测相关知识。
引言
抵达地球大气层外的太阳辐射，一部分穿透大气直接到达地表，另一部分则会被大气内的气体分子、气溶胶颗粒、云滴与冰晶等物质散射或吸收。前者属于太阳辐射中的直射分量，后者则为散射分量。
散射辐射仪是用于检测太阳辐射散射分量的设备。辐照量的计量单位为瓦每平方米。
以往散射辐射仪多用于气候研究与气象监测领域。将直射辐射与散射辐射分开检测，不仅能提升检测数据的精准度，还可支撑开展更为细致的数据模型搭建工作，相关应用场景除气象领域外，也可用于建筑工况研究与光伏发电项目效能分析。现阶段，光伏电站运行工况模型搭建对检测数据精细度的需求持续提升，也让散射辐射检测相关设备获得更多行业关注。
本文将围绕以下基础内容展开讲解：
- 散射辐射仪的检测内容
- 实际应用价值以
- 设备工作原理
散射辐射仪：太阳辐照检测传感器
散射辐射仪主要用于检测太阳水平散射辐照量。与之相对，太阳直射法向辐照量是直接来自太阳本体的直射辐射分量，详见图1。
该类设备大多采用水平安装方式，以此完成水平散射辐照量的采集。依据国际电工委员会相关定义，用于检测水平散射辐照量的散射辐射仪，是可阻隔直射辐射影响或对直射辐射数值进行修正校准的检测仪器。
太阳直射法向辐照量与水平散射辐照量相加，即可得出地表可接收的太阳辐射总能量，地表总水平辐照量计算公式如下：
GHI = DNI ∙ cos(θ) + DHI
公式内的天顶角，指地表平面法线方向与太阳所处方位形成的夹角。
水平散射辐照量数值会随地理位置、时段变化以及各类气象环境因素产生波动，云层覆盖范围、降水天气、空气洁净度等条件，均会对其数值造成影响。
天气晴朗时，水平散射辐照量常规数值处于每平方米50至150瓦区间，此环境下地表总辐照量主要由直射辐射构成。而在阴天环境中，该数值会出现明显上升，主要原因是云层会遮挡并分散部分太阳辐射。若太阳被云层完全遮蔽，地表总辐照量数值便与散射辐照量数值保持一致。除此之外，设备观测范围内反光效果较强的物体，例如周边建筑、覆雪坡面等，也会使局部区域的散射辐照量出现上升情况。
图1 散射辐射仪采集的散射辐照量，来源包含云层、大气微粒以及气溶胶散射形成的太阳辐射。
散射辐射仪的应用场景
太阳是地球获取外部能量的主要来源，日光气候条件与大众日常生活联系紧密。在各类区域环境中，日光条件都会对当地气候环境、户外体感舒适度以及建筑建造形式形成影响，同时太阳能也是可开发利用的清洁能源之一。
在光伏行业内，散射辐射仪主要有两大应用用途：
1. 勘测规划光伏电站拟建场地的日光环境条件，测算电站预期发电产能；
2. 日常监测并研判光伏电站整体运行工况。
分开采集散射辐射相关数据具备实际应用意义，光伏组件对于直射辐射和散射辐射的吸收响应存在差异，两类辐射的光谱构成也各不相同，双面光伏组件投入使用后，区分检测两类辐射数据的实用价值进一步提升。
双面光伏组件正反两面均可接收吸收太阳辐射，组件背面接收的散射辐射主要分为两类，一类是天空向下扩散的散射光线，另一类是地面向上反射的太阳光线。受地面地表环境复杂多样、光线反射分布不均等因素影响，组件背面接收辐照量的模型搭建工作存在一定难度。
依据IEC61724-1相关行业规范，可将散射辐照量检测数据搭配光学模型，推算得出光伏组件背面接收的辐照量数值。
散射辐射仪工作原理
市面上的散射辐射仪拥有多种不同工作原理，传统设备多以总辐射表搭配遮光结构，持续隔绝直射辐射来完成数据采集。以下几种设备配置形式，均符合IEC61724-1标准中对于散射辐射仪的相关界定：搭配遮光环的总辐射表、旋动式遮光带总辐射表、带遮光结构的光电二极管传感组、搭配遮光圆盘的太阳追踪式总辐射表。
搭配遮光环的总辐射表
以Hukx SHR02型遮光环为例，将其与总辐射表搭配组装，即可组成散射辐射检测设备，详见图2。安装时遮光环需沿南北方向对齐摆放，倾斜角度按照安装场地纬度设定，同时每隔三至四天，需根据太阳高度角的季节变化完成角度微调。该类组合设备后期会产生一定运维成本，但设备采购成本适中，检测数据表现稳定。
图2 Hukx SHR02型遮光环搭配Hukx SR300-D1型总辐射表，用于完成散射辐照量检测作业。
旋动式遮光带设备
旋动式遮光带总辐射表可分别完成直射辐射与总辐射数据采集。遮光带运转过程中，会阶段性遮挡下方的总辐射表探头，以此采集总水平辐照量与散射辐照量数据，再结合太阳天顶角相关数值，推算得出直射法向辐照量。
相较于遮光环设备，此类设备日常养护工作较为简便，仅需定期擦拭清理总辐射表防护玻璃罩即可。但该类设备采购成本偏高，内部含有运转构件，配套数据解析流程较为繁琐，检测数值偏差也不易精准核算。
带遮光布局的传感组件
这类设备结构设计更为简约，设备内置传感组件在全天不同时段内，均可实现局部遮光效果，处于遮光状态、数据反馈数值最低的传感单元，专门用于采集散射辐照量数据。
例如Hukx SRD100型散射辐射仪，设备内部设有九组光电二极管传感器，传感器上方配有采用斐波那契点阵开孔设计的遮光挡板，可保障任意时段内都有传感单元处于完全遮光状态。依托这一结构设计，该款设备无需配备运转构件，即可稳定完成散射辐照量检测工作。
图3 Hukx SRD100-D1型散射辐射仪，搭载带遮光布局的光电二极管传感组，无运转构件即可完成散射辐照量检测。
图4 SRD100型设备常规安装实景，设备旁搭配SR300-D1等A级常规总辐射表同步布设。
搭配遮光圆盘的太阳追踪设备
若想要获取精度更高的太阳辐照相关数据，可将两台总辐射表与一台直接辐射表统一安装在太阳追踪支架上。其中一台总辐射表搭配遮光圆盘遮挡直射光线，负责采集散射辐照量；另一台总辐射表采集地表总辐照量，直接辐射表则负责采集直射法向辐照量。集齐三类太阳辐照分量数据后，还可借助前文计算公式完成数据相互核验校准。
该方案是目前数据采集精度较高的应用形式，但太阳追踪支架会大幅增加设备采购成本与日常运维开支，且直接辐射表还需要工作人员每日巡查清洁维护。
光谱均衡特性
散射辐射的光谱构成状态并不固定，晴朗晴空环境下的散射辐射光谱，和阴沉多云天气下的辐射光谱存在明显区别。想要保障散射辐照量检测结果准确，优先选用具备光谱均衡特性的总辐射表更为合适，例如SR300-D1型设备。
使用具备光谱均衡特性的总辐射表开展水平散射辐照量检测时，可直接沿用地表总水平辐照量检测的统一校准标准。若选用不具备光谱均衡特性的总辐射表，则需要单独开展数值偏差评估工作，设备校准参数也需明确标注适配的太阳光谱适用范围。
图6 倾斜面散射辐照量光谱分布情况，数据参考ASTM G173-03标准参考光谱。
散射辐射仪选型参考
想要在户外场地完成稳定可靠的散射辐照量采集工作，需要结合实际使用场景综合考量各类设备方案，各类散射辐射检测方案的优劣势整理详见下表1。
| 散射辐射表 | |||
|---|---|---|---|
| 型号 | SRD100 (使用便捷度佳) | SHR02 遮光环式 (适中款) | 太阳追踪式 (检测精度优良) |
| 精度等级 | 基础级 | 中级 | 优良级 |
| 运维成本 | 偏低 | 偏高 | 偏高 |
| 采购成本 | 偏低 | 适中 | 偏高 |
| 安装体积 | 小巧 | 适中 | 偏大 |
参考文献
1. 2024年发布文献：双面光伏组件运行工况与产能检测相关辐照量监测研究
2. 2021年发布IEC行业标准：光伏系统运行工况 第一部分：数据监测规范
