直接辐射表基础简介

本文为读者介绍直接辐射表相关基础技术知识，讲解其原理与直射辐照度测量相关内容。

概述

直接辐射表是用于测量太阳直射辐射强度的仪器，辐照度国际标准单位为瓦每平方米（W/m²）。以往该设备主要应用于气候研究与气象监测领域，随着全球太阳能产业快速发展，直接辐射表的应用需求也随之大幅提升。

本文将详细讲解直接辐射表的测量对象、实际用途以及工作原理。

图 1 直接辐射表对准太阳，用以测量太阳直射辐照度

直接辐射表：太阳辐照度传感器

直接辐射表用于测量太阳直射辐射E，即单位时间内，垂直于太阳入射方向的单位面积所接收的太阳直射能量，也常被称作法向直射辐照度，简称DNI。

该仪器必须搭配太阳跟踪器使用，由跟踪设备全天自动对准太阳完成测量。

太阳直射辐射E与散射辐射Ed相加，即可得出地表接收的总太阳辐射量，即水平面总辐照度Eg↓，计算公式：

Eg↓= E·cosθ + Ed

式中θ为被测平面法线与太阳入射方向的夹角。

图 2 直接辐射表用于测量太阳直射辐射

为保证仅采集纯太阳直射光线，仪器需要限定可视观测视角。大气层外太阳视场角约0.27°，地面观测视角会受大气环境影响发生变化，大气雾霾越重，太阳视觉面积越大。

依据世界气象组织（WMO）统一规范，现代直接辐射表统一采用2.5°半开角观测视角，该测量范围可同步纳入环日辐射。

图 4 直接辐射表仅采集太阳周边小范围区域的光照，仪器半视场角为 2.5 度。

太阳直射辐射强度受太阳高度角（地理位置、时段、节气）及气象环境因素影响极大，云层、气溶胶、雾霾、雾气、降水等都会改变辐射数值。其常规测量范围为0至太阳常数理论最大值，约1361W/m²。

直接辐射表应用场景

太阳是地球最主要的外太空能量来源，该仪器主要应用于气象气候研究与太阳能光伏发电两大领域。

1. 气象与气候研究

太阳辐射是地球气候气象变化的核心影响因素，在科研工作中，直接辐射表常与总辐射表搭配使用，完整采集直射辐射、总辐射、散射辐射三类辐射数据。

早期总辐射表存在较大零点偏移与方向测量误差，通过直接辐射表搭配散射辐射表测算总辐照度，测量精度远高于单一总辐射表检测。如今SR300等新型总辐射表精度已大幅提升，零点误差极低、方向响应性能优异，但在高精度观测站点（如全球基准地表辐射观测网BSRN）中，依旧沿用直射+散射分测的行业标准。

搭配独立总辐射表同步采集水平面总辐照度，测得三类辐射数据后，可通过直射、散射辐射反向推算总辐射数值，完成数据一致性校验。

2. 太阳能光伏行业

光伏电站运维中，直接辐射表与总辐射表配合使用，用于电站运行性能监测。将电站实际发电量与依托太阳辐射数据测算的理论发电量进行比对，精准判定电站整体运行效率。

同时该设备可用于光伏电站选址勘测，测算场地理论发电收益，评估建站适配性。

聚光式光伏电站必须依靠直射辐射监测数据，保障电站稳定正常运行。

此外，直接辐射表也是测量日照时长最精准的设备。世界气象组织规定：法向直射辐照度大于120W/m²的累计时长即为日照时数。

图 5 安装于太阳跟踪器上的直接辐射表

直接辐射表工作原理

直接辐射表属于热电式辐照度传感器，依托塞贝克热电效应进行数据采集。设备核心结构包含石英玻璃窗口、黑色吸热面、热电堆传感器、遮光筒体、通光孔径及配套电路，还配备瞄准结构，方便精准对准太阳。

设备石英窗口具备滤光作用，可透过200纳米至4000纳米波段太阳辐射，涵盖近红外光、可见光、紫外线A波段及部分紫外线B波段，同时阻隔4微米以上长波热辐射。

玻璃窗口与仪器外壳可防护内部吸热组件与热电堆，避免雨雪等户外环境造成设备损坏。

图 6 法向直射辐照度光谱分布示例，数据源自 ASTM G173-03 标准参考光谱，红线为石英材料典型光谱响应曲线。

太阳辐射穿过石英窗口后，被仪器黑色吸热面充分吸收并转化为热能。设玻璃透光率为τ、吸热面面积为A、表面吸热系数为α，热能吸收量计算公式：

Pabsorption = α ⋅ τ⋅ A ⋅ E (2)

热量使吸热面与仪器散热基体形成温差，温差计算公式：

ΔT = Rthermal ⋅ Pabsorption (3)

其中热阻系数由热电堆传感器材质与结构尺寸决定。