CNS 15064-1-2007 Solar energy - Reference solar spectral irradiance at the ground at different receiving conditions - Part 1 Direct normal and hemispherical solar irradiance for ai.pdf
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1、1 印月961月 本標準非經本局同意得翻印 中華民國國家標準 CNS 總號 號 ICS 27.160 K8026-115064-1經濟部標準檢驗局印 公布日期 修訂公布日期 961月18日 月日 (共20頁)太陽能在不同地球表面接收狀況下之參考太陽光譜照射度第 1 部:大氣光程 1.5 下之直接垂直與半球太陽照射度 Solar energy Reference solar spectral irradiance at the ground at different receiving conditions Part 1: Direct normal and hemispherical sola
2、r irradiance for air mass 1.5 目錄 節次 頁數 1. 適用範圍 2 2. 定義 3 3. 應用光譜數據以導出有效太陽照射度與太陽光譜加權數量 4 4. 準確度確認 5 5. 直接垂直太陽照射度、面對赤道傾斜 37平面上之半球太陽照射度與標準化半 球太陽照射度之標準數據 5 附錄 A. 大氣層模式之大氣參數 . 14 B. 導出自光譜照射度表列數據之計算技術 . 15 C. 太陽照射度之光譜圖 17 D. 參考文獻 19 2 CNS 15064-1, K 8026-1 簡介 地球表面對太陽能之吸收率、反射率及透射率,在太陽熱能系統性能、光電系統性能、材料研究、生質能
3、 (biomass)研究及太陽模擬活動等方面是重要因素。這些光學性質通常是波長的函數,因此需要先知道太陽通量之光譜分布方能計算太陽能之加權性質。為能夠比較互相競爭性產品之性能,故需要一個太陽光譜照射度分布之參考標準。 列於本標準之表列數據,係提供光譜照射度數據。這些取自模式之數據,為依據 ASTM E 891-87 大氣光程 1.5 時之地球表面直接垂直太陽光譜照射度 (Terrestrial direct normal solar spectral irradiance at air mass 1.5)與 ASTM E 892-87 大氣光程 1.5 時,針對一個傾斜 37平面之地球表面直接
4、垂直太陽光譜照射度 (Terrestrial direct normal solar spectral irradiance at air mass 1.5 for a 37 tilted surface)。這些數據構成一系列有關在不同接收狀況下,例如不同反照率 (albedo)、傾斜角度時之不同光譜照射度的標準。 本標準相關表中的數值為取自模式之大氣光程太陽光譜資料,其 係依據修訂過後的Neckel and Labs(1)大氣光程 0 大氣層邊界太陽光譜、 BRITE(3)(4) Monte Carlo 輻射傳送程式及具有鄉村氣懸膠 (6)(7)(8)特性的 1962 年美國標準大氣所產出。
5、更詳盡之細節見附錄 A。 大氣層邊界光譜常用來產生地球表面光譜,以前係由 Frohlich 與 Wehril 所提供,目前常使用經過修改及延伸之 Neckel 與 Labs(2)光譜。 Neckel 與 Labs 依據 Frohlich(9)的報告且引用 Hardorp(10)的研究,使用較新的太陽臨邊暗化 (solar limb-darkening)數據來將輻射 (radiance)轉化成照射度 (irradiance),並用以修改其光譜。依據 Frohlich(10)使用來自夏威夷 Mauna Loa 天文台 (11)經過校正之太陽光度計數據之比較顯示,此項新的大氣層邊界光譜乃是目前最佳可
6、用者之一。 地球表面太陽光譜數據之研擬乃是依據 Bird 等人 (12)(13) 之研究工作。在使用BRITE(3)(4) Monte Carlo 輻射移轉程式來計算地球表面光譜數據時,作者所進行之反覆計算僅至於 2.4500 m。此光譜被使用來自 ASTM E 891-87 與 ASTM E 892-87 的 16個 Ei值來擴展至 4.0500 m。 ASTM E 891-87 的照射度數值係依據大氣層邊界光譜來計算。為考量在 0.3050 m 與 4.0450 m 之區域間,在區域內額外的數據點亦被納入太陽照射度中,約占總照射度 1.5%。 本標準之其他系列標準將會考量近來在基本數據取得
7、與模型化技術的改進,以引導出更佳的準確度。 1. 適用範圍 當直接及半球太陽照射度係所欲之要素,本標準之內容提供一個適當的標準光譜照射度分布,以用於決定太陽熱能、光電與其他系統、組件與材料等性能比較。在地球表面反照率 (albedo)固定於 0.2 時,使用地球表面組成部分來進行模擬時所可能造成之缺點,已經明顯註明。 在本標準的表格定義一個大氣光程為 1.5 時之太陽光譜照射度,以提供在直接垂直輻射、視野角 (field-of-view angle)為 5.8、半球輻射照射於一個面向赤道傾斜角 37反照率為 0.2 之平面上,且需要一個標準光譜照射度時使用。這些表格係預期用來代表一個理想的晴天
8、天空狀況。 3 CNS 15064-1, K 8026-1 2. 定義 本標準採用下列各項用詞與定義: 2.1 大氣光程 0(air mass zero, AM0):在平均地球太陽距離,照射於地球大氣層之外的太陽輻射量。 2.2 大氣光程 (air mass, AM):在實際的觀察者太陽路徑上之大氣層質量,另假設觀察者處於海平面且在標準大氣壓下 太陽又在正上方時之大氣層質量,求出兩者間的比率。 備考: 大氣光程隨著太陽之仰角與隨著高度變化之當地氣壓而有所變動。對於一個天頂角 (zenith angle)Z 為 62或更低者且當地氣壓為 P 時 (P0為標準大氣壓 ), AM =ZPPcos0。
9、 2.3 直接太陽照射度 (direct solar irradiance):在一個給定的平面接收器表面,對太陽光盤中心以小立體角 (solid angle)接收的輻射通量,與該平面面積的比率 (單位為 W m2)。 備考: 若此平面係垂直於此立體角之軸心,則所接收者為直接垂直太陽照射度(direct normal solar irradiance)。對於現代適當設計之輻射計來說,此處適用之立體角 (solid angle)相當於低於 6之視野角 (field-of-view angle)。 2.4 半球太陽照射度 (hemispherical solar irradiance):在一個給定平
10、面上,接收自上方天空半球的太陽輻射通量 (包括直接太陽輻射通量 )與平面之面積兩者之間的比率 (單位為 W m2)。 2.5 光譜太陽照射度 (spectral solar irradiance, E):在給定的波長 下,每單位波長間隔的太陽照射度 E(單位為 W m2 m-1)。 E=ddE備考: 被評估之參考光譜介於 0.305 m 4.045 m 之間。測量太陽輻射之光譜範圍,則被限制於 0.3 m 3 m 之間,涵蓋整個光譜的 98.5%(進一步細節,請參考 CNS 15033太陽能量測半球太陽輻射與直接太陽輻射儀器之規格及分級 )。但是在本標準中,光譜範圍被限制於 0.305 m 4
11、.045 m 之間。 2.6 氣象光距 (meteorological optical range):當一個黑色目標與地平面上天空之間的對比相當於對比門檻值 (threshold contrast) 0時之水平距離 V: V=1ln01其中, :為大氣消光係數 (atmospheric extinction coefficient),單位為 m1。 0 :是一個數值為 0.05 的參數,因此 ln013.0 4 CNS 15064-1, K 8026-1 3. 應用光譜數據以導出有效太陽照射度與太陽光譜加權數量 3.1 經過光譜修正之總太陽照射度 若 R()是一個裝置 之波長相關性質 (例如響
12、應率、透射率、反射率、吸收率 )且E()代表太陽光譜照射度,則依據此裝置之光譜性質來加權之有效總太陽照射度 ES,可以使用 E()與 R()乘之積分方式來計算如下: SE =0)( dER (1) 3.2 太陽光譜加權性質 當應用總太陽光譜時, R()的有效平均值 Rs,一般可以使用下列方程式來計算: sR =00)(dEdER(2) 因為光譜性質與光譜照射度通常被視為是不連續數值,因此此項積分可以被以總和 (summation)方式來進行,因此方程式 (1)與方程式 (2)成為 SE =iNiiiER =1)( (3) sR =NiisiEE1(4) 其中,i : 為光譜數據已經知道的 N
13、個點中的第 i個點的波長。這些數據代表總和計算之實際限制。 3.3 加權縱座標法 (weighted ordinate method) 加權縱座標法係藉著使用表一所給予之 i、 i與 Ei之數值,來進行方程式 (3)與方程式 (4)之總合的方法。通常需要進行光譜響應率 R()之相鄰數值的內插工作,因為以數位方式記錄之響應曲線之波長,可能與表一所給予者有所不同。 3.4 選定縱座標法 (selected ordinate method) 在選定縱座標法中係將太陽光譜照射度切割為 m 個波長間隔,每個各含有總太陽照射度0E 的m1,並具備形心 (centroid)波長 i。因此使得所有 Ei、 i
14、的乘積,皆等於mE0,並得以成為總合計算獲得之因數。方程式 (3)與方程式 (4)因此可以被簡化為: SE =mE0=miiR1)( (5) sR =m1=miiR1)( (6) 對於具備 100 點與 50 點之選定質心波長之適當數值,提供於表 2 與表 3 中。對於具有較為平滑光譜響應率之裝置, 50 點的選定縱座標已經足夠。對於光譜響應率含有較複雜結構之裝置,應該使用 100 點選定縱座標法或加權縱座標法。 5 CNS 15064-1, K 8026-1 4. 準確度確認 本標準所列出之直接垂直照射度數值,與使用 5.8視野角 (field-of-view angle)之垂直入射且稍微允
15、許少量環日輻射 (circumsolar radiation)漫輻射 (diffuse radiation)被偵測到之日射強度計 (pyrheliomenter)所測量得者一致。對於此處所模擬之各種大氣狀況,此種環日輻射增加量測得之直接太陽照射度約 1%。 單一的異常數值 (例如因為不適當之遮陽方法所造成者 ),不應該被 納入本標準之表格來考量。 備考: 在特定的光譜範圍內 (0.305 m 4.045 m 之間 ), BRITE Monte Carlo 電腦程式未被使用實驗數據進行過適當之驗證。由本標準所獲得之直接垂直照射度結果,已經與其他嚴謹程式所獲得之結果進行過比較。比較結果顯示在具有主
16、要的輻射出現的光譜區域,不同模式之差異皆在 5%。這些模式之間幾乎所有差異,皆可追溯到作為程式輸入數值之分 子吸收係數 (molecular absorption coefficient)之差異所造成。 5. 直接垂直太陽照射 度、面向赤道傾斜 37平面上之半球太陽照射度與標準化半球太陽照射度之標準數據。 表 1 提供下列資料: 由 0.3050 m 4.045 m 波長之間之直接垂直太陽光譜照射度。 對於一個面向赤道呈 37入射傾斜平面之半球太陽光譜照射度。 標準化半球太陽光譜照射度 (標準化至太陽照射度為 1000 W m2)。 表 1 列出之數值係在大氣光程 1.5(AM1.5)和視野角
17、為 5.8(地球表面反照率為 0.2)時相關條件下,地球表面與太陽之間相關數值。 表 1 之各欄數據,提出下列參數之數值: 第 1 欄:波長為i ,單位為 m。 第 2 欄、第 5 欄、第 8 欄:光譜照射度之平均值iE,單位為 W m2 m1。 第 3 欄、第 6 欄、第 9 欄:積分太陽照射度iE0,單位為 W m2。 第 4 欄、第 7 欄、第 10 欄:波長 0 i之太陽照射度所佔分數 Fi波長分數(wavelength fraction)。 備考: 在抵達地球表面之輻射中,波長低於 0.3 m 者僅占極小部分。請參見圖 C.1與圖 C.2 之圖形。 表 2 為選定縱座標 100 點
18、(波長分數 Fk)提供下列資料: 在波長位於 0.3050 m 4.045 m 波長之間,對於一個傾斜平面之直接垂直太陽光譜照射度。 對於一個面向赤道呈 37入射傾斜平面之半球照射度。 表 2 列出之數值係在大氣光程 1.5(AM1.5)和視野角為 5.8(地球表面反照率為 0.2)時相關條件下,地球表面與太陽之間相關數值。 表 2 之各欄數據,提出下列參數之數值: 第 1 欄:波長 0 k之太陽照射度所佔分數 Fk。 6 CNS 15064-1, K 8026-1 第 2 欄與第 4 欄:積分太陽照射度kE0,單位為 W m2。 第 3 欄與第 5 欄:波長為 k,單位為 m。 表 3 為選
19、定縱座標 50 點 (波長分數 Fk)提供與表 2 相同參數之各欄數據。 7 CNS 15064-1, K 8026-1 表 1 光譜太陽照射度 直接垂直太陽光譜照射度 0.3050 m 4.045 m波長 半球太陽光譜照射度 入射於一個面向赤道呈 37入射角之傾斜平面 標準化後之半球太陽光譜照射度 (標準化至 1000 W m2) 波長 i EiiE0FiEiiE0FiEiiE0Fi1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 0.3050 3.4 0.02 0.0000 9.2 0.06 0.0001 9.5 0.06 0.00010.3100 15.6 0.07 0.0001 40.8 0.
20、19 0.0002 42.3 0.19 0.00020.3150 41.1 0.21 0.0003 103.9 0.55 0.0006 107.8 0.57 0.00060.3200 71.2 0.49 0.0006 174.4 1.25 0.0013 181.0 1.29 0.00130.3250 100.2 0.92 0.0012 237.9 2.28 0.0024 246.0 2.36 0.00240.3300 152.4 1.55 0.0020 381.0 3.82 0.0040 395.3 3.97 0.00400.3350 155.6 2.32 0.0030 376.0 5.72
21、0.0059 390.1 5.93 0.00590.3400 179.4 3.16 0.0041 419.5 7.70 0.0080 435.3 7.99 0.00800.3450 186.7 4.08 0.0053 423.0 9.81 0.0102 438.9 10.18 0.01020.3500 212.0 5.07 0.0066 466.2 12.03 0.0125 483.7 12.49 0.01250.3600 240.5 7.34 0.0095 501.4 16.87 0.0175 520.3 17.51 0.01750.3700 324.0 10.16 0.0132 642.1
22、 22.59 0.0234 666.2 23.44 0.02340.3800 362.4 13.59 0.0177 686.7 29.23 0.0303 712.5 30.33 0.03030.3900 381.7 17.31 0.0225 649.6 36.14 0.0375 720.7 37.50 0.03750.4000 556.0 22.00 0.0286 976.4 44.49 0.0462 1013.1 46.17 0.04620.4100 656.3 28.06 0.0365 1116.2 54.96 0.0570 1158.2 57.02 0.05700.4200 690.8
23、34.80 0.0453 1141.1 66.24 0.0687 1184.0 68.74 0.06870.4300 641.9 41.46 0.0540 1033.0 77.11 0.0800 1071.9 80.01 0.08000.4400 798.5 48.66 0.0633 1254.8 88.55 0.0919 1302.0 91.88 0.09190.4500 956.6 57.44 0.0748 1470.7 102.18 0.1060 1526.0 106.02 0.10600.4600 990.0 67.17 0.0874 1541.6 117.24 0.1217 1599
24、.6 121.65 0.12170.4700 998.0 77.12 0.1004 1523.7 132.57 0.1376 1581.0 137.55 0.13760.4800 1046.1 87.34 0.1137 1569.3 148.03 0.1536 1628.3 153.60 0.15360.4900 1005.1 97.59 0.1270 1483.4 163.30 0.1694 1539.2 169.44 0.16940.5000 1026.7 107.75 0.1402 1492.6 178.18 0.1849 1548.7 184.88 0.18490.5100 1066.
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