几种天线辐射模型的对比研究

几种天线辐射模型的对比研究

0太阳辐射模型使用技巧关于太阳能的文献提供了各种计算太阳日照时间辐射的模型。他们中的一些是基于理论，另一些是基于经验公式，但其中大多数属于半理论半经验公式。简而言之，它可以分为两类：立即照明率模型；另一种是计算太阳和时间的模型。由于这些模型计算烦琐,因此太阳能工作者往往用总日射表每隔半小时测量瞬时太阳辐照度,然后叠加,得到所需时间段的总的太阳辐射能。这样实验人员必须时时跟踪,既可能产生误差又增加了工作量。为此,有的学者探索适用于本地区的太阳辐射模型,但这都需要多年的实测数据,而我国气象部门的太阳辐射观测站点很稀疏,专为太阳能利用进行的辐射测量几乎没有,现有的实测资料远不能满足太阳能研究的需要。所以一般均需要借助理论计算。本文介绍了最常用的二种晴天太阳辐射模型,一方面考虑到太阳能研究和太阳能热利用一般是在晴天进行的,另一方面晴天太阳辐射模型适用地区范围较广,只要计算得到某地的太阳辐射状况,则该地区方圆几百千米范围内的太阳辐射均可近似适用。通过对2种晴天太阳辐射模型的编程计算,并与实测值对比,晴天太阳辐射模型Ⅰ与实测值符合较好,误差均在5%以内,完全满足一般工程需要。本文推荐采用晴天太阳模型Ⅰ。1一般天赛太阳辐射模型的介绍1.1a、c、rGon=Gsc[1+0.033cos(360n/365)](1)其中,太阳常数Gsc=1367W/m2,n为从元旦算起的天数。大气层外切平面上瞬时太阳辐射G0=Goncosθz(2)其中,cosθz=cosØcosδcosω+sinØsinδ,赤纬角δ=23.45°sin[360°(284+n)/365]晴朗天气太阳直射透过比τb为τb=GcbG0=a0+a1exp(-kcosθz)(3)τb=GcbG0=a0+a1exp(−kcosθz)(3)上式使用于大气能见度23km,海拔低于2500m,系数可由下式确定a0=r0a*0,a1=r1a*1,k=rkk*其中,a*0=0.4237-0.00821(6-A)2a*1=0.5055+0.00595(6.5-A)2k*=0.2711+0.01858(2.5-A)2A为海拔(km),修正因子r0,r1,rk由气候类型确定,如下表1所示。水平地面瞬时太阳直射辐射Gcb=Gonτbcosθz(4)故一天内水平地面上太阳直射辐射能Hcb[MJ/m2·d]为Hcb=∫tSStrstSStrsGcbdt(5)晴朗天气太阳散射透过比τb为τd=GcdG0=0.271-0.294τb(6)τd=GcdG0=0.271−0.294τb(6)水平地面上瞬时太阳散射辐射Gcd=(0.271-0.294τb)G0(7)一天内水平地面上太阳散射辐射能Hd[MJ/(m2·d)]Hcd=∫tSStrstSStrsGcddt(8)故一天内水平地面上太阳总辐射能Hc(MJ/m2·d)Hc=Hcb+Hcd(9)晴天大气瞬时总透过比τ=GG0=Gcb+GcdG0=τb+τd(10)τ=GG0=Gcb+GcdG0=τb+τd(10)一天内大气总透过比(加权平均)ΚcΤ=∫tSStrs(τb+τd)dt∫tSStrsdt(11)KcT=∫tSStrs(τb+τd)dt∫tSStrsdt(11)1.2大气边界层模型水平地面上瞬时太阳总辐射能G=A(C+cosθz)exp(-Bcosθz)(12)G=A(C+cosθz)exp(−Bcosθz)(12)上式系数A、B、C是取决于大气组成成分以及日期,且仅适用于低海拔和较湿润气候地区,它们往往根据本地实验测试取得,因此该模型普适性较差。另外,半正弦模型和Collares-Pereira-Rabl模型可用于瞬时太阳总辐射量的计算,但均需预先通过其他模型求得全天太阳总辐射能。2分子中积分中心的变化由于一般太阳能集热器面朝正南(适用于北半球),故本文计算时取集热器的方位角Ɣ=0。如图1所示,瞬时太阳直射辐射的倾斜因子Rb为Rb=GcbΤGcb=G′cosθG′cosθΖ=cosθcosθΖ(13)其中,cosθ=cosθZcosβ+(cosθZsin∅-sinδ)sinβcos∅故全天的太阳直射辐射的倾斜因子ˉRb=∫tSStrsG′cosθdt∫tSStrsG′cosθΖdt=∫tSStrsGontbcosθdt∫tSStrsGontbcosθΖdt(#)=cos(∅-β)cosδsinω´S+π180ω´Ssin(∅-β)sinδcos∅cosδsinωS+π180ωSsin∅sinδ(14)其中,ω′s=min{cos-1(-tanØtanδ),cos-1[-tan(Ø-β)tanδ]}(注:##分子中积分上下限应为相对于倾斜面的日出时刻t′rs和日落时刻t′ss,但它们与trs和tss相差甚小。)对于集热器面朝正南且倾角β等于当地纬度Ø时,式(14)可简化为ˉRb=cosδsinω´Scos∅cosδsinωS+π180ωSsin∅sinδ(15)其中ω′s=min[cos-1(-tanØtanδ),90°]对于集热器面朝正南且竖直时(如朝南的窗户或墙面等),则式(14)可简化为ˉRb=sin∅cosδsinω´S-π180ω´Scos∅sinδcos∅cosδsinωS+π180ωSsin∅sinδ(16)其中,ω′s=min[cos-1(-tanØtanδ),cos-1(ctanØtanδ)]由此可得某一天内倾斜面上太阳总辐射量ˉΗTΗΤ=(1-ΗcdΗc)ΗcˉRb+Ηcd(1+cosβ2)+Ηcρg(1-cosβ2)(17)以上所有公式中的积分上下限改为白天某一段时间的起止时刻,利用辛普生法计算定积分,则可计算该段时间内在水平上和倾斜面上的太阳直射、散射和总辐射值。3模型编程算法分别对模型Ⅰ和模型Ⅱ进行编程计算,再与实验值对比,结果发现模型Ⅱ比模型Ⅰ的计算值编大甚多,尤其在冬季偏差可达55%,夏季最小偏差约为3%,且都比实验值大。模型Ⅰ的计算值比模型Ⅱ更接近实验值,它与实验值的误差一般均在5%以内(在计算机每隔3min自动采集太阳总辐射值的情况下得到,若每隔30min用总日射表人工读取数据,经回归和辛普生积分处理,其误差一般在5%～10%范围内),完全能满足一般工程计算需要。本文推荐用模型Ⅰ对晴天太阳辐射进行计算,如图2所示为晴天太阳辐射模型Ⅰ的编程计算方框图。如图3和如图4分别为合肥市(纬度31°53′,经度117°14′,海拔30m)水平面上和倾斜面上模型Ⅰ理论值与实验值的比较图。4对某一部分东南角太阳能辐射观测的分析本文对最常用的二种晴天太阳辐射模型进行了对比计算,并用实验验证,结果模型Ⅰ与实验值符合较好,误差均在5%以内,完全能满足一般的工程计算和实验需要。这对缺乏太阳能辐射观测站的地区尤为重要。对于非完全晴朗天气,也可采用本文介绍的计算方法对某一段晴朗时间内的太阳辐射能进行计算。对于需精确数据的科学实验(任何天气状况),可根据计算机数据采集系统(间隔可以秒计)采集的数据进行回归,得到回归方程,然后用本文介绍的计算积分的方法计算,可以达到很高的精度。大气辐射特性分析A——海拔[km];trs——日出时刻;Gon——大气层外的太阳辐射[W/m2];tss——日落时刻;G0——大气层外界切平面上瞬时太阳辐射[W/m2];t——时间;G——晴天水平地面瞬时太阳总辐射[W/m2];ω——太阳时角,(°);Gcb——晴天水平地面瞬时太阳直射辐射[W/m2];ωs——相对于水平面的日出(落)时角;Gcd——晴天水平地面瞬时太阳散射辐射[W/m2];ω′s——相对于倾斜面的日出(落)时角;G′(=Gonτb)——入射到地面的瞬时太阳直射辐射[W/m2];δ——太阳赤纬角,(°);Hc——晴天一天内水平地面上太阳总辐射能[MJ/(m2·d)];θ——入射光线与斜面法线的夹角,(°);Hcb——晴天一天内水平地面上太阳直射辐射能[MJ/(m2·d)];θz——太阳天顶角,(°);Hcd——晴天一天内水平地面上太阳散射辐射能[MJ/(m2·d)];τ——透过大气