ISO 90592025 太阳能 通过与参考高温计的比较校准高温计标准立项发展报告

太阳能通过与参考高温计的比较校准高温计标准立项发展报告StandardizationDevelopmentReport:SolarEnergy—CalibrationofPyrheliometersbyComparisontoaReferencePyrheliometer摘要随着全球能源结构加速向清洁低碳转型，太阳能资源的高精度测量与评估已成为光伏发电、光热发电、气象观测及气候研究等领域的核心基础性工作。高温计（Pyrheliometer）作为直接太阳辐射测量的关键仪器，其校准准确性直接影响太阳能资源评估、电站选址、性能预测及运行监测的可靠性。国际标准化组织（ISO）发布的ISO9059:2025《太阳能通过与参考高温计的比较校准高温计》标准，系统规定了高温计通过与参考高温计进行比对校准的方法、程序、条件及不确定度评估要求，为全球范围内高温计的溯源一致性和测量结果可比性提供了统一的技术规范。本报告系统梳理了该标准的立项背景、编制历程、核心技术内容及修订要点，深入分析了其对太阳能工程实践、气象观测网络、第三方检测机构及相关产业发展的深远影响，并对标准发布实施后的推广应用前景与技术演进趋势进行了展望。该标准的实施将有力推动全球太阳能辐射测量技术的规范化发展，为可再生能源规模化利用和气候监测体系建设提供坚实的技术支撑。关键词：太阳能；高温计；校准方法；参考仪器比对；国际标准；太阳辐射测量；不确定度评定Keywords:Solarenergy;Pyrheliometer;Calibrationmethod;Referenceinstrumentcomparison;Internationalstandard;Solarradiationmeasurement;Uncertaintyevaluation一、引言在全球气候变化与能源危机双重压力下，太阳能作为一种资源量巨大、分布广泛、清洁可再生的能源形式，其开发利用已上升为各国能源战略的核心内容。世界气象组织（WMO）在全球观测系统建设中，将太阳辐射观测列为基本气象要素之一，直接太阳辐射（DNI）的准确测量更是太阳能热发电站选址设计、光伏电站发电量预测以及大气辐射传输研究不可或缺的基础数据来源[1]。高温计是测量法向直接太阳辐射的专用仪器，其测量准确性依赖于溯源于世界辐射基准（WRR）的校准体系。自20世纪70年代以来，国际辐射基准体系逐步完善，世界辐射中心（WRC）维护的世界标准组（WSG）确保了全球辐射测量的统一溯源。然而，由于高温计长期户外运行导致的灵敏度漂移、窗口污染、热学响应变化等退化因素，定期校准成为保障测量数据质量的必要环节。在此背景下，制定统一的校准方法国际标准，对规范校准流程、统一评估校准不确定度、确保不同实验室及不同区域观测数据之间的可比性具有重要意义。ISO9059的编制修订正是响应上述需求的重要举措。1989年，ISO首次发布ISO9059:1990《太阳能通过与参考高温计的比较校准高温计》，成为该领域首部国际校准方法标准。历经三十余年实践应用与技术发展，2025年8月，ISO正式发布ISO9059:2025修订版，在继承原有技术框架的基础上，结合现代辐射测量技术进展、国际单位制（SI）重新定义后的溯源要求以及测量不确定度评定方法的最新发展，对标准内容进行了系统修订与完善[2]。二、标准基本信息2.1标准概况ISO9059:2025《太阳能通过与参考高温计的比较校准高温计》（Solarenergy—Calibrationofpyrheliometersbycomparisontoareferencepyrheliometer）由国际标准化组织（ISO）发布，标准状态为现行，归口管理为ISO/TC180（太阳能技术委员会）下属的SC1（气候—测量与数据）分技术委员会[3]。该标准发布日期为2025年8月7日，分类号为太阳能工程（27.160），国别为国际组织，标准语言为英语。标准版本为电子版加密PDF格式，需安装FileOpen插件，限制累计3台电脑共打印5次，售价1286.0元。2.2标准适用范围该标准规定了使用参考高温计作为传递标准，通过并排比对方式校准被测高温计（工作级高温计）的方法。适用于工作级高温计的周期性校准、新购置仪器的验收校准以及仪器维修后的性能验证校准。标准规定的校准方法不仅适用于基于热电堆传感器的传统高温计，也适用于当前广泛应用的数字式高温计及其他满足WMO性能等级要求的直接辐射传感器[4]。该方法设计用于室外自然太阳辐射条件下的比对校准，通过参考仪器与被测仪器同步测量直接太阳辐射，进而确定被测仪器的校准因子或灵敏度系数。2.3标准主要结构标准正文部分主要由以下章节构成：范围、规范性引用文件、术语和定义、校准原理、校准条件要求（包括环境条件、场地要求、仪器安装要求）、校准程序（仪器准备、对准检查、数据采集、数据处理）、校准结果的计算与表示、测量不确定度评定、校准报告要求以及附录内容。其中，校准结果的表示和测量不确定度评定部分为本标准新增或重点修订的内容，充分体现了与ISO/IECGuide98-3（GUM）及ISO17025等相关国际规范的协调一致性[5]。三、标准立项背景3.1太阳能产业发展对辐射测量的迫切需求进入21世纪以来，全球太阳能开发利用呈现爆发式增长。根据国际能源署（IEA）统计数据，截至2024年底，全球光伏累计装机容量已超过1.5TW，光热发电装机亦稳步增长。中国作为全球最大的太阳能市场，2024年新增光伏装机容量超过200GW，累计装机量持续领跑全球[6]。太阳能产业的快速扩张对辐射测量数据的准确性和可靠性提出了更高要求。在光伏电站开发中，日照资源评估是项目可行性研究的首要环节，直接辐射测量数据是光热电站塔式、槽式技术的设计基础；在电站运营阶段，准确的辐射测量不仅是发电量预测的核心输入参数，也是电站性能比（PR）评估、故障诊断和运维决策的重要依据。研究表明，辐射测量误差每增加1%，电站发电量预测的不确定性将增加约1.5%～2%，直接影响电站投资回报评估和金融决策[7]。3.2高温计校准体系的现状与挑战高温计作为直接辐射测量的核心仪器，其准确性溯源体系以世界辐射基准（WRR）为核心。WRR由位于瑞士达沃斯的世界辐射中心维护，由一组绝对空腔辐射计构成，测量不确定度优于±0.3%[8]。世界气象组织（WMO）发布的《GuidetoInstrumentsandMethodsofObservation》（WMO-No.8）对高温计的性能等级、维护周期和校准要求提出了明确的指导性规定。然而，由于各国计量机构、气象部门和产业实验室所配备的参考仪器数量有限，大量工作级高温计的校准需要通过逐级比对方式进行。从国际比对（世界辐射中心组织的国际比对IPC）、区域比对（RegionalPyrheliometerComparisons,RPC）到国家层面的计量实验室校准，再到产业实验室的日常校准，形成了一个多层次、多节点的溯源传递链[9]。在这个过程中，校准方法的一致性直接决定了各级校准结果的可比性和溯源有效性。3.3国内外标准化需求分析在ISO9059制定之前，高温计校准领域存在多种方法并存、操作程序参差不齐的局面。各国气象机构和国家实验室虽普遍遵循WMO的指导文件，但在具体操作细节、数据处理方法和不确定度评估方面缺乏统一的技术规范。这种现状导致不同校准实验室出具的校准结果之间存在系统性差异，影响了辐射数据的国际交换和比对。ISO/TC180/SC1基于上述背景，于1985年前后启动了高温计比对校准标准的制定工作。经过多轮草案讨论和国际函审，ISO9059:1990于1990年正式发布，这是国际标准化组织在太阳能辐射测量仪器校准领域发布的首部专用方法标准，填补了该领域的标准空白[10]。3.4标准修订的必要性与时机自1990年版发布以来，太阳辐射测量领域经历了显著的技术变革：第一，测量技术范式的转变。传统基于模拟记录和人工读数的高温计数据采集方式已被数字化、自动化采集系统全面取代。现代高温计普遍配备数字输出接口（RS-485、SDI-12或以太网），采样频率和数据存储能力大幅提升，这为高密度数据比对校准提供了技术可能，也对数据同步、采样对齐等提出了新的技术要求[11]。第二，校准不确定度评定体系的升级。ISO/IECGuide98-3:2008（测量不确定度评定指南）及其系列文件的广泛应用，要求所有校准方法标准必须建立以GUM为基础的不确定度评定框架。1990年版标准中未涉及系统的不确定度评定方法，这已无法满足现代计量管理的要求[5]。第三，新型辐射传感器的涌现。旋转遮光式辐射表（RotatingShadowbandRadiometer,RSR）、光伏型直接辐射传感器等新型仪器的出现，对校准方法提出了新的需求。这些仪器在响应时间、温度依赖性、方向响应等特性方面与传统热电堆传感器存在差异，需要在标准中予以考虑。第四，国际比对数据积累与新参考体系的建立。世界辐射中心分别在1990年、1995年、2000年、2005年、2010年、2015年和2020年组织了多次国际高温计比对（IPC），积累了丰富的比对数据和经验。2020年IPC比对结果进一步确认了WRR的长期稳定性，同时也揭示了部分新型高温计在不同波段响应方面的细微差异，这些发现需要在标准修订中得到反映[12]。在上述背景下，ISO/TC180/SC1于2020年前后启动了ISO9059的系统修订工作，经过多轮工作组讨论、草案征询意见和投票程序，最终于2025年8月顺利完成修订并发布。四、标准主要技术内容4.1校准原理与方法ISO9059:2025规定的校准原理基于高温计的线性响应特性：在正常工作范围内，高温计的输出信号（电压或数字信号）与入射直接太阳辐射强度成正比。通过将待校准高温计与具有已知校准因子的参考高温计在相同辐射条件下进行同步测量，即可根据两者输出比计算待校准仪器的校准因子[1]。标准推荐采用差分（交替）比对法（alternatemethod）和同时比对法（simultaneousmethod）两种模式。差分比对法适用于参考仪器与被测仪器无法完全共视的情况，需要在一定时间窗口内交替测量；同时比对法要求两台仪器具有尽可能一致的视场角和对准方向，在相同时间序列内同步采集数据。标准要求数据采集期间太阳辐射应保持稳定（在±2%范围内），并给出滤除云层遮挡数据的具体判据[2]。4.2不确定性评估方法2015年版修订讨论期间，工作组充分认识到不确定度评定方法的重要性，ISO9059:2025采用基于GUM的方法框架，建立了完整的校准不确定度评估模型。不确定度来源主要包括：参考仪器校准因子的不确定度、参考仪器和被校准仪器的短期不稳定性（重复性）、非线性响应、温度响应差异、视场角（斜率角和接受角）不匹配造成的散射辐射影响差异、余弦响应和方位响应差异、数据采集系统的分辨力和量化误差、环境条件（温度、风速）变化引起的测量偏差以及比对过程中辐射稳定性的影响等[5]。标准要求校准实验室在校准报告中给出校准因子的扩展不确定度（k=2，约95%置信水平），且扩展不确定度应不超过参考仪器校准因子不确定度与仪器间比对附加不确定度的合成结果。对于满足WMO“优质”等级的高温计，其校准因子的扩展相对不确定度应优于±1%，而作为参考仪器使用的高温计则要求优于±0.5%[4][13]。4.3数据采集与处理2025版标准对数据采集和处理方法进行了显著细化和升级。标准要求数据采集系统的时间同步精度不低于1秒，采样频率不低于1Hz，并给出数据质量控制流程，包括异常值剔除判据、云层影响数据识别方法以及数据筛选的最小有效样本量要求。在数据处理环节，标准推荐使用线性回归方法计算校准因子，并给出了异常数据点的统计检验方法（如Grubbs检验或Dixon检验的适用场景和具体判据），同时要求对数据残差进行正态性检验以验证回归模型的适用性[2][14]。4.4环境条件与仪器要求标准对校准场地和环境条件提出了明确要求：场地应具备开阔视野，周围障碍物的仰角应小于5°；校准区域应避免反射面干扰；环境风速应不超过5m/s；环境温度应在0℃至40℃范围内，且在校准期间温度变化不超过±5℃；相对湿度不应超过80%[1][4]。在校准前，被测仪器和参考仪器均需进行外观检查、窗口清洁和干燥剂状态检查。标准建议采用指定的清洁方法和干燥剂更换周期。此外，标准还给出了仪器安装的详细要求，包括水平调节精度（优于0.1°）、对准太阳的方位精度和接口适配器的要求等[2]。4.5校准周期与维护建议标准建议工作级高温计的校准周期为1至2年，具体取决于仪器使用环境和使用频次。对于在恶劣环境（高气溶胶、高湿度、温差剧烈等）下运行的仪器，可适当缩短校准周期。标准同时建议参考高温计每年至少与上一级参考标准比对一次，并保留完整的校准历史记录[2][11]。标准强调，用户应建立完善的仪器运行档案，记录仪器的安装、维护、清洁、校准、更换部件等全生命周期事件。这些记录不仅有助于分析仪器性能漂移趋势，也为校准周期的科学调整提供了数据依据。当仪器经历窗口更换、探测器维修或信号处理单元检修等重要维护后，应重新进行校准[4]。五、标准修订要点分析5.1与1990年版的主要差异为便于对标准的技术变化进行全面把握，现将ISO9059:2025相较于1990年版的主要修订内容进行了系统对比，具体如下表所示：|比较项目|1990年版|2025年版|修订意义||---------|---------|---------|---------||不确定度评定|未涉及系统方法|全面引入GUM框架，明确各不确定度分量的量化方法|符合现代计量要求，确保校准结果的国际互认||数据采集|模拟记录或低频率人工读数|数字采集，采样频率≥1Hz，时间同步精度≤1s|适应现代数字化观测体系，提高比对精度和效率||数据处理|简化算术平均法|线性回归方法，包含异常值检验和残差正态性验证|提高校准因子的计算精度和统计可靠性||校准结果表示|校准因子单一值|校准因子+扩展不确定度+有效性条件|提供完整的校准信息，便于用户合理使用||仪器适用范围|主要为热电堆式高温计|扩展到数字式高温计等符合WMO等级要求的辐射传感器|适应仪器技术发展需要||质量控制|未涉及|增加数据质量控制流程和有效性判据|提高校准结果的可靠性保障||校准报告要求|基本要求|详细规定了报告应包含的信息和格式要求|提高校准报告的规范性和可比性|5.2新增技术要素及科学依据2025年版标准新增了若干重要技术要素，其科学依据主要体现在以下几个方面：首先，在数据筛选准则方面，标准引入了基于辐射稳定性阈值的数据筛选方法。国际比对实践表明，太阳辐射在短时间内的波动主要源于云层和气溶胶变化。通过设定连续时间窗口内辐射变化率阈值的判据（如相邻1分钟平均值变化不超过±2%，优选不超过±1%），可有效剔除云层边缘造成的辐射快速波动数据，确保比对期间参考仪器和被校准仪器处于相同的辐射场条件下，从而最大程度消除辐射不均匀性对校准精度的影响[7][12]。其次，在视场角匹配要求方面，标准根据WMO仪器性能分级，对参考仪器和被校准仪器的视场角提出了匹配要求。参考仪器的斜率角通常为1°±0.2°，接受角为2°±0.4°；被校准仪器的视场应与之匹配，两者斜率角之差应不超过0.2°，以确保两台仪器对太阳盘面和周围光晕的接收几何条件一致[4]。再次，在温度修正方面，标准引入了温度响应修正的参考方法。由于多数高温计存在有限的温度响应系数，标准规定当校准环境温度与参考条件（通常为20℃）的偏差超过±5℃时，应使用仪器温度响应系数对测量结果进行修正，并给出修正的适用条件和不确定度贡献评估方法[2]。最后，2025版还增加了关于数字式高温计的特殊校准要求。针对数字式高温计直接输出数字信号的特点，标准新增了参考仪器信号同步采集和数据格式兼容性的技术建议，同时对数