1.引言
太阳能发电主要有两种形式，分别是光伏发电（Photovoltaic，PV）和光热发电（Concentrating Solar Power，CSP）。为了获得最大产能，光伏电站的太阳能电池板一般倾斜固定在地面上，出力主要受倾斜面总辐射（Plane of Array Irradiance，POA Irradiance）影响。与此不同，光热发电系统的运行需要借助太阳跟踪器，它主要利用来自太阳的法向直接辐射（Direct Normal Irradiance，DNI）。
为了光热发电项目的顺利并网和稳定运行，对未来几天的法向直接辐射进行准确预报至关重要。首先，准确预测未来几天的发电功率是电网优化调度的基础，而功率预测的准确度取决于法向直接辐射预报的品质。其次，光热发电系统的运行成本比光伏高。特别是多云和阴天时，太阳能资源的减少会严重影响产能。为了保证经济效益，是否开机运行需要参考未来时段内的法向直接辐射资源量。另外，提前获知镜场范围内的法向直接辐射，可以提高塔式光热发电项目对熔盐（Molten salt）的控制水平，避免熔盐低温凝固。最后，法向直接辐射短期预报还可以为业主制定储热罐（Thermal Energy Storage，TES）的充热及放热计划提供决策依据。
因此，开展法向直接辐射的短期预报研究具有极高的科学和应用价值。
2.法向直接辐射的定义
法向直接辐射有多种不同的定义。
国际标准化组织（International Organization for Standardization，ISO）9488文件中，直接辐射的定义如下：“直接辐射是一个接收平面从以日面为中心的小立体角内接收的辐射通量和其面积之商。如果接收平面垂直于立体角的轴，那么它接收的是法向直接辐射”。
世界气象组织（World Meteorological Organization，WMO）仪器与观测方法委员会（Commission for Instruments and Methods of Observations，CIMO）对直接辐射的定义是：“直接辐射用直接辐射表进行测量，直接辐射表的接收面放置在太阳方向的法向。利用孔径，直接辐射表只测量来自太阳及天空中一狭窄环面的辐射，后者有时被称作环日辐射或者日晕辐射”。
根据国家标准化管理委员会制定的《太阳能热利用术语》和《太阳能资源术语》，法向直接辐射的定义是：“从日面及其周围一小立体角内发出的辐射，一般来说，是由视场角约为5-6度的仪器测定的，包括日面周围的部分散射辐射，即环日辐射，而日面本身的视场角约为0.5度”。
国际标准化组织、世界气象组织和国家标准化管理委员会使用了法向直接辐射和直接辐射两种不同的表述。不过，其物理意义相同，两者的差异仅仅是定义角度的不同。前者是从地面入射的角度定义，后者是从太阳出射的角度定义。因此，在很多文献和标准化文件中，法向直接辐射和直接辐射表述的是同一物理量。
用来测量法向直接辐射的地面仪器叫做直接辐射表（Pyrheliometer），如图1所示。
图1 总辐射表和直接辐射表测量的太阳辐射成分
它可以自动跟踪太阳的视位置，并时刻与日面保持对准。与此不同，光伏电站所用的总辐射表（Pyranometer）是水平放置的，它接收到的能量即水平面总辐射（Global Horizontal Irradiance，GHI）是法向直接辐射在水平面的分量和水平面散射辐射（Diffuse Horizontal Irradiance，DHI）之和（图1）。因此，水平面总辐射、法向直接辐射和水平面散射辐射之间满足以下关系：
GHI=DNI × sin θ +DHI （1）
式中：θ 是太阳高度角（Solar elevation angle），它和太阳天顶角（Solar zenith angle）互为余角（图1）。
直接辐射表存在一定的孔径，既可以接收垂直于日面的辐射，也可以接收一定角度范围内的环日辐射（Circumsolar radiation），波长响应范围约为200-4000 nm。不过，一部分被直接辐射表记录的环日辐射并不能被光热发电系统使用，系统能利用的波长范围约为350-2500 nm。
3.我国电力工业标准和政策
我国电力工业对太阳能发电功率进行预测的目的是便于调度机构制定发电计划，而不是电力交易。因此，我国的太阳能发电功率预测标准规范只规定了两种不同的预测机制，分别是面向未来15分钟至4小时的超短期预测和面向未来3天的短期预测（表1）。
表1 国内光伏功率预测机制
为了避免电力系统遭受网络攻击，保障电力系统的安全和稳定运行，《电力二次系统安全防护规定》和《电力二次系统安全防护总体方案》规定，安全生产区和外部公共因特网之间的数据通信需要借助横向单向安全隔离装置。
4.法向直接辐射短期预报技术
4.1太阳能预报方法概述
根据预报时长的不同，地表太阳辐照度的预报方法可以分为随机学习法、全天空成像外推法、卫星成像外推法和数值天气预报等方法。随机学习法（Stochastic learning）是一种统计预测法。以惯性预报法（Persistence forecast）为例，它假设当前的天气状况在一定时段内不变，将当前实测的太阳辐射值看作未来的预报值。
全天空成像外推法（Total sky imagery）和卫星成像外推法（Geostationary satellite imagery）的原理基本一样，都是用图像处理和云跟踪技术分析连续图像，估算出云的运动矢量，再通过云的位置、运动速度和方向预报太阳辐照度的变化。
数值天气预报（Numerical Weather Prediction，NWP）是以当前天气状况为初始和边界条件，用数学模式来预报未来天气的一种方法。描述大气运动的数学模式被称为天气模式，可分为全球模式（Global model）和中尺度模式（Mesoscale model）。全球模式一般是业务化预报模式，初始和边界条件来自各种观测资料，空间分辨率较低。中尺度模式是区域模式，一般以全球模式的预报结果为初始和边界条件，通过降尺度提高时空分辨率，并可以根据研究和应用需求提取所需要的预报参数。
针对未来1-3天的短期太阳辐照度预报，数值天气预报是目前精度最好的方法。
4.2法向直接辐射的计算
全球和中尺度天气模式通过辐射传输模式（Radiative Transfer Model，RTM）计算向下短波辐射。出于简化的目的，天气模式中的辐射传输方案都经过了修改，一般只能输出水平面总辐射。法向直接辐射和水平面散射辐射的求解需借助其他模式，如总辐射-散射辐射模式（Global-to-diffuse model）和晴空模式（Clear sky model）。
总辐射-散射辐射模式以观测资料为基础，先通过回归分析求得总辐射和散射辐射之间的统计关系，然后利用经验公式将总辐射预报分离为散射辐射和法向直接辐射预报两部分。这种方法简单实用，适用于晴空、多云和阴天等不同能见度。不过，观测资料的误差和目标区域的局地气候效应会影响模式的性能。
晴空模式是一种参数化辐射传输模式，比辐射传输模式简单。它不考虑云的因素，只计算晴空条件下的地表辐射，一般以气象变量为输入，气溶胶光学厚度、可降水量和臭氧含量等都是重要的输入参数。许多晴空模式可以直接估算总辐射、直接辐射和散射辐射，在不同的气候条件下表现优越，但是结构比较复杂，而且对输入要求较高。
4.3影响短期预报精度的要素
法向直接辐射主要受太阳几何参数、气溶胶、水汽、臭氧和云影响。其中，云的影响最大。没有云的晴空下，气溶胶、水汽和臭氧等大气成分是影响消光的主要因素。
4.3.1 太阳几何参数
太阳天顶角和小时角（Hour angle）等几何参数决定了地面辐照度在晴空下的日变化。其中，归一化的小时角对法向直接辐射预报精度影响很大。目前，精度最高的太阳位置算法是美国国家可再生能源实验室（National Renewable Energy Laboratory，NREL）的SPA（Solar Position Algorithm）。
4.3.2 气溶胶
晴空条件下对直接辐射和散射辐射影响最大的因素是气溶胶。沙尘暴发生时，气溶胶对直接辐射的消光甚至可以达到100%。在没有气溶胶信息时，总辐射模拟结果的系统性偏差很小，甚至可以忽略，而法向直接辐射和水平面散射辐射的模拟误差很大。在计算中加入实测气溶胶信息后，法向直接辐射和水平面散射辐射的模拟误差明显改善，说明法向直接辐射对气溶胶变率更加敏感，预报难度更大。
4.3.3 水汽
水汽是大气中最重要的温室气体，也是唯一能发生三相转换的大气成分，在时空分布上存在较大的变化。水汽在近红外波段的吸收作用很强，而太阳短波辐射总量的50%左右都集中在这一波段。在模式中加入可靠的水汽信息可以减少法向直接辐射模拟的不确定度。
4.3.4 臭氧
臭氧对太阳辐射的吸收主要发生在三个光谱带。200-300 nm的Hartley带吸收最强，300-360 nm的Huggins带吸收较弱。在440-1180 nm的可见和近红外区，臭氧也有较弱的吸收带，被称为Chappuis带。
4.3.5 云
在多云和阴天的情况下，云对太阳辐射的削弱作用会超过气溶胶等大气成分。由于云瞬息万变，准确预报云的位置、速度和方向一直是大气科学面临的挑战。在云的影响下，模式无法捕捉到直接辐射的高频变率，预报偏差较大。
4.4提高短期预报精度的方法
太阳能预报的不确定度主要来自初始边界条件和模式。下面介绍的几种方法都可用于短期预报精度的提升。虽然有些案例只涉及总辐射，但是原理和方法同样适用于法向直接辐射。
1）资料同化
太阳能短期预报所用的初始场一般是全球模式的预报场，时空分辨率较低。为了获得最优的初始条件，可以用局地观测资料降低背景误差，这种方法被称作资料同化（Data assimilation）。同化静止轨道卫星资料可以有效改善云天条件下模式对总辐射的预报精度。
2）耦合大气化学模式
考虑到计算效率和实用性，天气模式（如ECMWF）中的气溶胶信息一般不在线生成，而是取自气候学数据集。这种离线获取的形式在晴空下会引入误差。为了提高气溶胶等大气成分的预报精度，可以将天气模式和大气化学模式（Atmospheric chemistry model）耦合在一起，把在线生成的气溶胶信息传递给天气模式。
3）改进模式
为了增强中尺度模式对法向直接辐射的预报能力，许多学者对WRF的物理方案做了持续改进。首先，通过修改RRTMG和New Goddard两种辐射传输方案的源代码，WRF的输出参数从V3.5.1起已经覆盖了法向直接辐射和散射辐射。其次，WRF从V3.6起包含了一种气溶胶光学属性参数化方案，该方案可将参数化的单次散射反照率、不对称因子和Angström指数应用于RRTMG辐射传输方案。此外，由于CAM（Community Atmosphere Model）臭氧廓线的直接辐射模拟偏差最小，从WRF V3.7开始，CAM之外的几种辐射传输方案也可以自由调用CAM的臭氧廓线。
美国大气科学中心（National Center for Atmospheric Research，NCAR）为太阳能工业开发的增强版中尺度天气模式——WRF-Solar也即将发布。WRF-Solar以WRF V3.6为原型，在“辐射-气溶胶-云”方面做了大量改进。首先，在计算太阳几何位置时，考虑了真太阳时与平太阳时之间的时差（Equation of time）；其次，加入了基于气候学数据的气溶胶参数化方案，并考虑了气溶胶的湿度效应；此外，模式还考虑了气溶胶与云之间的相互作用，以及云和辐射之间的反馈。
4）集合预报
集合预报是一种有效减少预报不确定度的统计释用技术。根据理论基础的不同，它可以分为等权集合、多模式超级集合和相似集合等形式。
等权集合预报（Ensemble mean）中各个成员拥有相同的权重，最终预报是不同成员的算数平均。
多模式超级集合预报（Multimodel superensemble）将研究时段分为训练期和预报期两个部分。每一个成员的权重由训练期内的模式性能决定，权重在预报期内保持不变，最终预报是各个成员的不等权平均。
相似集合（Analog ensemble）是近几年才出现的一种新方法，已成功应用于风能和光伏短期功率预测。相似集合的原理是从历史预报中寻找未来预报的相似值，并把相似值对应的观测值看作集合成员。与前面两种方法相比，相似集合不需要多个模式构建集合，只需要一个“冻结”模式，因此，可以大量节省成本和计算资源。另外，用相似集合预测发电功率，还可以省略中间的天气变量验证环节。
5）模式输出统计
模式输出统计（Model Output Statistics，MOS）是一种统计后处理方法。它利用历史观测和历史预报建立统计方程，然后用统计关系对未来预报进行订正，以降低模式的系统性偏差。
6）空间平均
由于时空分辨率较高，中尺度模式生成的云场和实际情况相比发生了时空偏移，从而降低了预报精度。为了消除这种效应，可以采用空间平均的方式对预报结果进行处理。
4.5光热功率预测
由于系统复杂（图2），光热发电功率只能借助仿真软件实现预测，如NREL的SAM（System Advisor Model）。根据电厂详细配置（如集热器类型、太阳倍数和储热时长等），仿真软件可计算项目产能及相应的经济效益，并可检验不同精度的法向直接辐射预报对电厂财务指标的影响。
图2 塔式光热发电站结构示意图
与光伏发电不同，光热发电输出功率波动性小，加之仿真软件设置过程繁复，计算量大，因此，与光热发电短期功率预测有关的工作开展得很少。
此外，光热发电技术尚处于探索期，行业成熟度不高，面向光热电站的集群预测也不是当前行业关注的热点问题。
5.国内研究进展及存在的问题
5.1国内研究现状
近几年，随着我国太阳能工业的发展，利用中尺度天气模式预报地表太阳辐射的研究也引起了国内学者的关注。不过，和法向直接辐射预报有关的研究开展得不多。
5.2存在的问题
1）缺少天气模式的对比和验证工作
不同气候背景下，天气模式的预报性能存在差异。在中国地区，不同全球模式和中尺度模式之间的对比和验证工作开展得很少。为了发挥不同模式在业务化预报中的区域优势，相关研究应当加强。
2）缺少晴空模式的对比和验证工作
与天气模式类似，用于计算法向直接辐射的晴空模式也存在局地效应。结合中国地区的气候特征和辐射资料的可获取性，对晴空模式进行性能评估是下一步需要开展的工作。
3）缺少总辐射-散射辐射模式的参数调优工作
总辐射-散射辐射模式的参数由局地或区域观测资料推导而来，经验性影响了模式在其他地区的应用。因此，利用当地辐射资料对总辐射-散射辐射模式的参数进行优化是业务化预报的前期工作。
4）缺少高质量的辐射观测资料
我国测量直接辐射和散射辐射的辐射台站只有17个，资料稀缺。虽然太阳能电厂内也建有辐射站，但是资料质量整体偏低。因此，高质量辐射观测资料的缺失不仅影响了模式的验证，也制约了MOS的应用。
5）不具备实时资料同化的条件
国内绝大多数太阳能发电项目未在安全生产区和外部公共因特网之间安装正向隔离，不满足电力二次系统安全防护的有关规定，导致发电厂无法向外发送实时气象观测资料。因此，利用电厂实时气象资料进行资料同化的基本条件是不具备的。
6）不满足电力生产要求
目前已经开展的太阳能预报工作，时间粒度皆为1小时，起报时刻和spin-up时段均未考虑我国电力工业日前上报的时效性。因此，将这些研究成果应用于我国现有的太阳能发电项目之前还需要更多的评估和检验。
6.展望
光热发电是一种新的太阳能利用形式。由于配备了储热系统，光热项目出力稳定，可昼夜连续发电，有参与电网移峰填谷的潜力。
行业内现有的太阳能预报技术标准主要面向光伏发电。考虑到光热发电的特殊性，这些技术标准无法照搬。因此，结合光热示范项目运行情况，制定专门的预报及预测技术规范，是光热项目大规模并网前亟待解决的问题。
天气模式、晴空模式和总辐射-散射辐射模式在性能方面存在区域差异。如何科学合理地利用模式是太阳能行业面临的基本问题。因此，气象部门和科研院校应当尽快启动针对各类模式的比较计划，检验其在我国不同气候区的模拟性能和不确定度，以为行业应用提供权威性的指导。
晴空条件下，气溶胶等大气成分对太阳能预报精度影响较大。近几年，空气质量模式发展迅速，MACC（Monitoring Atmospheric Composition and Climate）和ICAP-MME（International Cooperative for Aerosol Prediction Multi-Model Ensemble）等全球大气化学项目进展顺利，为气溶胶和臭氧等大气成分的区域数值模拟提供了有利条件。因此，加强大气化学或空气质量模拟研究，可以进一步提升晴空条件下的太阳能预报精度。
由于电厂实时气象资料外送不便，如何利用卫星资料改善云天条件下的预报精度，也是近期太阳能预报研究的重点。目前，国内卫星资料的可获取性和时效性还不能满足行业的应用需求。因此，为了促进行业技术进步，气象部门还应加强卫星资料共享，以提高气象观测数据的使用价值。
高质量的法向直接辐射观测资料对太阳能预报意义重大。法向直接辐射测量难度大，测站维护要求高。为了提高观测资料的质量，业主应选择品质较高的观测仪器，并派专人保养和维护厂区内的太阳辐射站。
另外，国内已有的成果更注重大气科学方面的研究，与电力生产紧密结合的应用研究开展较少。为了促进行业技术进步，学科间的交叉互补应当加强。
最后，不同精度的法向直接辐射预报对储热系统运行和电站出力的影响，也是近期值得发电企业和调度机构关注的问题。
作者及团队介绍
张悦，中国科学院大气物理研究所博士研究生，曾任职东润环能、美国AWS Truepower和丹麦ConWx Aps等公司，拥有多年能源气象从业经验，现为北方大贤风电科技（北京）有限公司高级顾问。主要研究方向：太阳能预报与资源评价。
申彦波，博士，中国气象局首席气象服务专家，研究员级高级工程师。中国气象局风能太阳能资源中心副主任，《太阳能》及《太阳能学报》编委。主要研究方向：太阳能资源及其气候变化特性。近年来在相关领域发表核心期刊论文20余篇，出版专著3部，获得实用新型专利1项。
石广玉，博士，中国科学院大气物理研究所研究员，中国科学院院士，主要研究方向：大气辐射及全球气候变化的理论和观测。
中国气象局风能太阳能资源中心是挂靠于中国气象局公共气象服务中心的科研型业务单位，负责承担风能太阳能资源国家级科研及业务任务，为政府部门提供风能太阳能资源开发利用方面的决策服务，为电网公司、能源集团及设计咨询单位提供资源评估、微观选址、功率预测、新能源城市规划、重大工程项目气候可行性论证和环境影响评价等方面的专业服务。近5年，中心主持承担包括全国风能详查项目、863项目、国家自然科学基金项目、科技部气象行业专项、中欧合作项目和中丹合作项目在内的各类科研项目49项，发表论文70余篇，出版专著6部，主持或参与制定国家和行业标准多部，培养博士和硕士研究生10余人。
