Development of a model for calculating global solar illuminance from cloud cover

Abstract

In this work, a model for calculating monthly average hourly global solar illuminance from cloud cover was developed. To obtain data for the development of the model, global solar illuminance and cloud cover were measured at four locations namely, the Meteorological Center of the North at Chiang Mai (18.78 °N, 98.98 °E), the Meteorological Center in the Northeast at Ubon Ratchathani (15.25 °N, 104.87 °E), the Solar Monitoring station of Silpakorn University at Nakhon Pathom (13.82 °N, 100.04 °E) and the Meteorological Center of the Eastern Coast of the South at Songkhla (7.20 °N, 100.60 °E) encompassing the year 2015-2020. The data from the measurement in the period of 2015-2019 (5 years) were used to create the model. The model expresses a linear relation between the ratio of the illuminance to the corresponding value of extraterrestrial illuminance and cloud cover. To evaluate the performance of the model, it was used to calculate the illuminance at the four stations using the data for the year 2020. It was found that most of the illuminance calculated from the model reasonably agree with those obtained from the measurement. Additionally, statistical characteristics of global solar illuminance from 15 meteorological stations throughout the country were also analyzed. The analysis includes the diurnal variation, seasonal variation and statistical distribution of the global solar illuminance.

ในงานวิจัยนี้ ผู้วิจัยได้พัฒนาแบบจำลองสำหรับคำนวณความเข้มแสงสว่างรายชั่วโมงเฉลี่ยต่อเดือนจากปริมาณเมฆที่ปกคลุมท้องฟ้า ในการพัฒนาแบบจำลองดังกล่าว ผู้วิจัยได้ดำเนินการวัดความเข้มแสงสว่างธรรมชาติบนพื้นราบ และข้อมูลเมฆจากภาพถ่ายท้องฟ้า ที่สถานีอุตุนิยมวิทยา 4 แห่ง ได้แก่ ศูนย์อุตุนิยมวิทยาภาคเหนือ จังหวัดเชียงใหม่ (18.78 °N, 98.98 °E) ศูนย์อุตุนิยมวิทยาภาคตะวันออกเฉียงเหนือ จังหวัดอุบลราชธานี (15.25 °N, 104.87 °E) มหาวิทยาลัยศิลปากร จังหวัดนครปฐม (13.82 °N, 100.04 °E) และศูนย์อุตุนิยมวิทยาภาคใต้ฝั่งตะวันออก จังหวัดสงขลา (7.20 °N, 100.60 °E) จากนั้นได้ใช้ข้อมูลในช่วงปี ค.ศ. 2015-2019 เป็นระยะเวลา 5 ปี เพื่อสร้างแบบจำลองสำหรับคำนวณความเข้มแสงสว่าง ซึ่งแสดงความสัมพันธ์เชิงเส้นระหว่างอัตราส่วนความเข้มแสงสว่างรวมต่อความเข้มแสงสว่างรวมนอกบรรยากาศโลกกับปริมาณเมฆที่ปกคลุมท้องฟ้า จากนั้นทำการทดสอบสมรรถนะของแบบจำลอง โดยนำไปคำนวณค่าความเข้มแสงสว่างจากข้อมูลที่ไม่ได้ใช้ในการสร้างแบบจำลองของสถานีหลัก 4 แห่ง ในช่วงปี ค.ศ. 2020 และนำผลที่ได้ไปเปรียบเทียบกับค่าที่ได้จากการวัด ผลที่ได้พบว่าค่าที่ได้จากการคำนวณจากแบบจำลองส่วนใหญ่มีความสอดคล้องกับค่าที่ได้จากการวัด โดยมีความต่างในรูปของ root mean square difference เท่ากับ 16.0% และ mean bias difference เท่ากับ 0.56% แสดงให้เห็นว่าแบบจำลองที่ผู้วิจัยพัฒนาขึ้นอยู่ในเกณฑ์ค่อนข้างดี และสามารถนำไปคำนวณหาค่าความแสงสว่างรวมได้ สุดท้ายผู้วิจัยได้ทำการวิเคราะห์ลักษณะทางสถิติของความเข้มแสงสว่างรวมจากทั้ง 15 สถานี ในลักษณะของการแปรค่าความเข้มแสงสว่างตามเวลาในรอบวัน การเปลี่ยนแปลงความเข้มแสงสว่างตามฤดูกาลในรอบปี และการแจกแจงความเข้มแสงสว่างรวมในแต่ละเดือน