Long-term solar irradiance data are required for reliable performance evaluation and feasibility analysis of solar photovoltaic systems. However, measurement data of the global horizontal irradiance (GHI) are only available for major cities in Korea. Neither the direct normal irradiance (DNI) nor the diffuse horizontal irradiance (DHI) are available, which are also needed to calculate the irradiance on the tilted surface of PV array. It is a simple approach to take advantage of the decomposition model that extracts DNI and DHI from GHI. In this study, we investigate variations of solar PV power estimation due to the choice of decomposition model. The GHI data from Korea Meteorological Administration (KMA) were used and different sets of typical meteorological year (TMY) data using some well-known decomposition models were generated. Then, power outputs with the different TMY data were calculated, and a variation of 3.7% was estimated due to the choice of decomposition model.
Numerical Weather Prediction (NWP) models such as the Weather Research and Forecasting (WRF) model are essential for forecasting one-day-ahead solar irradiance. In order to evaluate the performance of the WRF in forecasting solar irradiance over the Korean Peninsula, we compared WRF prediction data from 2008 to 2010 corresponding to weather observation data (OBS) from the Korean Meteorological Administration (KMA). The WRF model showed poor performance at polluted regions such as Seoul and Suwon where the relative Root Mean Square Error (rRMSE) is over 30%. Predictions by the WRF model alone had a large amount of potential error because of the lack of actual aerosol radiative feedbacks. For the purpose of reducing this error induced by atmospheric particles, i.e., aerosols, the WRF model was coupled with the Community Multiscale Air Quality (CMAQ) model. The coupled system makes it possible to estimate the radiative feedbacks of aerosols on the solar irradiance. As a result, the solar irradiance estimated by the coupled system showed a strong dependence on both the aerosol spatial distributions and the associated optical properties. In the NF (No Feedback) case, which refers to the WRF-only stimulated system without aerosol feedbacks, the GHI was overestimated by $50-200W\;m^{-2}$ compared with OBS derived values at each site. In the YF (Yes Feedback) case, in contrast, which refers to the WRF-CMAQ two-way coupled system, the rRMSE was significantly improved by 3.1-3.7% at Suwon and Seoul where the Particulate Matter (PM) concentrations, specifically, those related to the $PM_{10}$ size fraction, were over $100{\mu}g\;m^{-3}$. Thus, the coupled system showed promise for acquiring more accurate solar irradiance forecasts.
Korean Journal of Air-Conditioning and Refrigeration Engineering
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v.29
no.4
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pp.159-166
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2017
The growing global interest in energy saving is particularly evident in the building sector. The transmitted solar irradiance is an important input in the prediction of the building-energy load, but it is a value that is difficult to measure. In this paper, a calculation method, for which the total horizontal irradiance that can be easily measured is employed, for the measurement of the transmitted solar irradiance through windows is proposed. The method includes a direct and diffuse split model and a variable-transmittance model. The results of the proposed calculation model are compared with the TRNSYS-simulation results at each stage for the purpose of validation. The final results show that the CVRMSE over the year between the proposed model and the reference is less than 30 %, whereby the ASHRAE guideline was achieved.
Direct, continuous, and accurate measurements of solar ultraviolet irradiance (290-400 nm: UVR) have been carried out since 1990, by using both band-spectral ultraviolet-B (290-320 nm: UV-B) and ultraviolet-A (320-400 nm: UV-A) radiometers at Tokai University in Hiratsuka, Japan (35$^{\circ}$N, 139$^{\circ}$E). From our observations, the following findings are provided: 1) an increasing trend in solar UV -B from Oct. 1990 to Sept. 2000; 2) a regional comparison of solar UVR in Japan; 3) the distinct characteristics of UV-B and UV-A irradiance, such as diffuse property, daily and seasonal variation; and 4) human body protection against solar UVR. An increasing 10-year trend in global solar UV - B in Hiratsuka corresponded to a decrease in the total ozone amount measured at Tsukuba (36$^{\circ}$N, 140$^{\circ}$E), giving supportive evidence for a direct link between these two parameters. Furthermore, a strong correlation was found between solar UV-B and total ozone amount from results of UVR measurements at four Tokai University monitoring stations dispersed throughout Japan. Additional results revealed different diffuse properties in global solar UV and in global solar total (300-3000 nm: Total) irradiances. For example, in the global UVR, the diffuse component was dominant: about 80 % independent of weather, with more than 60 % of global UV-B, and more than 50% of global UV-A with even a cloudless clear sky. On the other hand, the portion of the diffuse in the global total irradiance was very low, less than 10 % on a cloudless clear day. Daily and seasonal variations of UV -B and UV -A irradiances were found to be quite different, because of the marked dependence of UV -B irradiance on the atmospheric ozone amount. Moreover, UV -B irradiance showed large daily and seasonal variations: the ratio between maximum and minimum irradiances was more than 5. In contrast, the variation in UV-A was small: the ratio between maximum and minimum was less than 2. Three important facts are proposed concerning solar UVR protection of the human body: 1) the personal minimal erythema dose (MED); 2) gender based difference in MED values; and 3) proper colors for UVR protective clothing.
Jung, Yeonjin;Cho, Hi Ku;Kim, Jhoon;Kim, Young Joon;Kim, Yun Mi
Atmosphere
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v.21
no.2
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pp.131-142
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2011
Spectral solar irradiances were observed using a visible and UV Multi-Filter Rotating Shadowband Radiometer on the rooftop of the Science Building at Yonsei University, Seoul ($37.57^{\circ}N$, $126.98^{\circ}E$, 86 m) during one year period in 2006. 1-min measurements of global(total) and diffuse solar irradiances over the solar zenith angle (SZA) ranges from $20^{\circ}$ to $70^{\circ}$ were used to examine the effects of clouds and total optical depth (TOD) on enhancing four solar irradiance components (broadband 395-955 nm, UV channel 304.5 nm, visible channel 495.2 nm, and infrared channel 869.2 nm) together with the sky camera images for the assessment of cloud conditions at the time of each measurement. The obtained clear-sky irradiance measurements were used for empirical model of clear-sky irradiance with the cosine of the solar zenith angle (SZA) as an independent variable. These developed models produce continuous estimates of global and diffuse solar irradiances for clear sky. Then, the clear-sky irradiances are used to estimate the effects of clouds and TOD on the enhancement of surface solar irradiance as a difference between the measured and the estimated clear-sky values. It was found that the enhancements occur at TODs less than 1.0 (i.e. transmissivity greater than 37%) when solar disk was not obscured or obscured by optically thin clouds. Although the TOD is less than 1.0, the probability of the occurrence for the enhancements shows 50~65% depending on four different solar radiation components with the low UV irradiance. The cumulus types such as stratoculmus and altoculumus were found to produce localized enhancement of broadband global solar irradiance of up to 36.0% at TOD of 0.43 under overcast skies (cloud cover 90%) when direct solar beam was unobstructed through the broken clouds. However, those same type clouds were found to attenuate up to 80% of the incoming global solar irradiance at TOD of about 7.0. The maximum global UV enhancement was only 3.8% which is much lower than those of other three solar components because of the light scattering efficiency of cloud drops. It was shown that the most of the enhancements occurred under cloud cover from 40 to 90%. The broadband global enhancement greater than 20% occurred for SZAs ranging from 28 to $62^{\circ}$. The broadband diffuse irradiance has been increased up to 467.8% (TOD 0.34) by clouds. In the case of channel 869.0 nm, the maximum diffuse enhancement was 609.5%. Thus, it is required to measure irradiance for various cloud conditions in order to obtain climatological values, to trace the differences among cloud types, and to eventually estimate the influence on solar irradiance by cloud characteristics.
Jo, Dok-Ki;Yun, Chang-Yeol;Kim, Kwang-Deuk;Kang, Young-Heack
Journal of the Korean Solar Energy Society
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v.32
no.3
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pp.77-87
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2012
Images taken by geostationary satellite may be used to estimate solar irradiance fluxes at earth's surface. It is based on the empirical correlation between a satellite derived cloud index and the irradiance at the ground. For the validation, estimated direct normal Insolation is compared with observed direct normal Insolation at 16 sites over the Korean peninsular from January 1982 to December 2010. Estimated direct normal Insolation shows reliable results with average deviation of -5.4 to +5.9% from the measured values and the yearly averaged direct normal Insolation of Korean peninsula was turned out to be 2.93 $kW/m^2/day$.
Choi, Ji Nyeong;Lee, Sanghee;Seong, Sehyun;Ahn, Ki-Beom;Kim, Sug-Whan;Kim, Jinho;Park, Sanghyun;Jang, Sukwon
Korean Journal of Remote Sensing
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v.36
no.3
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pp.411-423
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2020
Localized solar irradiance is normally derived from atmospheric transmission influenced by atmospheric composition and conditions of the target area. Specially, for the area with complex coastal lines such as Taean gun, the accurate estimation of solar irradiance requires for in depth analysis of atmospheric transmission characteristics based on the localized vertical profiles of the key atmospheric parameters. Using MODTRAN (MODerate resolution atmospheric TRANsmission) 6, we report a computational study on clear day atmospheric transmission and direct solar irradiance estimation of Taean gun using the data collected from 3 ground stations and radiosonde measurement over 93 clear days in 2018. The MODTRAN estimated direct solar irradiance is compared with the measurement. The results show that the normalized residual mean (NRM) is 0.28 for the temperature based MODTRAN atmospheric model and 0.32 for the pressure based MODTRAN atmospheric model. These values are larger than 0.1~0.2 of the other study and we understand that such difference represents the local atmospheric characteristics of Taean gun. The results also show that NRM tends to increase noticeably in summer as the temperature increases. Such findings from this study can be very useful for estimation and prediction of the atmospheric condition of the local area with complex coastal lines.
Ocean color remote sensing community currently uses the different solar irradiance spectra covering the visible and near-infrared in the calibration/validation and deriving products of ocean color instruments. These spectra derived from single and / or multiple measurements sets or models have significant discrepancies, primarily due to variation of the solar activity and uncertainties in the measurements from various instruments and their different calibration standards. Thus, it is prudent to examine model-to-model differences and select a standard reference spectrum that can be adopted in the future calibration and validation processes, particularly of the first Geostationary Ocean Color Imager (GOCI) onboard its Communication Ocean and Meterological Satellite (COMS) planned to be launched in 2008. From an exhaustive survey that reveals a variety of solar spectra in the literature, only eight spectra are considered here seeing as reference in many remote sensing applications. Several criteria are designed to define the reference spectrum: i.e., minimum spectral range of 350-1200nm, based completely or mostly on direct measurements, possible update of data and less errors. A careful analysis of these spectra reveals that the Thuillier 2004 spectrum seems to be very identical compared to other spectra, primarily because it represents very high spectral resolution and the current state of the art in solar irradiance spectra of exceptionally low uncertainty ${\sim}0.1%.$ This study also suggests use of the Gueymard 2004 spectrum as an alternative for applications of multispectral/multipurpose satellite sensors covering the terrestrial regions of interest, where it provides spectral converge beyond 2400nm of the Thuillier 2004 spectrum. Since the solar-activity induced spectral variation is about less than 0.1% and a large portion of this variability occurs particularly in the ultraviolet portion of the electromagnetic spectrum that is the region of less interest for the ocean color community, we disregard considering this variability in the analysis of solar irradiance spectra, although determine the solar constant 1366.1 $Wm^{-2}$ to be proposed for an improved approximation of the extraterrestrial solar spectrum in the visible and NIR region.
Decomposition models are essential in TMY development and solar energy system design. Up until recently, only a few decomposition model related researches are implemented in Korea due to lack of measured direct normal solar irradiance. In contrast, numerous researches have been conducted in various countries, and some quasi-universal composition models have been recommended by several papers. In this research, three decomposition models - Watanabe model, Reindl-2 model and Engerer1 model - are selected and their site-fitted coefficients are developed using measured direct normal solar irradiance in Seoul. R-squared, RMSE, MBE of the site-fitted models are compared with the case of original coefficients and then each other. The comparison result shows that the Reindl-2 model with site-fitted coefficients is best suitable for Seoul. Further researches will be conducted to find the best model using more various measured data of Korean cities and site-fitting methods.
We evaluate the degradation of receiver sensitivity induced by direct and indirect exposure to solar irradiance in free-space optical communication systems. For this purpose, we calculate the variances of numerous noise components arising from solar irradiance, and then estimate the receiver sensitivity penalties for intensity-modulation/direct-detection and coherent systems. The results show that the penalties are less than 1.3 dB when indirect sunlight impinges on the detector, regardless of the system. However, the sensitivity penalties are estimated to be larger than 30 dB when the sunlight is directly incident upon the receiver. These penalties are barely reduced if we insert an optical polarizer, or if we adjust the bandwidth of an optical filter at the receiver to be as narrow as the signal's bandwidth.
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[게시일 2004년 10월 1일]
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