Пиранометр

Пиранометр ( pyr (от греческого πῦρ ) «огонь» и ἄνω (ano) «выше, небо») — тип актинометра, используемый для измерения солнечной радиации на плоской поверхности, и предназначен для измерения плотности потока солнечного излучения (Вт). /м ²) от полушария выше в диапазоне длин волн от 0,3 мкм до 3 мкм.

Типичный пиранометр не требует никакого питания для работы. Однако недавние технические разработки включают использование электроники в пиранометрах, которые требуют (низкого) внешнего питания (см. Датчик теплового потока ).

Объяснение

солнечного излучения Спектр , достигающий поверхности Земли, расширяет свою длину волны примерно от 300 до 2800 нм.В зависимости от типа используемого пиранометра будут получены измерения освещенности с различной степенью спектральной чувствительности.

Для измерения облученности по определению требуется, чтобы реакция на «лучевое» излучение изменялась в зависимости от косинуса угла падения. Это обеспечивает полный отклик, когда солнечное излучение падает на датчик перпендикулярно (нормально к поверхности, солнце в зените, угол падения 0°), нулевой отклик, когда солнце находится на горизонте (угол падения 90°, зенитный угол 90°). ) и 0,5 при угле падения 60°. Отсюда следует, что пиранометр должен иметь так называемую «направленную характеристику» или «косинусную характеристику», максимально приближенную к идеальной косинусной характеристике.

Типы

Следуя определениям, приведенным в ISO 9060, ^[1] Можно выделить три типа пиранометров и сгруппировать их по двум различным технологиям: технология термобатарей и технология кремниевых полупроводников.

Светочувствительность, известная как « спектральный отклик» , зависит от типа пиранометра. На рисунке выше показаны спектральные отклики трех типов пиранометров по отношению к спектру солнечного излучения. Спектр солнечного излучения представляет собой спектр солнечного света, который достигает поверхности Земли на уровне моря в полдень с AM ( массой воздуха ) = 1,5.
Широта и высота влияют на этот спектр. На спектр также влияют аэрозоли и загрязнения.

Термобатарные пиранометры

Пиранометр на термобатарее (также называемый термоэлектрическим пиранометром) — датчик на основе термобатареи, предназначенный для измерения широкой полосы плотности потока солнечного излучения с углом обзора 180°. Таким образом, пиранометр с термобатареей обычно измеряет длину волны от 300 до 2800 нм с практически плоской спектральной чувствительностью (см. график спектрального отклика). В первом поколении пиранометров с термобатареями активная часть датчика была поровну разделена на черный и белый секторы. Облучение рассчитывалось на основе дифференциальной меры между температурой черных секторов, подвергающихся воздействию солнца, и температурой белых секторов, секторов, не подвергающихся воздействию солнца или, лучше сказать, находящихся в тени.

Во всех технологиях термобатарей излучение пропорционально разнице между температурой области, подверженной воздействию солнца, и температурой области в тени.

Дизайн

Для достижения правильных направленных и спектральных характеристик термобатарейный пиранометр состоит из следующих основных компонентов:

Датчик термобатареи с черным покрытием. Он поглощает все солнечное излучение, имеет плоский спектр, охватывающий диапазон от 300 до 50 000 нанометров, и имеет почти идеальный косинусный отклик.
Стеклянный купол. Он ограничивает спектральный отклик от 300 до 2800 нанометров (отрезая часть выше 2800 нм), сохраняя при этом поле зрения 180°. Он также защищает датчик термобатареи от конвекции. Многие, но не все, пиранометры первого и вторичного стандартов (см. классификацию пиранометров с термобатареями ISO 9060) включают второй стеклянный купол в качестве дополнительной «радиационной защиты», что приводит к лучшему термическому равновесию между датчиком и внутренним куполом по сравнению с некоторые однокупольные модели одного и того же производителя. В этих случаях эффект наличия второго купола заключается в значительном уменьшении смещений инструментов. Класс А, модели с одним куполом, с низким смещением нуля (+/- 1 Вт/м2). ²) доступны.

В современных пиранометрах на термобатареях активные (горячие) спаи термобатареи расположены под поверхностью черного покрытия и нагреваются за счет излучения, поглощенного черным покрытием. ^[2] Пассивные (холодные) спаи термобатареи полностью защищены от солнечного излучения и находятся в тепловом контакте с корпусом пиранометра, служащим теплоотводом. Это предотвращает любые изменения от пожелтения или разрушения при измерении температуры в тени, что ухудшает измерение солнечного излучения.

Термобатарея генерирует небольшое напряжение, пропорциональное разнице температур между поверхностью черного покрытия и корпусом прибора. Это порядка 10 мкВ (микровольт) на Вт/м2, поэтому в солнечный день выходная мощность будет около 10 мВ (милливольт). Каждый пиранометр имеет уникальную чувствительность, если он не оснащен электроникой для калибровки сигнала .

Использование

Фотоэлектрический пиранометр на плоскости решеток

Пиранометры на термобатареях часто используются в метеорологии , климатологии , изменения климата исследованиях , строительной физике , фотоэлектрических системах и мониторинге фотоэлектрических электростанций .

Обычно они устанавливаются горизонтально на метеорологических станциях.

Солнечная энергетика в соответствии со стандартом IEC 61724-1:2017 2017 года: ^[3] определил, какой тип пиранометров следует использовать в зависимости от размера и категории солнечной электростанции. Эта норма рекомендует устанавливать пиранометры на термобатареях горизонтально (GHI, Global Horizontal Irradiation) и устанавливать фотоэлектрические пиранометры на плоскости фотоэлектрических модулей (POA, Plane Of Array) для повышения точности расчета коэффициента производительности.

Фотоэлектрический пиранометр - кремниевый фотодиод

Также известный как фотоэлектрический пиранометр по стандарту ISO 9060. ^[4] Пиранометр на основе фотодиода может обнаруживать часть солнечного спектра от 400 до 1100 нм. Фотодиод преобразует вышеупомянутые частоты солнечного спектра в ток с высокой скоростью благодаря фотоэлектрическому эффекту . На преобразование влияет температура с увеличением тока, вызванным повышением температуры (около 0,1% • °C).

Дизайн

Пиранометр на основе фотодиода состоит из купола корпуса, фотодиода и диффузора или оптических фильтров. Фотодиод имеет небольшую площадь поверхности и действует как датчик. Ток, генерируемый фотодиодом, пропорционален освещенности; выходная цепь, например трансимпедансный усилитель , генерирует напряжение, прямо пропорциональное фототоку. Выходной сигнал обычно составляет порядка милливольт, того же порядка, что и у пиранометров типа термобатарей.

Использование

количество излучения видимого солнечного спектра или определенных его частей, таких как УФ, ИК или ФАР ( фотосинтетически активное излучение Пиранометры на основе фотодиодов применяются там, где необходимо рассчитать ). Это достигается за счет использования диодов со специфическими спектральными характеристиками.Пиранометры на основе фотодиодов составляют основу люксметров, используемых в фотографии, кино и светотехнике. Иногда их также устанавливают рядом с модулями фотоэлектрических систем.

Фотоэлектрический пиранометр - фотоэлектрический элемент

созданный примерно в 2000-х годах одновременно с распространением фотоэлектрических систем, Фотоэлектрический пиранометр, представляет собой эволюцию фотодиодного пиранометра. Это ответило на необходимость использования единого эталонного фотоэлектрического элемента при измерении мощности элемента и фотоэлектрических модулей. ^[5] В частности, каждая ячейка и модуль тестируются с помощью флэш-тестов соответствующими производителями, и пиранометры на термобатареях не обладают ни адекватной скоростью отклика, ни таким же спектральным откликом, как у ячейки. Это создало бы очевидное несоответствие при измерении мощности, которую необходимо было бы выразить количественно. ^[6]^[7] В технической документации этот пиранометр также известен как «эталонная ячейка».

Активная часть датчика состоит из фотоэлектрического элемента, работающего в условиях, близких к короткому замыканию. Таким образом, генерируемый ток прямо пропорционален солнечному излучению, попадающему на элемент в диапазоне от 350 до 1150 нм. Когда на него воздействует световое излучение указанного диапазона, оно производит ток вследствие фотоэлектрического эффекта . Его чувствительность не плоская, но такая же, как у кремниевого фотоэлектрического элемента. См. график спектрального отклика.

Дизайн

Фотоэлектрический пиранометр по существу состоит из следующих частей:

Металлический контейнер с фиксатором.
Небольшой фотоэлектрический элемент
Электроника формирования сигнала

Кремниевые датчики, такие как фотодиод и фотоэлектрический элемент, изменяют выходной сигнал в зависимости от температуры. В более поздних моделях электроника компенсирует сигнал температурой, тем самым устраняя влияние температуры на значения солнечного излучения. Внутри некоторых моделей в корпусе находится плата усиления и формирования сигнала .

Использование

Фотоэлектрические пиранометры используются в солнечных симуляторах и вместе с фотоэлектрическими системами для расчета эффективной мощности фотоэлектрических модулей и производительности системы. Поскольку спектральный отклик фотоэлектрического пиранометра аналогичен спектральному отклику фотоэлектрического модуля, его также можно использовать для предварительной диагностики неисправностей в фотоэлектрических системах.

Эталонный фотоэлектрический элемент или датчик солнечного излучения могут иметь внешние входы, обеспечивающие подключение датчика температуры модуля, датчика температуры окружающей среды и датчика скорости ветра, при этом только один выход Modbus RTU подключается непосредственно к регистратору данных. Эти данные подходят для мониторинга солнечных фотоэлектрических установок.

Стандартизация и калибровка

Как термобатарейные, так и фотоэлектрические пиранометры изготавливаются по стандартам.

Термобатарные пиранометры

Пиранометры на термобатареях соответствуют стандарту ISO 9060, который также принят Всемирной метеорологической организацией (ВМО). Этот стандарт различает три класса.

В последней версии ISO 9060 от 2018 года используется следующая классификация: класс A для наилучшей производительности, за которым следуют класс B и класс C, в то время как в более старом стандарте ISO 9060 от 1990 года использовались неоднозначные термины, такие как «вторичный стандарт», «первый класс» и «первый класс». «второй класс»., ^[8]

Различия в классах обусловлены определенным количеством свойств датчиков: временем отклика, тепловым смещением, температурной зависимостью, ошибкой направления, нестабильностью, нелинейностью, спектральной избирательностью и откликом на наклон. Все они определены в стандарте ISO 9060. Чтобы датчик был отнесен к определенной категории, он должен соответствовать всем минимальным требованиям к этим свойствам.

«Быстрый отклик» и «спектрально плоский» — это две подклассификации, включенные в ISO 9060:2018. Они помогают дополнительно различать и классифицировать датчики. Чтобы получить классификацию «быстрого реагирования», время отклика для 95% показаний должно быть менее 0,5 секунды; тогда как «спектрально плоский» может применяться к датчикам со спектральной селективностью менее 3% в спектральном диапазоне от 0,35 до 1,5 мкм. Хотя большинство пиранометров класса А являются «спектрально плоскими», датчики подкласса «быстрого реагирования» встречаются гораздо реже. Большинство пиранометров класса А имеют время отклика 5 секунд и более.

Калибровка обычно выполняется с использованием Мирового радиометрического эталона. ^[9] (WRR) как абсолютный эталон. Он поддерживается PMOD. ^[10] в Давосе , Швейцария . ^[11] Помимо Всемирного радиометрического справочника, существуют частные лаборатории, такие как ISO-Cal North America. ^[12] которые получили аккредитацию для проведения этих уникальных калибровок. Для пиранометра класса А калибровка выполняется в соответствии с ASTM G167. ^[13] ИСО 9847 ^[14] или ИСО 9846. ^[15]^[16] Пиранометры классов B и C обычно калибруются в соответствии с ASTM E824. ^[17] и ИСО 9847. ^[18]

Фотоэлектрический пиранометр

Фотоэлектрические пиранометры стандартизированы и калибруются по IEC 60904-4 для первичных эталонных образцов и по IEC 60904-2 для вторичных эталонных образцов и приборов, предназначенных для продажи.

В обоих стандартах соответствующая цепочка отслеживания начинается с основного стандарта, известного как группа полостных радиометров Всемирной радиометрической справочной информацией (WRR). ^[19]

Формирование сигнала

Естественное значение выходного сигнала этих пиранометров обычно не превышает десятков милливольт (мВ). Он считается «слабым» сигналом и поэтому весьма уязвим для электромагнитных помех , особенно там, где кабель проходит на декаметровые расстояния или находится в фотоэлектрических системах. Таким образом, эти датчики часто оснащаются электроникой формирования сигнала, обеспечивающей выходной сигнал 4–20 мА или 0–1 В.

Другое решение подразумевает большую устойчивость к шумам, например, Modbus через RS-485 среднего и большого масштаба , подходящий для условий с электромагнитными помехами, типичными для фотоэлектрических электростанций , или выход SDI-12 , где датчики являются частью маломощной метеостанции. системы Оборудованная электроника часто способствует легкой интеграции в SCADA .

Дополнительная информация также может храниться в электронике датчика, например история калибровки, серийный номер.

См. также

Ссылки

^ ISO9060 : Классификация пиранометров 2018 г.
^ «Принцип работы термобатарейного пиранометра - Кипп и Зонен» .
^ МЭК 61724-1: 2017.
^ ISO9060 - Параграф 4.2 (2016 г.)
^ IEC 60904-4: Процедуры установления прослеживаемости калибровки.
^ EN 60904-2: Требования к эталонным солнечным устройствам.
^ EN 60904-7: Расчет коррекции спектрального несоответствия.
^ «ISO 9060:1990 Классификация пиранометров» .
^ Мировой радиометрический справочник
^ ПМОД
^ «Всемирный радиометрический справочник» . Архивировано из оригинала 30 апреля 2013 г. Проверено 29 мая 2013 г.
^ ISO-Cal Северная Америка
^ АСТМ G167
^ ИСО 9847
^ ИСО 9846
^ ISO 9846:1993 - Калибровка пиранометра с использованием пиргелиометра.
^ АСТМ Е824
^ ИСО 9847
^ IEC 60904-4: Процедуры установления прослеживаемости калибровки - Таблица 1 и Рис. 1.

Внешние ссылки

[1] ISO9060 : Классификация пиранометров 2018 г.

[2] «Принцип работы термобатарейного пиранометра - Кипп и Зонен» .

[3] МЭК 61724-1: 2017.

[4] ISO9060 - Параграф 4.2 (2016 г.)

[5] IEC 60904-4: Процедуры установления прослеживаемости калибровки.

[6] EN 60904-2: Требования к эталонным солнечным устройствам.

[7] EN 60904-7: Расчет коррекции спектрального несоответствия.

[8] «ISO 9060:1990 Классификация пиранометров» .

[9] Мировой радиометрический справочник

[10] ПМОД

[11] «Всемирный радиометрический справочник» . Архивировано из оригинала 30 апреля 2013 г. Проверено 29 мая 2013 г.

[12] ISO-Cal Северная Америка

[13] АСТМ G167

[14] ИСО 9847

[15] ИСО 9846

[16] ISO 9846:1993 - Калибровка пиранометра с использованием пиргелиометра.

[17] АСТМ Е824

[18] ИСО 9847

[19] IEC 60904-4: Процедуры установления прослеживаемости калибровки - Таблица 1 и Рис. 1.

[1]

[2]

[3]

[4]

[5]

[6]

[7]

[8]

[9]

[10]

[11]

[12]

[13]

[14]

[15]

[16]

[17]

[18]

[19]