Пиранометр - Pyranometer

А пиранометр это тип актинометр используется для измерения солнечное излучение на плоской поверхности и предназначен для измерения плотности потока солнечного излучения (Вт / м²) от верхнего полушария в диапазоне длин волн от 0,3 мкм до 3 мкм. Название пиранометр происходит от греческих слов πῦρ (пир), что означает «огонь», и ἄνω (ано), что означает «вверху, небо».

MS-80, класс А, спектрально плоский пиранометр с быстрым откликом
Быстродействующий и спектрально плоский пиранометр класса А
Спектрально плоский пиранометр на термобатареях класса А.

Типичный пиранометр не требует питания для работы. Однако последние технические разработки включают использование электроники в пиранометрах, которые действительно требуют (небольшого) внешнего источника питания.

Объяснение

Спектр и спектральный отклик

Солнечное излучение спектр достигающий поверхности земли, расширяет свою длину волны примерно от 300 нм до 2800 нм. В зависимости от типа используемого пиранометра будут получены измерения энергетической освещенности с различной степенью спектральной чувствительности.

Чтобы измерить сияние, по определению требуется, чтобы реакция на «пучковое» излучение менялась в зависимости от косинус угла падения. Это обеспечивает полный отклик, когда солнечное излучение попадает на датчик перпендикулярно (перпендикулярно 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 называемый «направленный отклик» или «косинусоидальный отклик», который максимально приближен к идеальной косинусной характеристике.

Типы

Следуя определениям, приведенным в ISO 9060,[1] Можно выделить три типа пиранометров и сгруппировать их по двум различным технологиям: термобатарея технологии и кремниевые полупроводниковые технологии.

Светочувствительность, известная как 'спектральный отклик ', зависит от типа пиранометра. На приведенном выше рисунке показаны спектральные характеристики 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 A.M. (масса воздуха ) = 1.5.
На этот спектр влияют широта и высота. На спектр также влияют аэрозоль и загрязнение.

Пиранометры с термобатареями

А термобатареи пиранометр (также называется термоэлектрический пиранометр) - датчик на основе термобатареи предназначен для измерения широкой полосы плотности потока солнечного излучения с углом обзора 180 °. Таким образом, пиранометр на термобатареях обычно измеряет от 300 до 2800 нм с в значительной степени плоской спектральной чувствительностью (см. График спектральной характеристики). Первое поколение пиранометров на термобатареях имело активную часть датчика, поровну разделенную на черный и белый секторы. Облучение рассчитывали по разнице между температурой черных секторов, находящихся на солнце, и температурой белых секторов, секторов, не подвергающихся воздействию солнца или, лучше сказать, в тени.

Во всех технологиях термобатареи облучение пропорционально разнице между температурой области, подверженной воздействию солнца, и температурой области тени.

дизайн

Чертеж пиранометра, показывающий основные части: (1) кабель, (3) пиранаметр и (5) стеклянные купола, (4) черная поверхность детектора, (6) солнцезащитный экран, (7) индикатор осушителя, (9) регулировочные ножки, (10) пузырьковый уровень, (11) разъем

Для получения нужных характеристик направленности и спектральных характеристик пиранометр с термобатареей состоит из следующих основных компонентов:

  • А термобатарея датчик 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 (отсекая часть выше 2800 нм), сохраняя при этом поле обзора 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 дополнительного «радиационного экрана», что приводит к лучшему тепловому равновесию между датчиком и внутренним куполом по сравнению с некоторые модели с одним куполом от одного производителя. Эффект от наличия второго купола в этих случаях - сильное сокращение смещения инструментов. Доступны модели класса A, с одной купольной камерой, с низким нулевым смещением (+/- 1 Вт / м²).

В современных пиранометрах с термобатареями активные (горячие) спаи термобатареи расположены под поверхностью черного покрытия и нагреваются излучением, поглощенным из черного покрытия.[2] Пассивные (холодные) спаи термобатареи полностью защищены от солнечного излучения и имеют тепловой контакт с корпусом пиранометра, который служит теплоотводом. Это предотвращает любые изменения от пожелтения или разложения 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 иное не оснащено электроникой для калибровка сигнала.

Применение

Пиранометр на панели солнечных батарей

Пиранометры с термобатареями часто используются в метеорология, климатология, изменение климата исследование, строительная физика, фотоэлектрические системы, и мониторинг фотоэлектрические электростанции.

Они обычно устанавливаются на метеорологических станциях горизонтально и обычно устанавливаются в «плоскости решетки» (с поверхностью датчика, параллельной поверхности датчика). солнечная панель ) при использовании для мониторинга фотоэлектрических систем.

Отрасль солнечной энергетики в стандарте 2017 г., IEC 61724-1: 2017,[3] определил, какой тип пиранометров следует использовать в зависимости от размера и категории солнечной электростанции.

Фотоэлектрический пиранометр - кремниевый фотодиод

Также известен как фотоэлектрический пиранометр в ISO 9060,[4] Пиранометр на основе фотодиода может обнаруживать часть солнечного спектра между 400 нм и 1100 нм. Фотодиод преобразует вышеупомянутые частоты солнечного спектра в ток с высокой скоростью благодаря фотоэлектрический эффект. На преобразование влияет температура с повышением тока, вызванным повышением температуры (около 0,1% • ° C).

дизайн

Фотодиодный пиранометр модели Quantum.

Пиранометр на основе фотодиода состоит из купола корпуса, фотодиод, а также рассеиватель или оптические фильтры. Фотодиод имеет небольшую площадь поверхности и действует как датчик. Ток, генерируемый фотодиодом, пропорционален освещенности; выходной контур, такой как трансимпедансный усилитель, генерирует напряжение, прямо пропорциональное фототоку. Выходной сигнал обычно порядка милливольт, того же порядка величины, что и у пиранометров с термобатареями.

Применение

Пиранометры на основе фотодиодов применяются там, где количество излучения видимого солнечного спектра или определенных его частей, таких как УФ, ИК или ФАР (фотосинтетически активная радиация ), необходимо рассчитать. Для этого используются диоды с определенными спектральными характеристиками. Пиранометры на основе фотодиодов являются основой люксметры используется в фотографии, кино и светотехнике. Иногда их также устанавливают рядом с модулями фотоэлектрических систем.

Фотоэлектрический пиранометр - фотоэлектрический элемент

Построенный примерно в 2000-х годах одновременно с распространением фотоэлектрических систем, фотоэлектрический пиранометр представляет собой развитие фотодиодного пиранометра. Он отвечал на потребность в едином эталонном фотоэлектрическом элементе при измерении мощности элементов и фотоэлектрических модулей.[5] В частности, каждая ячейка и модуль тестируются соответствующими производителями посредством импульсных тестов, а пиранометры термобатареи не обладают ни адекватной скоростью отклика, ни тем же спектральным откликом, что и ячейка. Это создало бы очевидное несоответствие при измерении мощности, которое необходимо было бы количественно оценить.[6][7] В технической документации этот пиранометр также известен как «эталонная ячейка».

Фотоэлектрический пиранометр, модель LM1-C2

Активная часть датчика состоит из фотоэлемента, работающего почти в состоянии короткого замыкания. Таким образом, генерируемый ток прямо пропорционален солнечному излучению, падающему на элемент, в диапазоне от 350 до 1150 нм. При попадании светового излучения в указанном диапазоне он производит ток как следствие фотоэлектрический эффект. Его чувствительность не плоская, но такая же, как у кремниевого фотоэлемента. См. График спектрального отклика.

дизайн

Фотогальванический пиранометр состоит из следующих частей:

  • Металлический контейнер с фиксирующей рейкой.
  • Небольшой фотоэлектрический элемент
  • Электроника формирования сигнала

Кремниевые датчики, такие как фотодиод и фотоэлектрический элемент, изменяют выходную мощность в зависимости от температуры. В более поздних моделях электроника компенсирует сигнал температурой, тем самым устраняя влияние температуры из значений солнечной освещенности. Внутри некоторых моделей в корпусе находится плата усиления и обработка сигнала.

Применение

Датчик солнечной освещенности, модель: Seven Sensor

Фотоэлектрические пиранометры используются в имитаторах солнечной энергии и наряду с фотоэлектрическими системами для расчета эффективной мощности фотоэлектрических модулей и характеристик системы. Поскольку спектральный отклик фотоэлектрического пиранометра аналогичен спектральному отклику фотоэлектрического модуля, его также можно использовать для предварительной диагностики неисправности в фотоэлектрических системах.

Эталонный фотоэлемент или датчик солнечной освещенности могут иметь внешние входы, обеспечивающие подключение температурного датчика модуля, датчика температуры окружающей среды и датчика скорости ветра, при этом только один выход Modbus RTU подключен непосредственно к регистратору данных. Эти данные подходят для мониторинга солнечных фотоэлектрических установок.

Стандартизация и калибровка

И термобатарейные, и фотоэлектрические пиранометры производятся в соответствии со стандартами.

Пиранометры с термобатареями

Пиранометры с термобатареями соответствуют стандарту ISO 9060, который также принят Всемирная метеорологическая организация (ВМО). Этот стандарт различает три класса.

Последняя версия ISO 9060, с 2018 года использует следующую классификацию: класс A - лучший результат, затем класс B и класс C, а более старый Стандарт ISO 9060 с 1990 г. использовали неоднозначные термины, такие как «вторичный стандарт», «первый класс» и «второй класс».[8],

Различия в классах обусловлены определенным количеством свойств датчиков: время отклика, тепловые сдвиги, температурная зависимость, ошибка направления, нестабильность, нелинейность, спектральная избирательность и отклик на наклон. Все они определены в ISO 9060. Чтобы датчик был отнесен к определенной категории, он должен удовлетворять всем минимальным требованиям для этих свойств. Дополнительные дополнительные классы определяются путем добавления термина «спектрально плоский радиометр», это допускается, если пиранометр имеет спектральную избирательность менее 3% в спектральном диапазоне от 0,35 до 1,5 мкм.

Калибровка обычно выполняется с помощью Мирового радиометрического эталона.[9] (WRR) в качестве абсолютной ссылки. Поддерживается PMOD[10] в Давос, Швейцария.[11] В дополнение к Мировому радиометрическому эталону существуют частные лаборатории, такие как ISO-Cal North America.[12] которые получили аккредитацию на эти уникальные калибровки. Для пиранометра класса A калибровка выполняется в соответствии с ASTM G167,[13] ISO 9847[14] или ISO 9846.[15][16] Пиранометры класса B и C обычно калибруются в соответствии с ASTM E824.[17] и ISO 9847.[18]

Фотоэлектрический пиранометр

Фотоэлектрические пиранометры стандартизированы и откалиброваны в соответствии с IEC 60904-4 для первичных эталонных образцов и в соответствии с IEC 60904-2 для вторичных эталонных образцов и приборов, предназначенных для продажи.

В обоих стандартах соответствующая цепочка прослеживаемости начинается с первичного стандарта, известного как группа резонаторных радиометров Всемирным радиометрическим эталоном (WRR).[19]

Преобразование сигнала

Значение естественной выходной мощности этих пиранометров обычно не превышает десятков милливольт (мВ). Он считается «слабым» сигналом и поэтому весьма уязвим для электромагнитные помехи, особенно там, где кабель проходит через декаметровые расстояния или находится в фотоэлектрических системах. Таким образом, эти датчики часто оснащены электроникой формирования сигнала, обеспечивающей выходной сигнал 4-20 мА или 0-1 В.

Другое решение подразумевает большую невосприимчивость к шумам, например Modbus над RS-485, подходит для сред с электромагнитными помехами, типичными для средних и крупных масштабов фотоэлектрические электростанции, или SDI-12 выход, где датчики являются частью маломощной метеостанции. Оборудованная электроника часто позволяет легко интегрировать в систему. SCADA.

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

Смотрите также

использованная литература

  1. ^ ISO9060 : 2018 Классификация пиранометров
  2. ^ http://www.kippzonen.com/News/572/The-Working-Principle-of-a-Thermopile-Pyranometer#
  3. ^ МЭК 61724-1: 2017
  4. ^ ISO9060 - Пункт 4.2 (2016)
  5. ^ IEC 60904-4: Процедуры установления прослеживаемости калибровки
  6. ^ EN 60904-2: Требования к эталонным солнечным устройствам
  7. ^ EN 60904-7: Расчет коррекции спектрального рассогласования
  8. ^ «ISO 9060: 1990 Классификация пиранометров».
  9. ^ Мировая радиометрическая ссылка
  10. ^ PMOD
  11. ^ «Мировой радиометрический эталон». Архивировано из оригинал на 2013-04-30. Получено 2013-05-29.
  12. ^ ISO-Cal Северная Америка
  13. ^ ASTM G167
  14. ^ ISO 9847
  15. ^ ISO 9846
  16. ^ ISO 9846: 1993 - Калибровка пиранометра с использованием пиргелиометра
  17. ^ ASTM E824
  18. ^ ISO 9847
  19. ^ IEC 60904-4: Процедуры для установления прослеживаемости калибровки - Таблица 1 и Рисунок 1

внешние ссылки