Пиранометр

Пиранометр представляет собой тип актинометра , используемый для измерения солнечного излучения на плоскую поверхность и предназначен для измерения солнечной плотности потока излучения (Вт / м ² ) из полушария выше в пределах диапазона длин волн 0,3 мкм до 3 мкм. Название «пиранометр» происходит от греческих слов πῦρ ( pyr ), что означает «огонь», и ἄνω ( ano ), что означает «выше, небо».

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 [ править ]

Спектр солнечного излучения , достигающего земной поверхности, имеет длину волны примерно от 300 нм до 2800 нм. В зависимости от типа используемого пиранометра будут получены измерения энергетической освещенности с разной степенью спектральной чувствительности.

Для измерения энергетической освещенности по определению требуется, чтобы реакция на «пучковое» излучение изменялась в зависимости от косинуса 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 [ править ]

Следуя определениям, приведенным в стандарте 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 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 AM ( воздушная масса ) = 1,5.
На этот спектр влияют широта и высота. На спектр также влияют аэрозоль и загрязнения.

Пиранометры с термобатареями [ править ]

Термобатарея пиранометр (также называемый термоэлектрическим пиранометром) представляет собой датчик , основанный на термоэлементах , предназначенных для измерения широкой полосы солнечной плотности потока излучения от 180 ° области угла зрения. Таким образом, пиранометр на термобатареи обычно измеряет от 300 до 2800 нм с в основном плоской спектральной чувствительностью (см. График спектрального отклика). Первое поколение пиранометров на термобатареях имело активную часть датчика, поровну разделенную на черный и белый секторы. Облучение рассчитывали по разнице между температурой черных секторов, подверженных воздействию солнца, и температурой белых секторов, секторов, не подвергающихся воздействию солнца или, лучше сказать, в тенях.

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

Дизайн [ править ]

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:

• Термобатареи 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 смещением нуля (+/- 1 Вт / м ² ).

В современных пиранометрах с термобатареями активные (горячие) спаи термобатареи расположены под поверхностью черного покрытия и нагреваются излучением, поглощаемым 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 оборудовано электроникой для калибровки сигнала .

Использование [ править ]

Пиранометры с термобатареями часто используются в метеорологии , климатологии , исследованиях изменения климата , строительной инженерной физике , фотоэлектрических системах и мониторинге фотоэлектрических электростанций .

Они обычно устанавливаются горизонтально на метеорологических станциях и обычно устанавливаются в «плоскости массива» (с поверхностью датчика, параллельной солнечной панели ), когда они используются для мониторинга фотоэлектрических систем.

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

Фотоэлектрический пиранометр - кремниевый фотодиод [ править ]

Также известный 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 фотоэлектрическому эффекту . На преобразование влияет температура с повышением тока, вызванным повышением температуры (около 0,1% • ° C).

Дизайн [ править ]

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; 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.

Использование [ править ]

Пиранометры на основе фотодиодов применяются там, где необходимо рассчитать количество излучения видимого солнечного спектра или определенных его частей, таких как УФ, ИК или ФАР ( фотосинтетически активное излучение ). Для этого используются диоды с определенными спектральными характеристиками. Пиранометры на основе фотодиодов - это ядро люксметров, используемых в фотографии, кино и светотехнике. Иногда их также устанавливают рядом с модулями фотоэлектрических систем.

Фотоэлектрический пиранометр - фотоэлектрический элемент [ править ]

Созданный примерно в 2000-х годах одновременно с распространением фотоэлектрических систем, фотоэлектрический пиранометр представляет собой эволюцию пиранометра с фотодиодом. 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 на термобатареях 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».

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. Под воздействием светового излучения в указанном диапазоне он производит ток как следствие фотоэлектрического эффекта . Его чувствительность не плоская, но такая же, как у кремниевого фотоэлемента. См. График спектрального отклика.

Дизайн [ править ]

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 для усиления и преобразования сигнала .

Использование [ править ]

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 [ править ]

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

Пиранометры с термобатареями [ править ]

Пиранометры с термобатареями 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 наилучших характеристик, за ним следует класс B и класс C, в то время как в более старом стандарте ISO 9060 от 1990 года используются двусмысленные 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 соответствовать 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 использованием Мирового радиометрического эталона ^[9] (WRR) в качестве абсолютного эталона. Он поддерживается PMOD ^[10] в Давосе , Швейцария . ^[11] В дополнение к Всемирному радиометрическому эталону существуют частные лаборатории, такие как ISO-Cal North America ^[12] , которые получили аккредитацию для этих уникальных калибровок. Для пиранометров 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 [ править ]

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

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

Обработка сигнала [ править ]

Значение естественной выходной мощности этих пиранометров обычно не превышает десятков милливольт (мВ). Он считается «слабым» сигналом и, как таковой, довольно уязвим для электромагнитных помех , особенно если 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 помехоустойчивость, например Modbus через RS-485 , подходящую для сред с электромагнитными помехами, типичными для фотоэлектрических станций среднего и крупного масштаба , или выход SDI-12 , где датчики являются частью маломощной метеостанции. Оборудованная электроника часто позволяет легко интегрировать в SCADA системы .

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

См. Также [ править ]

• Актинометр
• Фотодиод
• Датчик теплового потока
• Сетевой радиометр
• Пиргеометр
• Пиргелиометр
• Радиометр
• Солнечный свет
• Солнечная постоянная
• Путь солнца

Ссылки [ править ]

Внешние ссылки [ править ]

Викискладе есть медиафайлы по теме пиранометра .

• Сайт метеотехнологического оборудования