Pyranometer
En pyranometer är en typ av aktinometer som används för att mäta solinstrålning på en plan yta och den är utformad för att mäta solstrålningens flödestäthet (W/m 2 ) från halvklotet ovanför inom ett våglängdsområde 0,3 μm till 3 μm. Namnet pyranometer kommer från de grekiska orden πῦρ ( pyr ), som betyder "eld", och ἄνω ( ano ), som betyder "ovanför, himmel".
En typisk pyranometer kräver ingen ström för att fungera. Den senaste tekniska utvecklingen inkluderar dock användning av elektronik i pyranometrar, som kräver (låg) extern ström.
Förklaring
Solstrålningsspektrumet som når jordens yta förlänger sin våglängd ungefär från 300 nm till 2800 nm . Beroende på vilken typ av pyranometer som används kommer irradiansmätningar med olika grader av spektral känslighet att erhållas.
För att göra en mätning av irradiansen krävs det per definition att svaret på "stråle"-strålning varierar med cosinus för infallsvinkeln. Detta säkerställer en full respons när solstrålningen träffar sensorn vinkelrätt (normalt mot ytan, solen i zenit, 0° infallsvinkel), noll respons när solen är vid horisonten (90° infallsvinkel, 90° zenitvinkel ) och 0,5 vid en 60° infallsvinkel. Av detta följer att en pyranometer bör ha en så kallad "riktningsrespons" eller "cosinusrespons" som ligger så nära den ideala cosinus-karaktäristiken som möjligt.
Typer
Enligt definitionerna i ISO 9060 kan tre typer av pyranometer identifieras och grupperas i två olika teknologier: termostapelteknologi och kiselhalvledarteknik.
Ljuskänsligheten, känd som ' spektralrespons' , beror på typen av pyranometer. Figuren här ovan visar de spektrala svaren för de tre typerna av pyranometer i förhållande till solstrålningsspektrumet. Solstrålningsspektrumet representerar det spektrum av solljus som når jordens yta vid havsnivån, vid middagstid med AM ( luftmassa ) = 1,5. Latituden och höjden påverkar detta spektrum. Spektrumet påverkas också av aerosol och föroreningar.
Termopil pyranometrar
En termostapelpyranometer (även kallad termoelektrisk pyranometer) är en sensor baserad på termoplar som är utformade för att mäta det breda bandet av solstrålningsflödestätheten från en synfältsvinkel på 180°. En termostapelpyranometer mäter alltså vanligtvis 300 till 2800 nm med en i stort sett platt spektral känslighet (se grafen för spektralrespons) Den första generationen termopilpyranometrar hade den aktiva delen av sensorn lika uppdelad i svarta och vita sektorer. Bestrålningen beräknades från skillnadsmåttet mellan temperaturen på de svarta sektorerna, exponerade för solen, och temperaturen för de vita sektorerna, sektorer som inte exponerades för solen eller bättre sagt i skuggan.
I all termopilteknik är bestrålningen proportionell mot skillnaden mellan temperaturen i det solexponerade området och temperaturen i skuggområdet.
Design
För att uppnå de rätta riktnings- och spektralegenskaperna är en termopilpyranometer konstruerad med följande huvudkomponenter:
- En termostapelsensor med svart beläggning. Den absorberar all solstrålning, har ett platt spektrum som täcker intervallet 300 till 50 000 nanometer och har en nästan perfekt cosinusrespons.
- En glaskupol. Den begränsar den spektrala responsen från 300 till 2 800 nanometer (avskär delen över 2 800 nm), samtidigt som synfältet på 180° bevaras. Det skyddar också termostapelsensorn från konvektion. Många, men inte alla, förstklassiga och sekundära standard pyranometrar (se ISO 9060 klassificering av termostapel pyranometrar) inkluderar en andra glaskupol som en extra "strålningssköld", vilket resulterar i en bättre termisk jämvikt mellan sensorn och den inre kupolen, jämfört med några enkla kupolmodeller av samma tillverkare. Effekten av att ha en andra dome, i dessa fall, är en kraftig minskning av instrumentoffset. Klass A, enkelkupolmodeller, med låg nollförskjutning (+/- 1 W/m 2 ) finns tillgängliga.
I de moderna termostapelpyranometrarna är termostapelns aktiva (heta) kopplingar placerade under den svarta beläggningsytan och värms upp av strålningen som absorberas från den svarta beläggningen. Termostapelns passiva (kalla) kopplingar är helt skyddade från solstrålning och i termisk kontakt med pyranometerhuset, som fungerar som en kylfläns. Detta förhindrar varje förändring från att gulna eller förfalla vid mätning av temperaturen i skuggan, vilket försämrar mätningen av solinstrålningen.
Termostapeln genererar en liten spänning i proportion till temperaturskillnaden mellan den svarta beläggningsytan och instrumenthuset. Detta är i storleksordningen 10 μV (mikrovolt) per W/m2, så en solig dag blir uteffekten runt 10 mV (millivolt). Varje pyranometer har en unik känslighet, om inte annat är utrustad med elektronik för signalkalibrering .
Användande
Termopilpyranometrar används ofta inom meteorologi , klimatologi , klimatförändringsforskning , byggnadsteknisk fysik , solcellssystem och övervakning av solcellskraftverk .
De installeras vanligtvis horisontellt i meteorologiska stationer.
Solenergiindustrin har i en 2017 års standard, IEC 61724-1:2017, definierat vilken typ av pyranometrar som ska användas beroende på storlek och kategori av solkraftverk. Den normen rekommenderar att man installerar termostapelpyranometrar horisontellt (GHI, Global Horizontal Irradiation) och att installera fotovoltaiska pyranometrar på plan av PV-moduler (POA, Plane Of Array) för att öka noggrannheten i beräkningen av prestandaförhållande.
Fotovoltaisk pyranometer – kiselfotodiod
Även känd som en fotoelektrisk pyranometer i ISO 9060, kan en fotodiodbaserad pyranometer detektera delen av solspektrumet mellan 400 nm och 1100 nm. Fotodioden omvandlar de tidigare nämnda solspektrumfrekvenserna till ström med hög hastighet, tack vare den fotoelektriska effekten . Omvandlingen påverkas av temperaturen med en ökning av strömmen som orsakas av temperaturhöjningen (ca 0,1 % • °C)
Design
En fotodiodbaserad pyranometer består av en huskupol, en fotodiod och en diffusor eller optiska filter. Fotodioden har en liten yta och fungerar som en sensor. Strömmen som genereras av fotodioden är proportionell mot irradiansen; en utgångskrets, såsom en transimpedansförstärkare , genererar en spänning direkt proportionell mot fotoströmmen. Uteffekten är vanligtvis i storleksordningen millivolt, samma storleksordning som pyranometrar av termopiltyp.
Användande
Fotodiodbaserade pyranometrar implementeras där mängden bestrålning av det synliga solspektrumet, eller av vissa delar såsom UV, IR eller PAR ( fotosyntetiskt aktiv strålning ), behöver beräknas. Detta görs genom att använda dioder med specifika spektrala svar. Fotodiodbaserade pyranometrar är kärnan i luxmetrar som används inom fotografi, film och ljusteknik. Ibland installeras de också nära moduler av solcellsanläggningar.
Fotovoltaisk pyranometer – fotovoltaisk cell
fotovoltaiska pyranometern byggdes runt 2000-talet samtidigt med spridningen av fotovoltaiska system och är en utveckling av fotodiodpyranometern. Den svarade på behovet av en enda referensfotovoltaisk cell vid mätning av kraften hos cell- och fotovoltaiska moduler. Specifikt testas varje cell och modul genom blixttest av sina respektive tillverkare, och termopylpyranometrar har inte den adekvata responshastigheten eller samma spektrala respons som en cell. Detta skulle skapa uppenbar obalans vid mätning av effekt, vilket skulle behöva kvantifieras. I de tekniska dokumenten är denna pyranometer även känd som "referenscell".
Den aktiva delen av sensorn består av en fotovoltaisk cell som arbetar i nära kortslutningstillstånd. Som sådan är den genererade strömmen direkt proportionell mot solstrålningen som träffar cellen i ett intervall mellan 350 nm och 1150 nm. När den investeras av en ljusstrålning i det nämnda intervallet, producerar den ström som en konsekvens av den fotovoltaiska effekten . Dess känslighet är inte platt, men den är samma som för Silicon solcellsceller. Se grafen för spektralrespons.
Design
En fotovoltaisk pyranometer är i huvudsak sammansatt med följande delar:
- En metallbehållare med en fixeringsstav
- En liten solcellscell
- Signalkonditioneringselektronik
Kiselsensorer som fotodioden och solcellscellen varierar effekten i funktion av temperaturen. I de nyare modellerna kompenserar elektroniken signalen med temperaturen och tar därför bort temperaturens inverkan från solinstrålningsvärdena. Inuti flera modeller har höljet en styrelse för förstärkning och konditionering av signalen .
Användande
Fotovoltaiska pyranometrar används i solsimulatorer och tillsammans med fotovoltaiska system för beräkning av fotovoltaisk moduls effektiva effekt och systemprestanda. Eftersom spektralresponsen hos en fotovoltaisk pyranometer liknar den hos en fotovoltaisk modul, kan den också användas för preliminär diagnos av felfunktion i solcellssystem.
Referens PV-cell eller solbestrålningssensor kan ha externa ingångar som säkerställer anslutningen av modultemperatursensor, omgivningstemperatursensor och vindhastighetssensor med endast en Modbus RTU-utgång ansluten direkt till dataloggern. Dessa data är lämpliga för övervakning av solcellsanläggningar.
Standardisering och kalibrering
Både termopil-typ och fotovoltaiska pyranometrar tillverkas enligt standarder.
Termopil pyranometrar
Termopilpyranometrar följer ISO 9060-standarden, som också antas av Världsmeteorologiska organisationen ( WMO). Denna standard särskiljer tre klasser.
Den senaste versionen av ISO 9060 , från 2018, använder följande klassificering: Klass A för bästa prestanda, följt av Klass B och Klass C, medan den äldre ISO 9060-standarden från 1990 använde tvetydiga termer som "sekundär standard", "första klass" och "andra klass".,
Skillnader i klasser beror på ett visst antal egenskaper hos sensorerna: svarstid, termiska förskjutningar, temperaturberoende, riktningsfel, ostabilitet, icke-linjäritet, spektral selektivitet och lutningssvar. Dessa är alla definierade i ISO 9060. För att en sensor ska klassificeras i en viss kategori måste den uppfylla alla minimikrav för dessa egenskaper.
'Snabb respons' och 'spektralt platt' är två underklassificeringar som ingår i ISO 9060:2018. De hjälper till att ytterligare särskilja och kategorisera sensorer. För att få klassificeringen "snabbsvar" måste svarstiden för 95 % av avläsningarna vara mindre än 0,5 sekunder; medan "spektralt platt" kan tillämpas på sensorer med en spektral selektivitet på mindre än 3 % i spektralområdet 0,35 till 1,5 μm. Medan de flesta klass A-pyranometrar är "spektralt platta", är sensorer i underklassificeringen "snabbrespons" mycket sällsynta. De flesta klass A-pyranometrar har en svarstid på 5 sekunder eller mer.
Kalibreringen görs vanligtvis med World Radiometric Reference (WRR) som en absolut referens. Det underhålls av PMOD i Davos , Schweiz . Utöver World Radiometric Reference finns det privata laboratorier som ISO-Cal North America som har skaffat sig ackreditering för dessa unika kalibreringar. För klass A pyranometern görs kalibrering enligt ASTM G167, ISO 9847 eller ISO 9846. Klass B och klass C pyranometrar är vanligtvis kalibrerade enligt ASTM E824 och ISO 9847.
Fotovoltaisk pyranometer
Fotovoltaiska pyranometrar är standardiserade och kalibrerade enligt IEC 60904-4 för primära referensprover och enligt IEC 60904-2 för sekundära referensprover och de instrument som är avsedda för försäljning.
I båda standarderna börjar deras respektive spårbarhetskedja med den primära standarden känd som gruppen av kavitetsradiometer av World Radiometric Reference (WRR).
Signalkonditionering
Det naturliga utgångsvärdet för dessa pyranometrar överstiger vanligtvis inte tiotals millivolt (mV). Den anses vara en "svag" signal och som sådan ganska sårbar för elektromagnetiska störningar , speciellt där kabeln går över dekametriska avstånd eller ligger i solcellssystem. Därför är dessa sensorer ofta utrustade med signalkonditioneringselektronik, vilket ger en utgång på 4-20 mA eller 0-1 V.
En annan lösning innebär större immunitet mot brus, som Modbus över RS-485 , lämplig för miljöer med elektromagnetiska störningar som är typiska för medelstora fotovoltaiska kraftverk , eller SDI-12- utgång, där sensorer är en del av en lågeffekts väderstation. Den utrustade elektroniken överensstämmer ofta med enkel integration i systemets SCADA .
Ytterligare information kan också lagras i sensorns elektronik, som kalibreringshistorik, serienummer.
Se även
- Aktinometer
- Fotodiod
- Värmeflödesgivare
- Nätradiometer
- Pyrgeometer
- Pyrheliometer
- Radiometer
- Solljus
- Solkonstant
- Solväg
externa länkar
| Myndighetskontroll : Nationella bibliotek |
|---|
