Пиранометр (от греческого πῦρ (pyr) «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 полусферы 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 ).
Спектр солнечного излучения , достигающего земной поверхности, 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.
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.
Пиранометр на термобатарейке (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.
Для достижения правильных направленных и спектральных характеристик термобатарейный пиранометр состоит из следующих основных компонентов:
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 .
Пиранометры на термобатареях часто используются в метеорологии , климатологии , исследованиях изменения климата , строительной физике , фотоэлектрических системах и мониторинге фотоэлектрических электростанций .
Обычно они устанавливаются горизонтально на метеорологических станциях.
В отрасли солнечной энергетики в стандарте IEC 61724-1:2017 2017 года [3] определено, 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.
Пиранометр на основе фотодиода, также известный в стандарте ISO 9060 как фотоэлектрический пиранометр , [4] может обнаруживать часть солнечного спектра между 400 и 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).
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.
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 ). 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 , созданный примерно в 2000-х годах одновременно с распространением фотоэлектрических систем, 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, а пиранометры на термобатареях не обладают ни адекватной скоростью отклика, ни таким же спектральным откликом, как ячейка. 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.
Фотоэлектрический пиранометр по существу состоит из следующих частей:
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 .
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 фотоэлектрических систем.
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.
Как термобатарейные, так и фотоэлектрические пиранометры изготавливаются по стандартам.
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) в качестве абсолютного эталона. 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 пиранометров класса A калибровка выполняется в соответствии с ASTM G167, [13] ISO 9847 [14] или ISO 9846. [15] [16] Пиранометры классов B и C обычно калибруются в соответствии с ASTM E824 [17] и ISO 9847. [18 ]
Фотоэлектрические пиранометры стандартизируются 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 службой (WRR). [19]
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 оснащены 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 , подходящий для условий с электромагнитными помехами, типичными для фотоэлектрических электростанций среднего и большого масштаба , или выход SDI-12 , где датчики являются частью метеостанции малой мощности. Оборудованная электроника часто способствует легкой интеграции в SCADA системы .
Дополнительная информация также может храниться в электронике датчика, например история калибровки, серийный номер.
