Кіріспе
Күн сәулесін өлшейтін құрал. Пиранометр – жазық бетте күн сәулесінің күшін өлшеуге арналған актинометрдің бір түрі. Ол 0,3 мкм-ден 3 мкм-ге дейінгі толқын ұзындығы диапазонында жоғары жарты шардан келетін күн сәулесінің сәулелік тығыздығын (Вт/м²) өлшеуге құрылған. Көптеген пиранометрлер жұмыс істеу үшін қуатты қажет етпейді. Дегенмен, соңғы техникалық жетістіктер пиранометрлерде электрондық құрылғыларды пайдалануды қамтиды, бұл құрылғылар аз мөлшерде сыртқы қуатты қажет етеді (жылу ағыны сенсорына қараңыз).
A pyranometer is a type of actinometer used for measuring solar irradiance on a planar surface and it is designed to measure the solar radiation flux density (W/m2) from the hemisphere above within a wavelength range 0.3 μm to 3 μm. A typical pyranometer does not require any power to operate. However, recent technical development includes use of electronics in pyranometers, which do require (low) external power (see heat flux sensor).
Түсіндірме
Жер бетіне жететін күн сәулесінің спектрі шамамен 300 нм-ден 2800 нм-ге дейінгі толқын ұзындықтарын қамтиды. Қолданылатын пиранометр түріне байланысты, әртүрлі спектрлік сезімталдық деңгейлерімен сәулелену өлшемдері алынады. Сәулеленуді өлшеу үшін, анықтама бойынша, "тікелей" сәулеленуге жауап, түсу бұрышының косинусына пропорционалды түрде өзгеруі тиіс. Бұл күн сәулесі сенсорға тік бұрышпен түскенде толық жауап беруді қамтамасыз етеді (бетке перпендикуляр, күн зенитте, 0° түсу бұрышы), күн көкжиегінде болғанда жауап жоқ (90° түсу бұрышы, 90° зениттік бұрыш), ал 60° түсу бұрышында 0,5 жауап береді. Осыдан пиранометрде "бағыттық жауап" немесе "косинус жауабы" деп аталатын, идеалды косинус сипаттамасына мүмкіндігінше жақын болуы керек екені көрінеді.
Түрлері
ISO 9060 стандартында берілген анықтамаларға сәйкес, пиранометрдің үш түрін бөліп қарастыруға болады және оларды екі технологиялық топқа жіктеуге болады: термопильдік технология және кремнийлі жартылай өткізгіш технологиясы. Жарыққа сезімталдық, "спектральді жауап" деп аталады, пиранометр түріне байланысты өзгереді. Жоғарыдағы суретте үш түрлі пиранометрдің спектральді жауаптары күн радиациясы спектрімен салыстырылып көрсетілген. Күн радиациясы спектрі – теңіз деңгейінде, түскі уақытта, А.М. (ауа массасы) = 1.5 шамасында Жер бетіне жететін күн сәулесінің спектрі. Бұл спектрге ендік және биіктік жағдайларының әсері бар. Спектрге аэрозольдер мен ластану да әсер етеді.
Термопильді пиранометрлер
Термопильдік пиранометр (сонымен қатар термоэлектрлік пиранометр деп те аталады) – 180° көру бұрышынан күн радиациясының ағын тығыздығын өлшеуге арналған термопильдерге негізделген сенсор. Термопильді пиранометр әдетте 300-ден 2800 нм дейінгі диапазонда өлшейді, спектральді сезімталдығы көбінесе тегіс болады (спектральді жауап графигін қараңыз). Термопильді пиранометрлердің бірінші буыны сенсордың белсенді бөлігін қара және ақ секторларға тең бөліп жасалған. Сәулелену, күнге қаралған қара секторлардың температурасы мен көлеңкеде қалған ақ секторлардың температурасы арасындағы айырмашылықты өлшеу арқылы есептеледі. Барлық термопильдік технологияларда сәулелену, күнге қаралған беткей мен көлеңкедегі беткейдің температурасы арасындағы айырмашылыққа пропорционалды.
Қолданылуы
Термопильді пиранометрлер метеорологияда, климатологияда, климаттың өзгеруін зерттеуде, ғимараттардың инженерлік физикасында, фотоэлектрлік жүйелерде және фотоэлектрлік станцияларды бақылауда жиі қолданылады. Олар әдетте метеорологиялық станцияларда көлденең орнатылады. Күн энергиясы индустриясы 2017 жылғы IEC 61724 1:2017 стандартында күн электр станциясының мөлшері мен санатына қарай қандай пиранометрлерді қолдану керектігін белгілеген. Аталған стандартта термопильді пиранометрлерді көлденең орнату (GHI, Global Horizontal Irradiation) және фотоэлектрлік пиранометрлерді фотоэлектрлік модульдердің жазықтығына (POA, Plane Of Array) орнату арқылы өнімділік коэффициентін есептеудегі дәлдікті арттыру ұсынылады.
Фотоэлектрлік пиранометр кремний фотодиоды
ISO 9060 стандартында фотоэлектрлік пиранометр деп те аталатын фотодиодты пиранометр, күн спектрінің 400 нм мен 1100 нм аралығындағы бөлігін анықтай алады. Фотодиод, аталған күн спектрінің жиіліктерін фотоэлектрлік эффектінің арқасында жоғары жылдамдықпен токқа түрлендіреді. Температураның артуы ток мөлшерінің өсуіне әсер етеді (шамамен 0,1% • °C).
Дизайн
Фотодиодты пиранометр корпус күмбезі, фотодиод және диффузор немесе оптикалық сүзгілерден құралған. Фотодиодтың беті кішкентай және ол сенсор ретінде жұмыс істейді. Фотодиодтың тудыратын тогы сәулеленуге пропорционалды; шығыс тізбегі, мысалы, трансимпеданс күшейткіші, фототокқа тура пропорционал кернеуді жасайды. Шығысы көбінесе милливольт шамасында болады, бұл термопильді пиранометрлердің де шамасымен бірдей.
Қолданылуы
Фотодиодты пиранометрлер, көру спектріндегі күн сәулесінің мөлшерін немесе УФ, ИҚ немесе ФАС (фотосинтездік белсенді сәуле) сияқты оның белгілі бір бөліктерін есептеу қажет болғанда қолданылады. Бұл, нақты спектрлік сезімталдығы бар диодтарды пайдалану арқылы іске асырылады. Фотодиодты пиранометрлер – фотография, кино және жарықтандыру техникасында қолданылатын люксметрлердің негізгі құралы болып табылады. Кейде олар фотоэлектрлік жүйелердің модульдеріне жақын орнатылады.
Фотоэлектрлік пиранометр фотоэлектрлік элемент
2000-шы жылдары фотоэлектрлік жүйелердің таралуымен бірге жасалған фотоэлектрлік пиранометр, фотодиодты пиранометрдің дамуы болып табылады. Ол, жасушалар мен фотоэлектрлік модульдердің қуатын өлшеу кезінде бір ғана эталондық фотоэлектрлік жасушаның қажеттілігін қанағаттандырды. Атап айтқанда, әрбір жасуша мен модуль өндірушілермен жылдам сынақтан (флэш-тест) өтеді, ал термоэлементтік пиранометрлердің реакция жылдамдығы жеткіліксіз және жасушаның спектрлік сезімталдығымен толық сәйкес келмейді. Бұл қуатты өлшеуде айқын қателіктерге алып келеді, оларды есепке алу қажет. Техникалық құжаттарда бұл пиранометр «эталондық жасуша» деп те аталады. Сенсордың активті бөлігі, дерлік қысқа тұйықталу режимінде жұмыс істейтін фотоэлектрлік жасушадан тұрады. Сондықтан, пайда болатын ток, 350 нм мен 1150 нм аралығында жасушаға түсетін күн сәулесіне тура пропорционалды. Аталған диапазондағы жарық сәулесінің әсерінен, ол фотоэлектрлік эффектінің нәтижесінде ток өндіреді. Оның сезімталдығы бірқалыпты емес, бірақ кремний фотоэлектрлік жасушасының сезімталдығымен сәйкес. Спектрлік жауап графигін қараңыз.
Қолданылуы
Фотоэлектрлік пиранометрлер күн сәулесін имитациялайтын құрылғыларда және фотоэлектрлік жүйелермен бірге фотоэлектрлік модульдің тиімді қуатын және жүйе өнімділігін есептеу үшін қолданылады. Фотоэлектрлік пиранометрдің спектрлік сезімталдығы фотоэлектрлік модульдің спектрлік сезімталдығына ұқсас болғандықтан, оны фотоэлектрлік жүйелердегі бұзушылықтарды алдын ала диагностикалау үшін де пайдалануға болады. Нақты фотоэлектрлік элемент немесе күн сәулесінің қарқындылығын өлшейтін сенсор модуль температурасы, сыртқы температура және жел жылдамдығы сенсорларын қосуға мүмкіндік беретін сыртқы кірістерге ие болуы мүмкін, барлық деректер бір Modbus RTU шығысы арқылы тікелей деректер жинағышқа (Datalogger) жіберіледі. Бұл деректер күн энергиясын өндіретін станцияларды бақылауға қолайлы.
Стандарттау және калибрлеу
Термопильдік және фотоэлектрлік пиранометрлер стандарттар бойынша өндіріледі.
Термопильді пиранометрлер
Термопильдік пиранометрлер ISO 9060 стандартына сәйкес келеді, оны Дүниежүзілік метеорологиялық ұйым (ДМҰ) да қабылдады. Бұл стандарт үш класс жіктейді. ISO 9060 стандартының 2018 жылғы соңғы нұсқасында келесі жіктеу қолданылады: ең жақсы көрсеткіштер үшін А класы, одан кейін B және C кластары. Ал 1990 жылғы ISO 9060 стандартында "екінші стандарт", "бірінші сынып" және "екінші сынып" сияқты беймағына терминдер қолданылған. Кластар арасындағы айырмашылық сенсорлардың бірқатар қасиеттеріне байланысты: жауап беру уақыты, жылулық смещениелер, температураға тәуелділік, бағытталған қателік, тұрақсыздық, сызықтық емес сипат, спектрлік селективтілік және еңіс бойынша реакция. Бұлардың барлығы ISO 9060 стандартында анықталған. Датчик белгілі бір категорияға жатқызылуы үшін осы қасиеттердің барлық ең төменгі талаптарын орындауы керек. «Жылдам жауап» және «спектрлік жазықтық» – ISO 9060:2018 стандартына енгізілген екі қосымша жіктелім. Олар сенсорларды одан әрі ажыратуға және жіктеуге көмектеседі. «Жылдам жауап» жіктемесін алу үшін оқулардың 95% үшін жауап беру уақыты 0,5 секундтан кем болуы керек, ал «спектрлік жазықтық» 0,35-тен 1,5 мкм спектрлік диапазонда спектрлік селективтілігі 3%-дан төмен сенсорларға қолданылады. Көптеген А класты пиранометрлер «спектрлік жазық» болса, «жылдам жауап» қосымша жіктемесіндегі сенсорлар әлдеқайда сирек кездеседі. Көптеген А класты пиранометрлердің жауап беру уақыты 5 секунд немесе одан да көп. Калибрлеу әдетте Дүниежүзілік радиометриялық эталонды (WRR) абсолюттік эталон ретінде пайдалана отырып жүргізіледі. Оны Швейцарияның Давос қаласында PMOD ұйымы жүргізеді. Дүниежүзілік радиометриялық эталоннан басқа, ISO Cal Солтүстік Америка сияқты осы ерекше калибрлеулерге аккредиттеу алған жеке зертханалар да бар. А класты пиранометрлерді калибрлеу ASTM G167, ISO 9847 немесе ISO 9846 стандарттарына сәйкес жүргізіледі. B және C кластағы пиранометрлер әдетте ASTM E824 және ISO 9847 стандарттарына сәйкес калибрленеді.
Differences in classes are due to a certain number of properties in the sensors: response time, thermal offsets, temperature dependence, directional error, non stability, non linearity, spectral selectivity and tilt response. These are all defined in ISO 9060. For a sensor to be classified in a certain category, it needs to fulfill all the minimum requirements for these properties. ‘Fast response’ and ‘spectrally flat’ are two sub classifications, included in ISO 9060:2018. They help to further distinguish and categorise sensors. To gain the ‘fast response’ classification, the response time for 95% of readings must be less than 0.5 seconds; while ‘spectrally flat’ can apply to sensors with a spectral selectivity of less than 3% in the 0,35 to 1,5 μm spectral range. While most Class A pyranometers are ‘spectrally flat’, sensors in the ‘fast response’ sub classification are much rarer. Most Class A pyranometers have a response time of 5 seconds or more. The calibration is typically done having the World Radiometric Reference (WRR) as an absolute reference. It is maintained by PMOD in Davos, Switzerland. In addition to the World Radiometric Reference, there are private laboratories such as ISO Cal North America who have acquired accreditation for these unique calibrations. For the Class A pyranometer, calibration is done following ASTM G167, ISO 9847 or ISO 9846. Class B and class C pyranometers are usually calibrated according to ASTM E824 and ISO 9847.
Фотоэлектрлік пиранометр
Фотоэлектрлік пиранометрлер IEC 60904-4 стандарты бойынша біріншілік эталондық үлгілер үшін, ал IEC 60904-2 стандарты бойынша екіншілік эталондық үлгілер және сатуға арналған құралдар үшін стандартталады және калибрленеді. Екі стандартта да олардың сәйкестік тізбегі Дүниежүзілік радиометриялық эталон (WRR) тобының қуыс радиометрлерінен басталатын біріншілік стандарттан басталады.
Сигналды кондиционирлеу
Бұл пиранометрлердің табиғи шығыс мәні көбінесе ондаған милливольттан (mV) аспайды. Бұл "әлсіз" сигнал саналады, сондықтан электромагниттік кедергілерге, әсіресе кабель ондаған метрге созылғанда немесе фотоэлектрлік жүйелерде орналасқанда, өте сезімтал. Сондықтан, бұл сенсорлар көбінесе сигналды күшейту электроникасымен жабдықталады, олар 4-20 мА немесе 0-1 В шығысын береді.
Тағы бір шешім – шуға төзімділікті арттыру, мысалы, Modbus over RS 485, бұл орташа және ірі фотоэлектрлік станциялардағы электромагниттік кедергілерге бейім орта үшін қолайлы, немесе SDI 12 шығысы, онда сенсорлар төмен қуатты метеостанцияның құрамына кіреді. Орнатылған электроника жүйенің SCADA-сына оңай интеграциялауға көмектеседі. Сонымен қатар, сенсордың электроникасында калибровка тарихы, серийлік нөмірі сияқты қосымша ақпарат сақталуы мүмкін.