Введение

Прибор для измерения солнечной облучённости

Пиранометр – это тип актинометра, используемый для измерения солнечной облучённости на плоской поверхности и предназначенный для измерения плотности потока солнечного излучения (Вт/м²) от полусферы над ним в диапазоне длин волн от 0,3 мкм до 3 мкм. Типичный пиранометр не требует электропитания для работы. Однако недавние технические разработки включают использование электроники в пиранометрах, которым требуется (небольшое) внешнее питание (см. датчик теплового потока).

Пояснение

Спектр солнечного излучения, достигающий поверхности Земли, простирается в диапазоне длин волн примерно от 300 до 2800 нм. В зависимости от типа используемого пиранометра, измерения облученности будут иметь различную степень спектральной чувствительности. По определению, для измерения облученности необходимо, чтобы реакция на прямое солнечное излучение изменялась в соответствии с косинусом угла падения. Это обеспечивает максимальную реакцию при перпендикулярном падении солнечного излучения на датчик (нормально к поверхности, солнце в зените, угол падения 0°), нулевую реакцию при горизонте (угол падения 90°, угол зенита 90°) и реакцию 0,5 при угле падения 60°. Следовательно, пиранометр должен иметь так называемую "направленную характеристику" или "косинусную характеристику", максимально близкую к идеальной косинусоидальной функции.

Типы

В соответствии с определениями, указанными в ISO 9060, можно выделить три типа пиранометров, которые можно сгруппировать по двум различным технологиям: термопильной и кремниевой полупроводниковой. Светочувствительность, известная как "спектральный отклик", зависит от типа пиранометра. На рисунке выше показаны спектральные отклики трех типов пиранометров в отношении спектра солнечной радиации. Спектр солнечной радиации представляет собой спектр солнечного света, достигающего поверхности Земли на уровне моря в полдень при А. М. (воздушной массе) = 1,5. Широта и высота над уровнем моря влияют на этот спектр. На спектр также влияют аэрозоли и загрязнения.

Термопильные пиранометры

Термопильный пиранометр (также называемый термоэлектрическим пиранометром) – это датчик на основе термопар, предназначенный для измерения широкого спектра плотности потока солнечного излучения с углом поля зрения 180°. Таким образом, термопильный пиранометр обычно измеряет в диапазоне от 300 до 2800 нм, обладая в значительной степени плоской спектральной чувствительностью (см. график спектрального отклика). Первое поколение термопильных пиранометров имело активную часть датчика, разделенную на черные и белые сектора в равной степени. Измерение облучения производилось на основе разности температур между черными секторами, освещенными солнцем, и белыми секторами, находящимися в тени. Во всех технологиях, использующих термопары, облучение пропорционально разнице температур между освещенной солнцем поверхностью и затененной поверхностью.

Использование

Термопильные пиранометры часто используются в метеорологии, климатологии, исследованиях изменения климата, физике строительных конструкций, фотоэлектрических системах и мониторинге фотоэлектрических станций. Обычно они устанавливаются горизонтально на метеорологических станциях. В 2017 году в стандарте IEC 61724-1:2017 было определено, какие типы пиранометров следует использовать в зависимости от размера и категории солнечной электростанции. В этом стандарте рекомендуется устанавливать термопильные пиранометры горизонтально для измерения GHI (глобального горизонтального облучения), а фотоэлектрические пиранометры – в плоскости фотоэлектрических модулей (POA, Plane Of Array) для повышения точности расчета коэффициента производительности.

Фотовольтаический пиранометр кремниевый фотодиод

Также известный как фотоэлектрический пиранометр согласно стандарту ISO 9060, пиранометр на основе фотодиода способен регистрировать часть солнечного спектра в диапазоне от 400 до 1100 нм. Фотодиод преобразует указанные частоты солнечного спектра в электрический ток с высокой скоростью благодаря фотоэлектрическому эффекту. На это преобразование влияет температура: с повышением температуры увеличивается и сила тока (примерно на 0,1% на каждый градус Цельсия).

Дизайн

Пиранометр на основе фотодиода состоит из купола корпуса, фотодиода и диффузора или оптических фильтров. Фотодиод имеет небольшую площадь поверхности и функционирует как датчик. Ток, генерируемый фотодиодом, пропорционален облученности; выходная схема, такая как усилитель с обратной транспроводимостью, генерирует напряжение, прямо пропорциональное фототоку. Выходной сигнал обычно составляет порядка милливольт, что соответствует порядку величины для термопильных пиранометров.

Использование

Пиранометры на основе фотодиодов используются там, где требуется определить количество облучения видимого солнечного спектра или его отдельных участков, таких как УФ, ИК или ФАР (фотосинтетически активное излучение). Это достигается за счет применения диодов с заданными спектральными характеристиками. Пиранометры на основе фотодиодов – ключевой элемент люксметров, применяемых в фотографии, кинематографе и светотехнике. Иногда их также устанавливают вблизи модулей фотоэлектрических систем.

Фотоэлектрический пиранометр фотоэлектрический элемент

Построенный в 2000-х годах параллельно с распространением фотоэлектрических систем, фотоэлектрический пиранометр является развитием фотодиодного пиранометра. Он был разработан для обеспечения единой эталонной фотоэлектрической ячейки при измерении мощности ячеек и фотоэлектрических модулей. В частности, каждая ячейка и модуль тестируются производителями посредством импульсных испытаний, а термопильные пиранометры не обладают достаточной скоростью отклика и тем же спектральным откликом, что и ячейка. Это привело бы к очевидным расхождениям при измерении мощности, которые необходимо было бы количественно оценить. В технической документации этот пиранометр также известен как "эталонная ячейка". Активная часть датчика состоит из фотоэлектрической ячейки, работающей в режиме близком к короткому замыканию. Следовательно, генерируемый ток прямо пропорционален солнечному излучению, попадающему на ячейку в диапазоне от 350 до 1150 нм. Под воздействием светового излучения в указанном диапазоне, он генерирует ток в результате фотоэлектрического эффекта. Его чувствительность не является равномерной, но она соответствует чувствительности кремниевой фотоэлектрической ячейки. См. график спектрального отклика.

Использование

Фотоэлектрические пиранометры используются в солнечных симуляторах и совместно с фотоэлектрическими системами для расчета эффективной мощности фотоэлектрических модулей и производительности системы. Благодаря схожему спектральному отклику фотоэлектрического пиранометра и фотоэлектрического модуля, он также может применяться для предварительной диагностики неисправностей в фотоэлектрических системах. Эталонный фотоэлемент или датчик солнечной радиации может иметь внешние входы для подключения датчика температуры модуля, датчика температуры окружающей среды и датчика скорости ветра, с одним выходом Modbus RTU, подключаемым непосредственно к регистратору данных. Эти данные пригодны для мониторинга солнечных фотоэлектрических станций.

Стандартизация и калибровка

Как термоэлементные, так и фотоэлектрические пиранометры изготавливаются в соответствии со стандартами.

Термопильные пиранометры

Термопильные пиранометры соответствуют стандарту ISO 9060, который также принят Всемирной метеорологической организацией (ВМО). Этот стандарт определяет три класса. В последней версии ISO 9060 от 2018 года используется следующая классификация: класс A – для приборов с наилучшими характеристиками, далее 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 «второй класс». Различия между классами обусловлены рядом характеристик датчиков: временем отклика, тепловыми погрешностями, температурной зависимостью, направленной ошибкой, нестабильностью, нелинейностью, спектральной селективностью и откликом на угол наклона. Все эти характеристики определены в ISO 9060. Для отнесения датчика к определенному классу необходимо соответствие всем минимальным требованиям по этим характеристикам. «Быстрое реагирование» и «спектрально плоский» – две подклассификации, включенные в ISO 9060:2018, которые позволяют более детально различать и классифицировать датчики. Для получения классификации «быстрое реагирование» время отклика для 95% показаний должно быть менее 0,5 секунды, а «спектрально плоский» применяется к датчикам со спектральной селективностью менее 3% в диапазоне длин волн от 0,35 до 1,5 мкм. В то время как большинство пиранометров класса A являются «спектрально плоскими», датчики с подклассификацией «быстрое реагирование» встречаются значительно реже. Большинство пиранометров класса A имеют время отклика 5 секунд и более. Калибровка обычно выполняется с использованием Всемирного радиометрического эталона (WRR) в качестве абсолютного ориентира. Его поддерживает PMOD в Давосе, Швейцария. Помимо Всемирного радиометрического эталона, существуют частные лаборатории, такие как ISO Cal North America, получившие аккредитацию для проведения подобных калибровок. Для пиранометров класса A калибровка выполняется в соответствии с ASTM G167, ISO 9847 или ISO 9846. Пиранометры классов B и C обычно калибруются в соответствии с ASTM E824 и ISO 9847.

Фотовольта-пиранометр

Фотоэлектрические пиранометры стандартизированы и калиброваны в соответствии с IEC 60904-4 для первичных эталонных образцов и с IEC 60904-2 для вторичных эталонных образцов и приборов, предназначенных для продажи. В обоих стандартах цепочка их прослеживаемости начинается с первичного стандарта, известного как группа кавитационных радиометров Всемирной радиометрической эталонной системы (WRR).

Кондиционирование сигнала

Естественное выходное значение этих пиранометров обычно не превышает нескольких десятков милливольт (мВ). Такой сигнал считается "слабым" и, следовательно, весьма восприимчив к электромагнитным помехам, особенно при прокладке кабеля на десятки метров или в фотоэлектрических системах. Поэтому эти датчики часто оснащаются электроникой обработки сигнала, обеспечивающей выходной сигнал 4-20 мА или 0-1 В.

Другим решением является повышение помехоустойчивости, например, использование протокола Modbus по интерфейсу RS-485, подходящего для сред с электромагнитными помехами, характерными для крупных и средних фотоэлектрических электростанций, или выходного сигнала SDI-12, когда датчики являются частью маломощной метеостанции. Встроенная электроника часто упрощает интеграцию в SCADA-систему. Дополнительная информация, такая как история калибровки и серийный номер, также может храниться в электронике датчика.