Pyranometer
 
Een pyranometer is een thermische stromingssensor die wordt gebruikt om de hoeveelheid zonne-energie in natuurlijk licht te meten en wordt met name gebruikt in de meteorologie.
Hiermee kan het vermogen van de totale zonnestraling in watt per vierkante meter worden gemeten. Het is gevoelig in een spectraal bereik van 300 tot 2500 nanometer, afhankelijk van het gebruikte filter. De pyranometer wordt bijvoorbeeld gebruikt bij het meten van zonnestraling in een kas, geëvalueerd in vergelijking met de waarde van de straling buiten om het verlies aan
directe energie bij het passeren van daken in te schatten. De meeteenheid voor straling is die van de instraling, het watt per vierkante meter (W / m2).
 

 

Pyranometermeter essentiële onderdelen: (1) kabel, (3) pyranameter en (5) glazen koepels, (4) zwart detectoroppervlak, (6) zonnescherm, (7) droogmiddelindicator,
(9) stelvoeten, (10) waterpas, (11) connector
 
Spectrum en spectrale respons 
 
Het zonnestralingsspectrum dat het aardoppervlak bereikt, strekt zich uit over een golflengte van ongeveer 300 nm tot 2800 nm. Afhankelijk van het type pyranometer dat wordt gebruikt,
zullen stralingsmetingen met verschillende graden van spectrale gevoeligheid worden verkregen.

Om de bestralingssterkte te meten, is het per definitie vereist dat de respons op "bundel" -straling varieert met de cosinus van de invalshoek. Dit zorgt voor een volledige respons wanneer de zonnestraling de sensor loodrecht raakt (normaal op het oppervlak, zon in zenit, 0 ° invalshoek), nul respons als de zon aan de horizon staat (90 ° invalshoek, 90 ° zenithoek ), en 0,5 bij een invalshoek van 60 °. Hieruit volgt dat een pyranometer een zogenaamde "directionele respons" of "cosinusrespons" moet hebben die zo dicht mogelijk bij de ideale cosinuskarakteristiek ligt.  
 
Typen pyranometers 
 
Thermopile pyranometers zijn geclassificeerd op basis van hun meetnauwkeurigheid in 3 categorieën (klasse A, B en C) volgens ISO 9060: 2018. De norm houdt onder meer rekening met de oplaadtijd van thermozuilsensoren (de reactiesnelheid) en het gedrag van de sensor als functie van temperatuurvariaties (offsets). Door snellere bemonsteringsfrequenties kan de sensor de piekverlichtingssterkte nauwkeuriger "vastleggen" onder snelle atmosferische veranderingen. Zelfs op dagen met heldere lucht lijkt de zonnestraling op een minimale schaal constant te zijn.
Door atmosferische troebelheid kan de instraling gemakkelijk fluctueren met enkele W / m2. Om veranderingen van minder dan een seconde te detecteren, is het belangrijk om de bemonsteringssnelheid van het data-acquisitiesysteem af te stemmen op de responstijd van de sensor.  
 
Thermozuil pyranometers 
Een thermozuil pyranometer (ook wel thermo-elektrische pyranometer genoemd) is een sensor op basis van thermozuilen die is ontworpen om de brede band van de zonnestraling fluxdichtheid te meten vanuit een kijkhoek van 180 °. Een thermozuil pyranometer meet dus meestal 300 tot 2800 nm met een grotendeels vlakke spectrale gevoeligheid (zie de spectrale responsgrafiek).
Bij de eerste generatie thermozuil pyranometers was het actieve deel van de sensor gelijk verdeeld in zwarte en witte sectoren. De instraling werd berekend uit de verschilmaat tussen de temperatuur van de zwarte sectoren, blootgesteld aan de zon, en de temperatuur van de witte sectoren, sectoren die niet aan de zon werden blootgesteld of beter gezegd in de schaduw. 
Bij alle thermozuiltechnologie is de bestraling evenredig met het verschil tussen de temperatuur van het aan de zon blootgestelde gebied en de temperatuur van het schaduwgebied.
 
Ontwerp 
Om de juiste directionele en spectrale kenmerken te verkrijgen, is een thermozuil pyranometer geconstrueerd met de volgende hoofdcomponenten:
 
- Een thermozuil sensor met een zwarte coating. Het absorbeert alle zonnestraling, heeft een vlak spectrum dat het bereik van 300 tot 50.000 nanometer beslaat en heeft een bijna perfecte
  cosinusrespons. 
- Een glazen koepel. Het beperkt de spectrale respons van 300 tot 2.800 nanometer (waarbij het deel boven 2.800 nm wordt afgesneden), terwijl het gezichtsveld van 180 ° behouden blijft.
  Het schermt ook de thermozuilsensor af tegen convectie. Veel, maar niet alle, eersteklas en secundaire standaard pyranometers (zie ISO 9060 classificatie van thermozuil pyranometers) 
  bevatten een tweede glazen koepel als extra "stralingsscherm", wat resulteert in een beter thermisch evenwicht tussen de sensor en de binnenste koepel, vergeleken met enkele modellen
  met één koepel van dezelfde fabrikant. Het effect van het hebben van een tweede koepel is in deze gevallen een sterke vermindering van instrumentoffsets. Klasse A, enkele dome-modellen,
  met lage nulpuntverschuiving (+/- 1 W / m2) zijn beschikbaar.  
 
In de moderne thermozuil pyranometers bevinden de actieve (hete) verbindingen van de thermozuil zich onder het zwarte coatingoppervlak en worden ze verwarmd door de straling die wordt geabsorbeerd door de zwarte coating. De passieve (koude) overgangen van de thermozuil zijn volledig beschermd tegen zonnestraling en staan in thermisch contact met de pyranometerbehuizing, die dient als koellichaam. Dit voorkomt enige verandering door vergeling of bederf bij het meten van de temperatuur in de schaduw, waardoor de meting van de zonnestraling wordt aangetast.

De thermozuil genereert een kleine spanning in verhouding tot het temperatuurverschil tussen het zwarte coatingoppervlak en de instrumentbehuizing. Dit is in de orde van grootte van
10 μV (microvolt) per W / m2, dus op een zonnige dag zal de output rond de 10 mV (millivolt) zijn. Elke pyranometer heeft een unieke gevoeligheid, tenzij anders is uitgerust met elektronica
voor signaalkalibratie. 
 
Gebruik 
Thermopile pyranometers worden vaak gebruikt in meteorologie, klimatologie, onderzoek naar klimaatverandering, bouwkundige fysica, fotovoltaïsche systemen en monitoring van
fotovoltaïsche energiecentrales. Ze worden meestal horizontaal geïnstalleerd in meteorologische stations.

De zonne-energie-industrie heeft in een norm uit 2017, IEC 61724-1: 2017, gedefinieerd welk type pyranometers moet worden gebruikt, afhankelijk van de grootte en categorie van de zonne-energiecentrale. Die norm adviseert om thermozuil pyranometers horizontaal te installeren (GHI, Global Horizontal Irradiation), en om fotovoltaïsche pyranometers te installeren op het vlak
van PV-modules (POA, Plane Of Array) om de nauwkeurigheid van de berekening van de prestatieverhouding te verbeteren.  
 

Pyranometer op zonnepaneelpark
 

Een fotodiode pyranometer, model Quantum
 

Een foto-elektrische pyranometer, model LM1-C2
 
Fotovoltaïsche pyranometer - fotovoltaïsche cel
Gebouwd rond de jaren 2000, gelijktijdig met de verspreiding van fotovoltaïsche systemen, is de fotovoltaïsche pyranometer een evolutie van de fotodiode-pyranometer. Het beantwoordde aan
de behoefte aan een enkele fotovoltaïsche referentiecel bij het meten van het vermogen van cel- en fotovoltaïsche modules. In het bijzonder wordt elke cel en module getest door middel van
flash-tests door hun respectievelijke fabrikanten, en thermozuil pyranometers hebben niet de juiste reactiesnelheid noch dezelfde spectrale respons van een cel. Dit zou een duidelijke
mismatch veroorzaken bij het meten van vermogen, dat zou moeten worden gekwantificeerd. In de technische documenten wordt deze pyranometer ook wel "referentiecel" genoemd.
 
Het actieve deel van de sensor bestaat uit een fotovoltaïsche cel die bijna kortsluiting vertoont. Als zodanig is de gegenereerde stroom direct evenredig met de zonnestraling die de cel treft in
een bereik tussen 350 nm en 1150 nm. Wanneer het wordt geïnvesteerd door een lichtgevende straling in het genoemde bereik, produceert het stroom als gevolg van het fotovoltaïsche effect.
De gevoeligheid is niet vlak, maar het is dezelfde als die van een fotovoltaïsche cel van silicium. Zie de spectrale responsgrafiek.
 
Ontwerp
Een fotovoltaïsche pyranometer wordt in wezen samengesteld uit de volgende onderdelen:
 
- Een metalen container met bevestigingsstaf
- Een kleine fotovoltaïsche cel
- Signaalconditioneringselektronica
 
Siliciumsensoren zoals de fotodiode en de fotovoltaïsche cel variëren de output in functie van de temperatuur. In de meer recente modellen compenseert de elektronica het signaal met de temperatuur, waardoor de invloed van temperatuur uit de waarden van de zonnestraling wordt gehaald. In verschillende modellen bevindt zich in de behuizing een bord voor de versterking en conditionering van het signaal.
 
Gebruik
Fotovoltaïsche pyranometers worden gebruikt in zonnesimulatoren en naast fotovoltaïsche systemen voor de berekening van het effectieve vermogen van de fotovoltaïsche module en de systeemprestaties. Omdat de spectrale respons van een fotovoltaïsche pyranometer vergelijkbaar is met die van een fotovoltaïsche module, kan deze ook worden gebruikt voor voorlopige diagnose van storingen in fotovoltaïsche systemen.

Referentie PV-cel of zonnestralingssensor kunnen externe ingangen hebben die zorgen voor de aansluiting van de moduletemperatuursensor, de omgevingstemperatuursensor en de windsnelheidssensor met slechts één Modbus RTU-uitgang die rechtstreeks op de datalogger is aangesloten. Deze gegevens zijn geschikt voor het monitoren van de PV-installaties
op zonne-energie
 
Standaardisatie en kalibratie
 
Zowel thermozuil-type als fotovoltaïsche pyranometers worden vervaardigd volgens normen.
 
Thermozuil pyranometers
Thermopile pyranometers volgen de ISO 9060-norm, die ook is overgenomen door de World Meteorological Organization (WMO). Deze norm onderscheidt drie klassen.

De nieuwste versie van ISO 9060, uit 2018, gebruikt de volgende classificatie:
- Klasse A voor de beste prestaties, gevolgd door Klasse B en Klasse C, terwijl de oudere ISO 9060-norm uit 1990 dubbelzinnige termen gebruikte als 'secundaire standaard', 'eerste klasse'
  en "tweede klas".

Verschillen in klassen zijn te wijten aan een aantal eigenschappen in de sensoren: reactietijd, thermische offsets, temperatuurafhankelijkheid, richtingsfout, niet-stabiliteit, niet-lineariteit, spectrale selectiviteit en kantelrespons. Deze zijn allemaal gedefinieerd in ISO 9060. Om in een bepaalde categorie te worden ingedeeld, moet een sensor aan alle minimumvereisten voor
deze eigenschappen voldoen.

‘Snelle respons’ en ‘spectraal vlak’ zijn twee subclassificaties, opgenomen in ISO 9060: 2018. Ze helpen om sensoren verder te onderscheiden en te categoriseren. Om de classificatie ‘snelle respons’ te verkrijgen, moet de responstijd voor 95% van de metingen minder dan 0,5 seconden zijn; terwijl ‘spectraal vlak’ van toepassing kan zijn op sensoren met een spectrale selectiviteit van minder dan 3% in het spectrale bereik van 0,35 tot 1,5 μm. Hoewel de meeste pyranometers van klasse A ‘spectraal plat’ zijn, zijn sensoren in de subclassificatie ‘snelle respons’ veel zeldzamer. De meeste pyranometers van klasse A hebben een responstijd van 5 seconden of meer.

De kalibratie wordt doorgaans uitgevoerd met de World Radiometric Reference (WRR) als absolute referentie. Het wordt onderhouden door PMOD in Davos, Zwitserland. Naast de World Radiometric Reference zijn er particuliere laboratoria zoals ISO-Cal North America die accreditatie hebben verkregen voor deze unieke kalibraties. Voor de klasse A pyranometer wordt de kalibratie uitgevoerd volgens ASTM G167, ISO 9847 of ISO 9846. Pyranometers van klasse B en klasse C worden gewoonlijk gekalibreerd volgens ASTM E824 en ISO 9847.
 
Fotovoltaïsche pyranometer
Fotovoltaïsch pyranometers zijn gestandaardiseerd en gekalibreerd onder IEC 60904-4 voor primaire referentiemonsters en onder IEC 60904-2 voor secundaire referentiemonsters en de instrumenten die bedoeld zijn voor verkoop. In beide standaarden begint hun respectievelijke traceerbaarheidsketen met de primaire standaard die bekend staat als de groep van
holte-radiometers door de World Radiometric Reference (WRR).
 
Signaalconditionering
 
De natuurlijke outputwaarde van deze pyranometers is doorgaans niet hoger dan tientallen millivolt (mV). Het wordt beschouwd als een "zwak" signaal, en als zodanig nogal kwetsbaar voor elektromagnetische interferenties, vooral wanneer de kabel decametrische afstanden overbrugt of in fotovoltaïsche systemen ligt. Daarom zijn deze sensoren vaak uitgerust met signaalconditioneringselektronica, die een output geeft van 4-20 mA of 0-1 V.

Een andere oplossing impliceert een grotere immuniteit voor geluiden, zoals Modbus via RS-485, geschikt voor omgevingen met elektromagnetische interferenties die typisch zijn voor fotovoltaïsche centrales op middelgrote tot grote schaal, of SDI-12-uitgang, waar sensoren deel uitmaken van een weerstation met laag vermogen. De uitgeruste elektronica gaat vaak samen
met eenvoudige integratie in de SCADA van het systeem. Extra informatie kan ook worden opgeslagen in de elektronica van de sensor, zoals kalibratiegeschiedenis, serienummer.
 
Bronnen: Wikipedia-fr, Wikipedia-en 
  Categorieën: Meteorologische instrumenten I Weer A tot Z
 
web design florida