|
|
|
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: |
|
| |
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, verlengt zijn golflengte van ongeveer 300 nm tot 2800 nm. Afhankelijk van het type pyranometer dat wordt gebruikt, zullen bestralingsmetingen 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), nulrespons wanneer 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. |
|
| Volgens de definities in ISO 9060 kunnen drie soorten pyranometers worden herkend en gegroepeerd in twee verschillende technologieën: thermokoppel technologie en silicium halfgeleidertechnologie. |
| |
De lichtgevoeligheid, de zogenaamde 'spectrale respons', is afhankelijk van het type pyranometer. De figuur hierboven toont de spectrale reacties
van de drie typen pyranometers in relatie tot het zonnestralingsspectrum. Het zonnestralingsspectrum vertegenwoordigt het spectrum van zonlicht dat het aardoppervlak bereikt op zeeniveau, 's middags met A.M. (luchtmassa) = 1,5. De breedtegraad en hoogte beïnvloeden dit spectrum.
Het spectrum wordt ook beïnvloed door aerosol en vervuiling. . |
|
| |
| Thermokoppel-pyranometer |
| Een thermokoppel-pyranometer (ook wel thermo-elektrische pyranometer genoemd) is een sensor op basis van thermokoppels die is ontworpen om de brede band van de fluxdichtheid van zonnestraling te meten vanuit een gezichtsveld van 180°. Een thermokoppel pyranometer meet dus meestal 300 tot 2800 nm met een grotendeels vlakke spectrale gevoeligheid (zie de spectrale responsgrafiek) De bestraling 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 zijn blootgesteld aan de zon of beter gezegd in de schaduw. |
| |
| In alle thermokoppel technologie is de instraling 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 thermokoppel 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 thermokoppelsensor af tegen convectie. Veel, maar niet alle, eersteklas en
secundaire standaard 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 thermokoppel-pyranometers bevinden de actieve (hete) verbindingen van de thermozuil zich onder het zwarte coatingoppervlak en worden verwarmd door de straling die door de zwarte coating wordt geabsorbeerd. De passieve (koude) junctions van de thermokoppel zijn
volledig beschermd tegen zonnestraling en in thermisch contact met de pyranometerbehuizing, die dienst doet als koellichaam. Dit voorkomt dat er bij het meten van de temperatuur in de schaduw een verandering van vergeling of verval optreedt, waardoor de meting van de zonnestraling nadelig wordt beïnvloed
De thermokoppel genereert een kleine spanning in verhouding tot het temperatuurverschil tussen het zwarte coatingoppervlak en de instrumentbehuizing. Dit is in de orde 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 uitgerust met elektronica voor signaalkalibratie. |
| |
| Gebruik |
| Thermokoppel-pyranometers worden vaak gebruikt in de meteorologie, klimatologie, onderzoek naar klimaatverandering, bouwfysica, 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, bepaald welk type pyranometers moet worden gebruikt, afhankelijk van de grootte en categorie van de zonne-energiecentrale. Die norm adviseert om thermokoppel-pyranometers horizontaal te installeren (GHI, Global Horizontal Irradiation, zie afbeelding links) en om fotovoltaïsche pyranometers te installeren op het vlak van PV-modules (POA, Plane Of Array, zie afbeelding rechts) om de nauwkeurigheid van de prestaties te verbeteren verhouding berekening. |
|
|
| Thermokoppel-pyranometers als onderdeel van een weerstation |
|
|
|
| Fotovoltaïsche_pyranometer_on_POA |
|
| |
| Fotovoltaïsche pyranometer – silicium fotodiode |
| Ook bekend als een foto-elektrische pyranometer, kan een op fotodiode gebaseerde pyranometer het gedeelte van het zonnespectrum detecteren tussen 400 nm en 1100 nm. De fotodiode zet de eerder genoemde frequenties van het zonnespectrum dankzij het foto-elektrisch effect met hoge snelheid om in stroom. De conversie wordt beïnvloed door de temperatuur met een stroomstijging die wordt geproduceerd door de temperatuurstijging (ongeveer 0,1% °C) |
| |
| Ontwerp |
Een op fotodiode gebaseerde pyranometer bestaat uit een behuizingskoepel, een fotodiode en een diffusor of optische filters. De fotodiode heeft
een klein oppervlak en werkt als een sensor. De stroom die door de fotodiode wordt gegenereerd, is evenredig met de bestralingssterkte;
een uitgangscircuit, zoals een transimpedantieversterker, genereert een spanning die recht evenredig is met de fotostroom. De output is meestal in de orde van millivolt, dezelfde orde van grootte als pyranometers van het thermozuiltype. |
| |
| Gebruik |
| Op fotodiodes gebaseerde pyranometers worden geïmplementeerd waar de hoeveelheid straling van het zichtbare zonnespectrum, of van bepaalde delen zoals UV, IR of PAR (fotosynthetisch actieve straling), moet worden berekend. Dit wordt gedaan door diodes met specifieke spectrale reacties te gebruiken. Op fotodiodes gebaseerde pyranometers vormen de kern van luxmeters die worden gebruikt in fotografie, film en lichttechniek. Soms worden ze ook dicht bij modules van fotovoltaïsche systemen geïnstalleerd. |
|
| Pyranometer op zonnepaneelpark |
|
|
|
| Een fotodiode pyranometer, model Quantum |
|
|
|
| Een foto-elektrische pyranometer |
|
| Fotovoltaïsche pyranometer - fotovoltaïsche cel |
|
| De fotovoltaïsche pyranometer, gebouwd rond de jaren 2000, gelijktijdig met de verspreiding van fotovoltaïsche systemen, is een evolutie van de fotodiode-pyranometer. Het beantwoordde aan de behoefte aan een enkele fotovoltaïsche referentiecel bij het meten van het vermogen van cellen en fotovoltaïsche modules. In het bijzonder wordt elke cel en module getest door middel van flash-tests door hun respectieve fabrikanten, en thermozuil-pyranometers hebben niet de adequate responssnelheid, noch dezelfde spectrale respons van een cel. Dit zou een duidelijke mismatch creëren bij het meten van het vermogen, dat gekwantificeerd zou moeten worden. In de technische documenten wordt deze pyranometer ook wel "referentiecel" genoemd. |
| |
Het actieve deel van de sensor bestaat uit een fotovoltaïsche cel die werkt in een toestand van bijna kortsluiting. Als zodanig is de opgewekte
stroom recht evenredig met de zonnestraling die de cel raakt in een bereik tussen 350 nm en 1150 nm. Wanneer geïnvesteerd door een lichtstraling in het genoemde bereik, produceert het stroom als gevolg van het fotovoltaïsche effect. De gevoeligheid is niet vlak, maar het is hetzelfde als die van silicium fotovoltaïsche cellen. Zie de Spectral Response-grafiek. |
|
| |
| 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 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 een voorlopige diagnose van storingen in fotovoltaïsche systemen. |
| |
Referentie PV-cel of zonnestralingssensor kunnen externe ingangen hebben die zorgen voor de aansluiting van moduletemperatuursensor, omgevingstemperatuursensor en windsnelheidssensor met slechts één Modbus RTU-uitgang die rechtstreeks op de datalogger is aangesloten.
Deze gegevens zijn geschikt voor het monitoren van de zon-pv-installaties. |
| |
| Standaardisatie en kalibratie |
| Zowel thermokoppel-type als fotovoltaïsche pyranometers worden vervaardigd volgens normen. |
| |
| Thermokoppel pyranometers |
| Thermokoppel 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 meestal 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 over decametrische afstanden loopt of in fotovoltaïsche systemen ligt. Zo zijn deze sensoren vaak uitgerust met signaalconditioneringselektronica, met een output van 4-20 mA of 0-1 V. |
| |
| Een andere oplossing houdt een grotere immuniteit in voor geluiden, zoals Modbus via RS-485, geschikt voor omgevingen met elektromagnetische interferenties die typisch zijn voor middelgrote fotovoltaïsche energiecentrales, of SDI-12-uitgang, waar sensoren deel uitmaken van een weerstation met laag vermogen. De uitgeruste elektronica zorgt vaak voor een gemakkelijke integratie in de SCADA van het systeem. |
| |
| In de elektronica van de sensor kan ook aanvullende informatie worden opgeslagen, zoals kalibratiegeschiedenis, serienummer. |
|
Bronnen: Wikipedia-fr, Wikipedia-en, Korea.net |
|
|
|
|
|
