Пиранометры: что вам нужно знать

Если вы рассматриваете возможность использования пиранометров в своих измерительных задачах, вам следует знать о них и о том, как они работают. Эта информация поможет вам выбрать тип пиранометра, наиболее подходящий для получения данных, необходимых для вашей задачи.

Что такое глобальная солнечная радиация?

Наше Солнце испускает излучение в диапазоне длин волн от 0,15 до 4,0 мкм, которое называется солнечным спектром. Измерение солнечного излучения на Земле называется глобальным солнечным излучением. Глобальное солнечное излучение, иногда называемое коротковолновым, представляет собой как прямое, так и рассеянное солнечное излучение, получаемое от полушария над плоскостью пиранометра. Трудно найти на Земле экологический процесс, который не был бы напрямую или косвенно обусловлен солнечной энергией. Следовательно, вполне вероятно, что глобальное солнечное излучение влияет на исследуемый вами процесс.

Кто и зачем измеряет глобальную солнечную радиацию?

Глобальные измерения солнечной радиации используются в различных приложениях для разных целей:

*Солнечная энергия для определения эффективности преобразования солнечной энергии в электричество и определения необходимости очистки панелей. Датчики, используемые для этой цели, обычно измеряют излучение в плоскости массива солнечных панелей.

*Утилиты для прогнозирования потребления газа и электроэнергии

*Исследование как одного из параметров для прогнозирования или количественной оценки роста или продуктивности растений

*Сельское хозяйство, а также уход за полями для гольфа и парками, как один из параметров для прогнозирования потребления воды растениями и планирования полива

*Метеорология как один из факторов в моделях прогнозирования погоды

Что такое пиранометр и для чего он нужен?

Пиранометр — это датчик, преобразующий получаемое им глобальное солнечное излучение в электрический сигнал, который можно измерить. Пиранометры измеряют часть солнечного спектра. Например, пиранометр CMP21 измеряет длины волн от 0,285 до 2,8 мкм. Пиранометр не реагирует на длинноволновое излучение. Вместо этого для измерения длинноволнового излучения (от 4 до 100 мкм) используется пиргеометр.

Пиранометры также должны учитывать угол падения солнечного излучения, который называется косинусным откликом. Например, 1000 Вт/м², падающие перпендикулярно датчику (то есть под углом 0° от зенита), измеряются как 1000 Вт/м². Однако 1000 Вт/м², падающие под углом 60° от зенита, измеряются как 500 Вт/м². Пиранометры с рассеивателями вместо стеклянных колпаков требуют прецизионных рассеивателей для обеспечения правильного косинусного отклика.

В чем разница между пиранометром, балансомером и пиргелиометром?

Существует несколько различных типов датчиков солнечной радиации , включая пиранометры, балансомеры и пиргелиометры.

Балансомер измеряет входящую и исходящую коротковолновую радиацию с помощью двух термобатарейных пиранометров, а входящую и исходящую длинноволновую радиацию – с помощью двух пиргеометров. Эти четыре измерения часто являются частью энергетического баланса. Оценка энергетического баланса помогает нам понять, накапливается ли солнечная энергия в земле или теряется ею, отражается, излучается обратно в космос или используется для испарения воды.

Пиргелиометр состоит из чувствительного к излучению элемента, заключённого в корпус (коллимационную трубку) с небольшим отверстием, через которое проникают только прямые солнечные лучи. Излучение, отражённое от облака или частицы в воздухе, не проникает через это небольшое отверстие и коллимационную трубку к детектору. Для проведения измерений в течение всего дня пиргелиометр необходимо направлять непосредственно на Солнце с помощью солнечного трекера.

Как пиранометр измеряет глобальную солнечную радиацию?

Наиболее распространёнными типами пиранометров, используемых для измерения глобальной солнечной радиации, являются термобатареи и кремниевые фотоэлементы. Ниже рассматриваются эти типы пиранометров, а также их преимущества и недостатки.

Совет: Вам необходимо подключить пиранометр к цифровому мультиметру или регистратору данных, запрограммированному на измерение постоянного напряжения в мВ.

РК200-05 Солнечная радиационная станция

Если вы используете цифровой мультиметр, вам придется самостоятельно перевести показания мВ в Вт/м2;

Если вы используете регистратор данных, вам необходимо настроить его для выполнения преобразования.

На рынке также представлены пиранометры, которые возвращают данные коротковолновой радиации (Вт/м²) в цифровом формате. Для считывания последовательной строки данных потребуется компьютер или регистратор данных (вместе с соответствующим интерфейсным кабелем и коммуникационным программным обеспечением).

Термобатарейные пиранометры

Пиранометр РК200-03, работающий на термопарном принципе

Термоэлектрические пиранометры используют ряд термоэлектрических спаев (множество спаев двух разнородных металлов — принцип термопары) для получения сигнала величиной в несколько мкВ/Вт/м², пропорционального разнице температур между чёрной поглощающей поверхностью и эталоном. Эталоном может служить как белая отражающая поверхность, так и внутренняя часть основания датчика. Чёрная поверхность термоэлектрического пиранометра равномерно поглощает солнечное излучение во всём спектре.

Солнечный спектр — это диапазон длин волн света, излучаемого Солнцем. Синие, белые, жёлтые и красные звёзды имеют разные температуры и, следовательно, разные солнечные спектры.

Наше жёлтое солнце испускает излучение в диапазоне длин волн от 0,15 до 4,0 мкм. Термобатарейный пиранометр точно регистрирует глобальное солнечное излучение, поскольку его специальная чёрная поглощающая поверхность равномерно реагирует на большую часть энергии солнечного спектра. Чувствительный элемент обычно заключён в один или два специальных стеклянных купола, которые равномерно пропускают излучение к чувствительному элементу.

Преимущества термобатарейных пиранометров заключаются в их широком применении и точности. Чёрная поверхность термобатарейного пиранометра равномерно поглощает солнечное излучение во всём коротковолновом спектре солнечного излучения от 0,285 до 2,800 мкм (например, пиранометр CMP6). Равномерная спектральная чувствительность позволяет термобатарейным пиранометрам измерять: отражённое солнечное излучение, излучение внутри полога леса или теплиц, а также альбедо (отражённое: падающее) при использовании двух пиранометров в паре, направленных вверх/вниз.

Хотя термобатарейные пиранометры могут быть наиболее точным типом датчиков солнечного коротковолнового излучения, они, как правило, значительно дороже пиранометров с кремниевыми фотоэлементами.

Кремниевые фотоэлементные пиранометры

RK200-04 Датчик солнечного излучения, разработанный на основе принципа кремниевой ячейки

Кремниевые пиранометры с фотоэлементами вырабатывают выходной ток величиной порядка мкА, подобно тому, как солнечная панель преобразует энергию солнца в электричество. При прохождении тока через шунтирующий резистор (например, 100 Ом) он преобразуется в сигнал напряжения с чувствительностью несколько мкВ/Вт/м². Пластиковый рассеиватель обеспечивает равномерную косинусную характеристику при различных углах падения солнечных лучей.

Спектральная чувствительность кремниевых пиранометров с фотоэлементами ограничена лишь участком солнечного спектра от 0,4 до 1,1 мкм. Хотя эти пиранометры регистрируют лишь часть коротковолнового излучения, они калибруются для обеспечения выходного сигнала, аналогичного термоэлектрическим датчикам, при ясном солнечном небе. Кремниевые пиранометры с фотоэлементами часто используются при любых условиях неба, но погрешность измерений возрастает при наличии облаков. Равномерность спектра дневного света при большинстве условий неба ограничивает погрешность менее ±3%, а максимальная погрешность составляет ±10%. В облачную погоду погрешность обычно положительна.

Кремниевые пиранометры с фотоэлементами, как правило, в несколько раз дешевле термобатарейных пиранометров. Для исследователей окружающей среды точность кремниевых пиранометров с фотоэлементами часто оказывается достаточной.

Недостатком кремниевых пиранометров с фотоэлементами является то, что их спектральная чувствительность ограничена узкой областью солнечного спектра – от 0,4 до 1,1 мкм. Эти пиранометры наиболее эффективны при измерении суммарной солнечной радиации в тех же условиях ясного неба, что и при их калибровке. Их не следует использовать в растительном покрове, теплицах или для измерения отражённой радиации.

Заключение

Надеюсь, эта вводная статья помогла вам познакомиться с пиранометрами и их принципами работы. Также надеюсь, что вы теперь лучше понимаете, какой тип пиранометра лучше всего подходит для ваших задач.