피라노미터

Pyranometer

피라노미터는 평면상의 태양 복사 강도를 측정하기 위해 사용되는 액티노미터의 일종으로 0.3μm~3μm의 파장 범위에서 위 반구로부터의 태양 복사 플럭스 밀도(W/m2)를 측정하도록 설계되어 있다.The name pyranometer stems from the Greek words πῦρ (pyr), meaning "fire", and ἄνω (ano), meaning "above, sky".

일반적인 피라노미터는 작동에 전원이 필요하지 않습니다.그러나 최근의 기술 개발에는 (낮은) 외부 전력을 필요로 하는 파이라노미터의 전자 장치 사용이 포함됩니다.

설명.

Spectrum and spectral response

지구 표면에 도달하는 태양 복사 스펙트럼은 파장을 약 300nm에서 2800nm까지 확장한다.사용된 피라노미터의 유형에 따라 스펙트럼 감도의 정도가 다른 방사선 강도 측정을 얻을 수 있다.

방사선 강도를 측정하기 위해서는 "빔" 방사선에 대한 반응이 입사각의 코사인(cosine)에 따라 달라야 한다.따라서 태양 복사가 센서에 수직으로 닿을 때(표면에 정상, 천정에서 태양, 0° 입사) 완전한 반응을 보장하고, 태양이 수평선에 있을 때(입사각 90°, 천정각 90°), 60° 입사각에서 0.5의 반응을 보장한다.따라서 피라노미터는 이상적인 코사인 특성에 가능한 한 가까운 이른바 "방향 응답" 또는 "코사인 응답"을 가져야 합니다.

종류들

ISO 9060의 [1]정의에 따라 세 가지 유형의 피라노미터가 인식되고 두 가지 다른 기술, 즉 서모파일 기술과 실리콘 반도체 기술로 분류될 수 있습니다.

'스펙트럼 응답'으로 알려진 광 감도는 피라노미터의 유형에 따라 달라집니다.위의 그림은 태양 복사 스펙트럼에 대한 세 가지 유형의 피라노미터의 스펙트럼 반응을 보여준다.태양 복사 스펙트럼은 오전(공기량) = 1.5인 정오에 해수면에서 지구 표면에 도달하는 햇빛의 스펙트럼을 나타낸다.
위도와 고도는 이 스펙트럼에 영향을 미친다.스펙트럼은 또한 에어로졸과 오염의 영향을 받는다.

열화일 피라노미터

서모파일 피라노미터(thermopile pyranometer라고도 함)는 180° 시야에서 태양 복사 플럭스 밀도의 넓은 대역을 측정하도록 설계된 서모파일에 기반한 센서입니다.따라서 열화일 피라노미터는 일반적으로 스펙트럼 감도가 거의 평평한 상태에서 300 ~ 2800 nm로 측정된다(스펙트럼 응답 그래프 참조).1세대 열화일 파라노미터는 센서의 활성 부분을 흑백 섹터로 균등하게 나누었다.조사량은 햇빛에 노출된 검은색 섹터와 햇빛에 노출되지 않은 흰색 섹터의 온도 차이를 통해 계산됐다.

모든 서모파일 기술에서, 조사는 태양 노출 영역의 온도와 그림자 영역의 온도 차이에 비례합니다.

설계.

필수 부품을 나타내는 피라노미터의 라이닝 그리기: (1) 케이블, (3) 피라노미터 및 (5) 유리 돔, (4) 검은색 검출기 표면, (6) 선스크린, (7) 건조제 표시기, (9) 수평 피트, (10) 버블 레벨, (11) 커넥터

적절한 방향성 및 스펙트럼 특성을 얻기 위해 다음과 같은 주요 구성요소로 열화일 피라노미터를 구성한다.

  • 검은색 코팅이 된 서모파일 센서입니다.모든 태양 복사를 흡수하고 30050,000나노미터 범위의 평평한 스펙트럼을 가지며 거의 완벽한 코사인 반응을 보인다.
  • 유리 돔.스펙트럼 응답은 300나노미터에서 2,800나노미터(2,800nm 이상의 부분은 차단)로 제한하고 180°의 시야를 유지합니다.또한 서모파일 센서를 대류로부터 보호합니다.전부는 아니지만 많은 1등급 및 2차 표준 피라노미터(ISO 9060 분류의 열화성 피라노미터 참조)는 추가적인 "방사선 차폐"로서 두 번째 유리 돔을 포함하므로 동일한 제조사의 일부 단일 돔 모델에 비해 센서와 내부 돔 사이의 열 평형이 개선된다.이 경우 두 번째 돔이 있으면 계측기 오프셋이 크게 줄어듭니다.낮은 제로 오프셋(+/- 1 W/m2)을 가진 클래스 A 싱글 돔 모델을 사용할 수 있습니다.

최신 열화일 피라노미터에서 열화일의 활성(뜨거운) 접합부는 검은색 코팅 표면 아래에 위치하며 [2]검은색 코팅에서 흡수된 방사선에 의해 가열됩니다.서모파일의 수동(냉간) 접합부는 태양 복사로부터 완전히 보호되며 열 싱크 역할을 하는 피라노미터 하우징과 열 접촉한다.이는 그늘에서 온도를 측정할 때 변화가 노랗게 변하거나 부패하는 것을 방지하여 태양 복사 강도 측정을 손상시킨다.

서모파일은 검은색 코팅 표면과 기기 하우징 사이의 온도 차이에 비례하여 작은 전압을 생성합니다.이 전압은 W/m2당 10μV(마이크로볼트)이므로 맑은 날에는 출력이 약 10mV(밀리볼트)가 됩니다.신호 보정을 위한 전자 장치가 별도로 장착되지 않는 한 각 피라노미터에는 고유한 감도가 있습니다.

사용.

기상 관측소의 일부인 열화일 피라노미터
Photovoltaic pyranometer on a plane of arrays
어레이 평면상의 태양광 파이라노미터

온도계(thermopile pyranometer)는 기상학, 기후학, 기후변화 연구, 건축공학 물리학, 태양광 발전 시스템, 태양광 발전소의 모니터링 등에 자주 사용된다.

그것들은 일반적으로 기상대에 수평으로 설치된다.

태양광 업계는 2017년 표준 IEC 61724-1:[3]2017에서 태양광 발전소의 규모와 범주에 따라 어떤 유형의 피라노미터를 사용해야 하는지를 정의했다.이 규격은 성능비 계산의 정확도를 높이기 위해 열화일 파이라노미터(GHI, Global Horizontal Researiation)를 수평으로 설치하고(POA, Plane Of Array), 태양광 발전 파이라노미터를 PV 모듈 평면(Plane Of Array)에 설치할 것을 권고한다.

태양광 파이라노미터 – 실리콘 포토다이오드

ISO 9060에서는 [4]광전 파이라노미터로도 알려진 포토다이오드 기반 파이라노미터는 400nm에서 1100nm 사이의 태양 스펙트럼 부분을 검출할 수 있습니다.광다이오드는 광전 효과 덕분에 앞서 언급한 태양 스펙트럼 주파수를 고속으로 전류로 변환합니다.변환은 온도 상승(약 0.1% • °C)으로 인해 발생하는 전류 상승에 따른 온도의 영향을 받습니다.

설계.

포토다이오드 피라노미터, 모델 퀀텀

포토다이오드계 피라노미터는 하우징돔, 포토다이오드 및 디퓨저 또는 광학필터로 구성된다.포토다이오드는 표면적이 작으며 센서 역할을 합니다.포토다이오드에 의해 생성되는 전류는 방사 강도에 비례합니다. 트랜스임피던스 앰프와 같은 출력 회로는 광전류에 정비례하는 전압을 생성합니다.출력은 보통 열화일형 피라노미터와 같은 크기인 밀리볼트 수준이다.

사용.

가시 태양 스펙트럼 또는 UV, IR 또는 PAR(광합성 활성 방사선)와 같은 특정 부분의 조사량을 계산해야 하는 경우 광다이오드 기반 파라노미터가 구현된다.이는 특정 스펙트럼 반응을 가진 다이오드를 사용하여 수행된다.포토다이오드 기반 피라노미터는 사진, 영화 및 조명 기술에 사용되는 럭셔미터의 핵심입니다.때로는 태양광 발전 시스템 모듈 가까이에 설치되기도 한다.

광전 파이라노미터 – 광전지

태양광 발전 시스템의 보급과 동시에 2000년대에 만들어진 광전 파이라노미터는 포토다이오드 파이라노미터의 진화이다.셀과 태양광 [5]모듈의 전력을 측정할 때 단일 기준 광전지의 필요성에 대한 답변이다.구체적으로는 각 셀과 모듈은 각 제조사의 플래시 테스트를 통해 테스트되며, 열화일 피라노미터는 적절한 응답 속도나 셀의 동일한 스펙트럼 응답을 가지고 있지 않다.이로 인해 전력 측정 시 명백한 불일치가 발생할 수 있으며,[6][7] 이를 정량화할 필요가 있다.기술 문서에서 이 피라노미터는 "기준 셀"이라고도 합니다.

광전식 파이라노미터, SM1

센서의 활성 부분은 거의 단락 상태에서 작동하는 광전지 셀로 구성됩니다.따라서 발생하는 전류는 350nm~1150nm 범위의 태양복사에 정비례한다.상기 범위의 발광 방사선에 의해 투입되면 광전 효과의 결과로 전류를 발생시킨다.감도는 평탄하지 않지만 실리콘 광전지와 같다.Spectral Response 그래프를 참조하십시오.

설계.

광전 피라노미터는 기본적으로 다음과 같은 부품으로 조립됩니다.

  • 고정 스탭이 달린 금속 용기
  • 소형 광전지
  • 신호 조절 전자 장치

포토다이오드나 광전지등의 실리콘 센서는, 온도의 기능에 따라 출력을 변화시킵니다.보다 최근의 모델에서는, 전자 장치가 온도로 신호를 보상하고, 따라서 태양 복사 강도 값에서 온도의 영향을 제거합니다.여러 모델에서 케이스에는 신호의 증폭 및 조절을 위한 보드가 들어 있습니다.

사용.

태양 방사 조도 센서, 모델:세븐 센서

광전 파이라노미터는 태양광 모듈 유효 전력 및 시스템 성능을 계산하기 위해 태양광 시뮬레이터 및 광전 시스템과 함께 사용된다.광전 파이라노미터의 스펙트럼 응답은 광전 모듈의 스펙트럼 응답과 유사하기 때문에 광전 시스템 오작동의 예비 진단에도 사용할 수 있다.

기준 PV 셀 또는 태양광 조사 센서에는 Datalogger에 직접 연결된 Modbus RTU 출력 하나만 사용하여 모듈 온도 센서, 외부 온도 센서 및 풍속 센서의 연결을 보장하는 외부 입력이 있을 수 있습니다.이러한 데이터는 태양광 발전소의 모니터링에 적합하다.

표준화 및 교정

열가공식, 광전식 모두 규격에 따라 제조된다.

열화일 피라노미터

MS-80 클래스 A 고속 응답 및 스펙트럼 플랫 파이라노미터

서모파일 파이라노미터는 세계기상기구(WMO)도 채택하고 있는 ISO 9060 표준을 준수합니다.이 규격은 세 개의 클래스를 구분합니다.

2018년 ISO 9060의 최신 버전은 다음과 같은 분류를 사용합니다.클래스 A가 최고 성능을 나타냈으며, 클래스 B와 클래스 C가 그 뒤를 이었습니다. 반면 1990년 이전 ISO 9060 표준은 "2차 표준", "1차", "2차 클래스"[8]라는 애매한 용어를 사용했습니다.

등급의 차이는 센서의 특정 특성(응답 시간, 열 오프셋, 온도 의존성, 방향 오류, 불안정성, 비선형성, 스펙트럼 선택성 및 틸트 응답)에 기인합니다.이것들은 모두 ISO 9060에 정의되어 있습니다.센서가 특정 범주로 분류되려면 이러한 속성에 대한 최소 요구 사항을 모두 충족해야 합니다.

'Fast response'와 'spectrally flat'은 ISO 9060:2018에 포함된 두 가지 하위 분류입니다.센서를 더욱 구별하고 분류하는 데 도움이 됩니다.'빠른 응답' 분류를 얻으려면 판독치의 95%에 대한 응답 시간이 0.5초 미만이어야 하며, '분광 평탄'은 0.35 ~ 1.5 μm 스펙트럼 범위에서 스펙트럼 선택성이 3% 미만인 센서에 적용될 수 있다.대부분의 클래스 A 파이라노미터는 '스펙트럼 플랫'이지만, '고속 응답' 하위 분류의 센서는 훨씬 더 드물다.대부분의 클래스 A 파이라노미터의 응답 시간은 5초 이상입니다.

보정은 일반적으로 WRR(World Radiometric[9] Reference)을 절대 기준으로 하여 수행됩니다.그것은 스위스 [11]다보스의 PMOD에 의해[10] 관리된다.세계방사선측정기준(World Radiometric Reference) 외에도 ISO-Cal North[12] America와 같은 민간 실험실이 이러한 고유 교정에 대한 인증을 취득했다.클래스 A pyranometer의 경우 ASTM G167,[13] ISO 9847[14] 또는 ISO 9846에 [15][16]따라 보정이 수행됩니다.클래스 B 및 클래스 C 피라노미터는 일반적으로 ASTM E824[17] 및 ISO 9847에 따라 [18]보정됩니다.

태양광 파이라노미터

광전 파이라노미터는 1차 기준 샘플의 경우 IEC 60904-4에 따라 표준화 및 보정되며, 2차 기준 샘플 및 판매 대상 계측기의 경우 IEC 60904-2에 따라 보정된다.

두 표준 모두에서 각각의 추적성 체인은 세계방사선측정기준(WRR)[19]에 의해 공동방사선계 그룹으로 알려진 1차 표준에서 시작한다.

신호 조절

이러한 피라노미터의 자연 출력 값은 일반적으로 수십 밀리볼트(mV)를 초과하지 않습니다.이는 "약한" 신호로 간주되며, 따라서 전자파 간섭에 다소 취약하며, 특히 케이블이 십변수 거리를 가로지르거나 광기전 시스템에 놓여 있는 경우에는 더욱 취약하다.따라서 이러한 센서에는 신호 조절 전자 장치가 자주 장착되어 4-20mA 또는 0-1V의 출력을 제공합니다.

또 다른 솔루션은 RS-485보다 Modbus와 같은 소음에 대한 내성이 크다는 것을 의미합니다. RS-485는 중규모 태양광 발전소의 전형적인 전자파 간섭이나 센서가 저전력 기상 관측소의 일부인 SDI-12 출력에 적합합니다.장착된 전자 장치는 종종 시스템의 SCADA에 쉽게 통합됩니다.

보정 이력, 일련 번호 등 센서의 전자 장치에 추가 정보를 저장할 수도 있습니다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ ISO9060 : 2018년 Pyranometer 분류
  2. ^ "The Working Principle of a Thermopile Pyranometer - Kipp & Zonen".
  3. ^ IEC 61724-1:2017
  4. ^ ISO9060 – 패러그래프 4.2 (2016)
  5. ^ IEC 60904-4:교정 트레이서빌리티 확립 절차
  6. ^ EN 60904-2: 기준 태양 소자 요구 사항
  7. ^ EN 60904-7: 스펙트럼 불일치 보정 계산
  8. ^ "ISO 9060:1990 Classification of Pyranometers".
  9. ^ 세계 방사선 측정 기준
  10. ^ PMOD
  11. ^ "World Radiometric Reference". Archived from the original on 2013-04-30. Retrieved 2013-05-29.
  12. ^ ISO-Cal 북미
  13. ^ ASTM G167
  14. ^ ISO 9847
  15. ^ ISO 9846
  16. ^ ISO 9846:1993 - Pyreliometer를 사용한 Pyranometer의 보정
  17. ^ ASTM E824
  18. ^ ISO 9847
  19. ^ IEC 60904-4:교정 추적성 확립 절차 - 표 1 및 그림 1

외부 링크

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