مقياس الإشعاع الشمسي
البيرانومتر ( من اليونانية πῦρ (pyr) ' نار ' و ἄνω (ano) ' فوق، سماء ' ) هو نوع من أنواع الأكتينومتر المستخدم لقياس الإشعاع الشمسي على سطح مستو ، وهو مصمم لقياس كثافة تدفق الإشعاع الشمسي (واط/م 2 ) من نصف الكرة الأرضية أعلاه ضمن نطاق طول موجي من 0.3 ميكرومتر إلى 3 ميكرومتر.
لا يحتاج مقياس الإشعاع الشمسي ذو المخرج الطبيعي إلى أي طاقة للتشغيل، إذ تولد محولاته إشارة كهربائية تتناسب مع الإشعاع الشمسي. مع ذلك، تشمل التطورات التقنية الحديثة استخدام الإلكترونيات في مقاييس الإشعاع الشمسي، والتي تتطلب طاقة خارجية (منخفضة).
توضيح
يمتد طيف الإشعاع الشمسي الذي يصل إلى سطح الأرض على طول موجي يتراوح تقريبًا بين 300 نانومتر و2800 نانومتر. وبحسب نوع مقياس الإشعاع الشمسي المستخدم، تُحصل قياسات الإشعاع بدرجات متفاوتة من الحساسية الطيفية.
لقياس الإشعاع الشمسي ، يشترط، بحسب التعريف، أن تتغير استجابة المستشعر للإشعاع المباشر بتغير جيب تمام زاوية السقوط. وهذا يضمن استجابة كاملة عندما يسقط الإشعاع الشمسي على المستشعر عموديًا (عموديًا على السطح، والشمس في سمت الرأس، وزاوية سقوط 0°)، واستجابة معدومة عندما تكون الشمس عند الأفق (زاوية سقوط 90°، وزاوية سمت 90°)، و0.5 عند زاوية سقوط 60°. وبناءً على ذلك، ينبغي أن يتمتع مقياس الإشعاع الشمسي بما يُسمى "الاستجابة الاتجاهية" أو "استجابة جيب التمام" التي تكون أقرب ما يمكن إلى خاصية جيب التمام المثالية.
الأنواع
وفقًا للتعريفات المذكورة في ISO 9060، [ 1 ] يمكن التعرف على ثلاثة أنواع من البيرانومتر وتجميعها في تقنيتين مختلفتين: تقنية الثيرموبيل وتقنية أشباه الموصلات السيليكونية.
تعتمد حساسية الضوء، المعروفة باسم " الاستجابة الطيفية" ، على نوع مقياس الإشعاع الشمسي. يوضح الشكل أعلاه الاستجابات الطيفية لأنواع مقياس الإشعاع الشمسي الثلاثة بالنسبة لطيف الإشعاع الشمسي. يمثل طيف الإشعاع الشمسي طيف ضوء الشمس الذي يصل إلى سطح الأرض عند مستوى سطح البحر، في منتصف النهار، مع كتلة هوائية (AM ) تساوي 1.5. يؤثر كل من خط العرض والارتفاع على هذا الطيف، كما يتأثر أيضًا بالجسيمات العالقة في الهواء والتلوث.
مقياس الإشعاع الحراري
مقياس الإشعاع الحراري (يُسمى أيضًا مقياس الإشعاع الكهروحراري ) هو جهاز استشعار يعتمد على الأغشية الحرارية، مصمم لقياس نطاق واسع من كثافة تدفق الإشعاع الشمسي من زاوية رؤية 180 درجة. يقيس مقياس الإشعاع الحراري عادةً نطاقًا من 300 إلى 2800 نانومتر بحساسية طيفية ثابتة إلى حد كبير (انظر الرسم البياني للاستجابة الطيفية). في الجيل الأول من مقاييس الإشعاع الحراري، كان الجزء النشط من المستشعر مقسمًا بالتساوي إلى قطاعات سوداء وبيضاء. حُسب الإشعاع من الفرق بين درجة حرارة القطاعات السوداء، المعرضة للشمس، ودرجة حرارة القطاعات البيضاء، غير المعرضة للشمس أو في الظل.
في جميع تقنيات الثيرموبيل، يكون الإشعاع متناسبًا مع الفرق بين درجة حرارة المنطقة المعرضة للشمس ودرجة حرارة منطقة الظل.
تصميم
لتحقيق الخصائص الاتجاهية والطيفية المناسبة، يتم بناء مقياس الإشعاع الحراري باستخدام المكونات الرئيسية التالية:
- مستشعر حراري ذو طلاء أسود. يمتص كل الإشعاع الشمسي، وله طيف مسطح يغطي نطاق 300 إلى 50000 نانومتر، وله استجابة جيب تمام مثالية تقريبًا.
- قبة زجاجية. تحدّ هذه القبة من الاستجابة الطيفية من 300 إلى 2800 نانومتر (قاطعةً الجزء الذي يزيد عن 2800 نانومتر)، مع الحفاظ على مجال رؤية 180 درجة. كما أنها تحمي مستشعر الثيرموبيل من الحمل الحراري. تتضمن العديد من أجهزة قياس الإشعاع الشمسي من الفئة الأولى والثانوية (انظر تصنيف ISO 9060 لأجهزة قياس الإشعاع الشمسي بالثيرموبيل)، وليس جميعها، قبة زجاجية ثانية كدرع إضافي للإشعاع، مما يؤدي إلى توازن حراري أفضل بين المستشعر والقبة الداخلية، مقارنةً ببعض نماذج القبة الواحدة من نفس الشركة المصنعة. في هذه الحالات، يؤدي وجود قبة ثانية إلى تقليل كبير في انحرافات الجهاز. تتوفر نماذج من الفئة A ذات قبة واحدة، بانحراف صفري منخفض (+/- 1 واط/م²) .
في مقاييس الإشعاع الشمسي الحديثة المصنوعة من الثيرموبيل، تقع الوصلات النشطة (الساخنة) أسفل سطح الطلاء الأسود، وتُسخّن بواسطة الإشعاع الممتص من هذا الطلاء. [ 2 ] أما الوصلات غير النشطة (الباردة) فهي محمية تمامًا من الإشعاع الشمسي، ومتصلة حراريًا بغلاف مقياس الإشعاع الشمسي الذي يعمل كمشتت حراري. يمنع هذا أي تغير ناتج عن الاصفرار أو التلف عند قياس درجة الحرارة في الظل، مما يحافظ على دقة قياس الإشعاع الشمسي.
يُولّد المزدوج الحراري جهدًا صغيرًا يتناسب مع فرق درجة الحرارة بين سطح الطلاء الأسود وغلاف الجهاز. ويبلغ هذا الجهد حوالي 10 ميكروفولت لكل واط/م²، لذا في يوم مشمس، سيكون الناتج حوالي 10 ملي فولت. لكل مقياس إشعاع شمسي حساسية فريدة، ما لم يكن مزودًا بإلكترونيات لمعايرة الإشارة .
الاستخدام
تُستخدم مقاييس الإشعاع الحراري بشكل متكرر في علم الأرصاد الجوية ، وعلم المناخ ، وأبحاث تغير المناخ ، وفيزياء هندسة المباني ، وأنظمة الخلايا الكهروضوئية ، ومراقبة محطات الطاقة الكهروضوئية .
حددت صناعة الطاقة الشمسية، في معيارها الصادر عام 2017، IEC 61724-1:2017، [ 3 ] ، نوع وعدد أجهزة قياس الإشعاع الشمسي (البيرانومتر) التي ينبغي استخدامها بناءً على حجم وفئة محطة الطاقة الشمسية. وينصح هذا المعيار بتركيب أجهزة قياس الإشعاع الحراري (البيرانومتر الحراري) أفقيًا (GHI، الإشعاع الشمسي الأفقي العالمي)، وتركيب أجهزة قياس الإشعاع الكهروضوئي في مستوى وحدات الخلايا الكهروضوئية (POA، مستوى المصفوفة) لتعزيز دقة حساب نسبة الأداء.
في مراقبة محطات الطاقة الكهروضوئية العاملة، تلعب أجهزة قياس الإشعاع الشمسي دورًا أساسيًا في التحقق من الإشعاع الشمسي المتاح في أي وقت أو خلال فترة زمنية محددة. ونظرًا لتقلبات الطقس، وضرورة وجود أنظمة احتياطية، والحجم المكاني لمحطات الطاقة الشمسية الحديثة (التي تزيد قدرتها عن 100 ميجاواط ذروة)، يتم تركيب عدة أجهزة قياس إشعاع شمسي لتوفير بيانات دقيقة عن الإشعاع الشمسي لكل قسم من أقسام المحطة. فعلى سبيل المثال، ينص المعيار الدولي IEC 61724-1:2017 [ 4 ] على ضرورة تركيب ما لا يقل عن 4 أجهزة قياس إشعاع شمسي من الفئة A (النوع A) في محطات الطاقة الكهروضوئية بقدرة 100 ميجاواط ذروة في جميع الأوقات. ومع ذلك، في عام 2021، تم تعديل المعيار IEC 61724-1 ليصبح IEC 61724-1:2021 ونُشر.
يمكن معالجة قياسات الطاقة الشمسية بكفاءة عالية بواسطة برامج لا تقتصر على حساب نسبة الأداء (PR) فحسب، بل تحسب أيضًا مؤشرات الأداء الرئيسية (KPI) مثل نسبة الأداء، وهي مقاييس تُستخدم في مراقبة حالة الأصول أو في سيناريوهات تعاقدية مختلفة تتعلق بالطاقة المنتجة (الفواتير) أو إدارة الأصول (مثل التشغيل والصيانة). في هذه الحسابات، يُستخدم مجموع الإشعاع الشمسي المُقاس على مستوى وحدة الخلايا الكهروضوئية خلال فترة زمنية محددة كمعيار لمقارنة إنتاج الكهرباء الكهروضوئية المُقاس. ويُستخدم مؤشر أداء الطاقة بشكل متزايد بدلاً من مقياس نسبة الأداء القديم.
تُجهّز بعض أجهزة قياس الإشعاع الشمسي الثانوية بأنظمة تسخين مدمجة للقبة، مصممة لتقليل أخطاء القياس الناتجة عن تراكم الندى أو الصقيع أو الثلج على المستشعر. تساعد آليات التسخين هذه في الحفاظ على وضوح سطح القبة في البيئات الباردة أو الرطبة، مما يضمن قراءات دقيقة ومستمرة للإشعاع الشمسي. على سبيل المثال، يشتمل طراز MS-80SH من شركة EKO Instruments على نظام تسخين مماثل، متوافق مع معيار ISO 9060:2018 من الفئة A، ويُستخدم في المناطق الجبلية أو ذات خطوط العرض العالية حيث يشيع التداخل الناتج عن الصقيع.
مقياس الإشعاع الشمسي الكهروضوئي – ثنائي ضوئي سيليكوني
يُعرف أيضًا باسم مقياس الإشعاع الشمسي الكهروضوئي في معيار ISO 9060، [ 5 ] وهو مقياس إشعاع شمسي يعتمد على الصمام الثنائي الضوئي، ويستطيع رصد جزء من الطيف الشمسي يقع بين 400 نانومتر و1100 نانومتر. يقوم الصمام الثنائي الضوئي بتحويل ترددات الطيف الشمسي المذكورة إلى تيار كهربائي بسرعة عالية، بفضل التأثير الكهروضوئي . ويتأثر هذا التحويل بدرجة الحرارة، حيث ينتج عن ارتفاع درجة الحرارة زيادة في التيار (حوالي 0.1% لكل درجة مئوية).
تصميم
يتكون مقياس الإشعاع الشمسي القائم على الصمام الثنائي الضوئي من قبة غلاف، وصمام ثنائي ضوئي ، ومشتت ضوئي أو مرشحات بصرية. يتميز الصمام الثنائي الضوئي بصغر مساحة سطحه ويعمل كمستشعر. يتناسب التيار الناتج عن الصمام الثنائي الضوئي طرديًا مع شدة الإشعاع؛ وتولد دائرة خرج، مثل مضخم مقاومة التحويل ، جهدًا يتناسب طرديًا مع التيار الضوئي. عادةً ما يكون الخرج في حدود الميلي فولت، وهو نفس رتبة مقدار مقاييس الإشعاع الشمسي من نوع المزدوجة الحرارية.
الاستخدام
تُستخدم مقاييس الإشعاع الشمسي القائمة على الثنائيات الضوئية لحساب كمية الإشعاع الشمسي المرئي، أو أجزاء معينة منه كالأشعة فوق البنفسجية، والأشعة تحت الحمراء، والإشعاع النشط ضوئيًا . ويتم ذلك باستخدام ثنائيات ضوئية ذات استجابات طيفية محددة. تُعدّ مقاييس الإشعاع الشمسي القائمة على الثنائيات الضوئية أساس أجهزة قياس الإضاءة المستخدمة في التصوير الفوتوغرافي والسينمائي وتقنيات الإضاءة. كما تُركّب أحيانًا بالقرب من وحدات أنظمة الطاقة الشمسية الكهروضوئية.
مقياس الإشعاع الشمسي الكهروضوئي – خلية كهروضوئية
صُمم مقياس الإشعاع الشمسي الكهروضوئي في مطلع الألفية الثانية بالتزامن مع انتشار أنظمة الخلايا الكهروضوئية، وهو تطوير لمقياس الإشعاع الشمسي الضوئي الثنائي. وقد لبّى هذا المقياس الحاجة إلى خلية كهروضوئية مرجعية واحدة عند قياس قدرة الخلايا والوحدات الكهروضوئية. [ 6 ] فعلى وجه التحديد، تخضع كل خلية ووحدة لاختبارات وميضية من قبل الشركات المصنعة لها، ولا تتمتع مقاييس الإشعاع الحراري بسرعة الاستجابة الكافية ولا بنفس الاستجابة الطيفية للخلية. وهذا من شأنه أن يُحدث تباينًا واضحًا عند قياس القدرة، الأمر الذي يستدعي تحديده كميًا. [ 7 ] [ 8 ] ويُعرف هذا المقياس في الوثائق التقنية أيضًا باسم "الخلية المرجعية".
يتكون الجزء الفعال من المستشعر من خلية ضوئية تعمل في حالة شبه دائرة قصر. ولذلك، يتناسب التيار المتولد تناسبًا طرديًا مع الإشعاع الشمسي الساقط على الخلية في نطاق يتراوح بين 350 نانومتر و1150 نانومتر. عند تعرضها لإشعاع ضوئي ضمن هذا النطاق، تُنتج تيارًا نتيجةً للتأثير الكهروضوئي . حساسيته ليست ثابتة، ولكنها مماثلة لحساسية الخلية الضوئية المصنوعة من السيليكون. انظر إلى الرسم البياني للاستجابة الطيفية.
تصميم
يتكون مقياس الإشعاع الشمسي الكهروضوئي بشكل أساسي من الأجزاء التالية:
- حاوية معدنية مزودة بعصا تثبيت
- خلية ضوئية صغيرة
- إلكترونيات تكييف الإشارة
تُغيّر مستشعرات السيليكون، مثل الثنائي الضوئي والخلايا الكهروضوئية، خرجها تبعًا لدرجة الحرارة. في الطرازات الأحدث، تُعوض الدوائر الإلكترونية الإشارة بدرجة الحرارة، ما يُزيل تأثيرها من قيم الإشعاع الشمسي. تحتوي بعض الطرازات على لوحة لتضخيم الإشارة ومعالجتها .
الاستخدام
تُستخدم مقاييس الإشعاع الشمسي الكهروضوئية في أجهزة محاكاة الطاقة الشمسية، بالإضافة إلى استخدامها مع أنظمة الخلايا الكهروضوئية، لحساب القدرة الفعالة للوحدة الكهروضوئية وأداء النظام. ونظرًا لتشابه الاستجابة الطيفية لمقياس الإشعاع الشمسي الكهروضوئي مع استجابة الوحدة الكهروضوئية، فإنه يُمكن استخدامه أيضًا للتشخيص الأولي للأعطال في أنظمة الخلايا الكهروضوئية.
قد يحتوي مستشعر خلية الطاقة الشمسية المرجعية أو مستشعر الإشعاع الشمسي على ما يصل إلى 5 مداخل، مما يضمن توصيل مستشعر درجة حرارة الوحدة، ومستشعر درجة الحرارة المحيطة، ومستشعر سرعة الرياح، ومستشعر اتجاه الرياح، ومستشعر الرطوبة النسبية، مع وجود مخرج Modbus RTU واحد فقط متصل مباشرة بمسجل البيانات. تُعد هذه الميزة أحد الفروق الرئيسية بين مقياس الإشعاع الحراري ومستشعر الإشعاع.
التقييس والمعايرة
يتم تصنيع كل من البيرانومترات الحرارية والبيرانومترات الكهروضوئية وفقًا للمعايير.
مقياس الإشعاع الحراري
تتبع مقاييس الإشعاع الحراري معيار ISO 9060، الذي اعتمدته أيضاً المنظمة العالمية للأرصاد الجوية (WMO). ويميز هذا المعيار ثلاث فئات.
يستخدم الإصدار الأحدث من معيار ISO 9060 ، الصادر عام 2018، التصنيف التالي: الفئة أ لأفضل أداء، تليها الفئة ب والفئة ج، بينما استخدم معيار ISO 9060 الأقدم الصادر عام 1990 مصطلحات غامضة مثل "المعيار الثانوي" و"الفئة الأولى" و"الفئة الثانية". [ 9 ]
تُعزى الاختلافات بين الفئات إلى عدد من خصائص المستشعرات، وهي: زمن الاستجابة، والانحرافات الحرارية، والاعتماد على درجة الحرارة، والخطأ الاتجاهي، وعدم الاستقرار، واللاخطية، والانتقائية الطيفية، واستجابة الميل. وقد حُددت هذه الخصائص جميعها في معيار ISO 9060. ولكي يُصنف المستشعر ضمن فئة معينة، يجب أن يستوفي جميع المتطلبات الدنيا لهذه الخصائص.
يُعدّ كلٌّ من "الاستجابة السريعة" و"الاستجابة الطيفية المسطحة" تصنيفين فرعيين مُدرجين في معيار ISO 9060:2018، ويُساعدان في التمييز بين أجهزة الاستشعار وتصنيفها بشكلٍ أدق. للحصول على تصنيف "الاستجابة السريعة"، يجب ألا يتجاوز زمن الاستجابة لـ 95% من القراءات 0.5 ثانية؛ بينما يُمكن تطبيق تصنيف "الاستجابة الطيفية المسطحة" على أجهزة الاستشعار ذات الانتقائية الطيفية الأقل من 3% في النطاق الطيفي من 0.35 إلى 1.5 ميكرومتر. في حين أن معظم أجهزة قياس الإشعاع الشمسي من الفئة A تتميز باستجابة طيفية مسطحة، فإن أجهزة الاستشعار المصنفة ضمن فئة "الاستجابة السريعة" أقل شيوعًا. يبلغ زمن استجابة معظم أجهزة قياس الإشعاع الشمسي من الفئة A خمس ثوانٍ أو أكثر.
تُجرى عملية المعايرة عادةً باستخدام المرجع الإشعاعي العالمي [ 10 ] (WRR) كمرجع مطلق. ويتولى صيانته مكتب إدارة الرصد والقياسات (PMOD) [ 11 ] في دافوس ، سويسرا . [ 12 ] بالإضافة إلى المرجع الإشعاعي العالمي، توجد مختبرات خاصة، مثل ISO-Cal North America [ 13 ] ، حاصلة على اعتماد لإجراء هذه المعايرات الفريدة. بالنسبة لمقياس الإشعاع الشمسي من الفئة A، تتم المعايرة وفقًا لمعيار ASTM G167 [ 14 ] ، أو ISO 9847 [ 15 ] ، أو ISO 9846 [ 16 ] [ 17 ] . أما مقاييس الإشعاع الشمسي من الفئتين B وC، فتتم معايرتها عادةً وفقًا لمعيار ASTM E824 [ 18 ] وISO 9847 [ 19 ].
مقياس الإشعاع الشمسي الكهروضوئي
يتم توحيد ومعايرة أجهزة قياس الإشعاع الشمسي الكهروضوئي وفقًا للمعيار IEC 60904-4 للعينات المرجعية الأولية، ووفقًا للمعيار IEC 60904-2 للعينات المرجعية الثانوية والأجهزة المخصصة للبيع.
في كلا المعيارين، تبدأ سلسلة التتبع الخاصة بهما بالمعيار الأساسي المعروف باسم مجموعة مقياس الإشعاع التجويفي من قبل المرجع الإشعاعي العالمي (WRR). [ 20 ]
تكييف الإشارة
لا تتجاوز القيمة الطبيعية لخرج هذه البيرانومترات عادةً عشرات الميلي فولت (mV). وتُعتبر إشارة "ضعيفة"، وبالتالي فهي عرضة للتداخلات الكهرومغناطيسية ، خاصةً عندما يمتد الكابل لمسافات طويلة جدًا أو يقع ضمن أنظمة الطاقة الشمسية. لذلك، تُجهز هذه المستشعرات غالبًا بإلكترونيات لتكييف الإشارة، مما يُعطي خرجًا يتراوح بين 4 و20 مللي أمبير أو بين 0 و1 فولت.
يتمثل حل آخر في توفير مناعة أكبر ضد التشويش، مثل بروتوكول Modbus عبر RS-485 ، وهو مناسب للبيئات ذات التداخلات الكهرومغناطيسية الشائعة في محطات الطاقة الشمسية الكهروضوئية متوسطة وكبيرة الحجم ، أو مخرج SDI-12 ، حيث تُعدّ أجهزة الاستشعار جزءًا من محطة أرصاد جوية منخفضة الطاقة. غالبًا ما تُسهّل الإلكترونيات المُجهزة عملية دمج النظام في نظام SCADA .
يمكن أيضًا تخزين معلومات إضافية في إلكترونيات المستشعر، مثل سجل المعايرة والرقم التسلسلي.
انظر أيضاً
مراجع
- ↑ تصنيف أجهزة قياس الإشعاع الشمسي ISO9060 :2018
- ↑ "مبدأ عمل مقياس الإشعاع الحراري - كيب وزونين" .
- ↑ IEC 61724-1:2017
- ↑ "IEC 61724-1:2017 | IEC" . webstore.iec.ch . تم الاطلاع عليه بتاريخ 2024-09-04 .
- ↑ ISO9060 – الفقرة 4.2 (2016)
- ↑ IEC 60904-4: إجراءات إنشاء إمكانية تتبع المعايرة
- ↑ EN 60904-2: متطلبات الأجهزة الشمسية المرجعية
- ↑ EN 60904-7: حساب تصحيح عدم تطابق الطيف
- ↑ "ISO 9060:1990 تصنيف أجهزة قياس الإشعاع الشمسي" .
- ↑ المرجع الإشعاعي العالمي
- ↑ PMOD
- ↑ "المرجع الإشعاعي العالمي" . مؤرشف من الأصل بتاريخ 30-04-2013 . تم الاطلاع عليه بتاريخ 29-05-2013 .
- ↑ ISO-Cal أمريكا الشمالية
- ↑ ASTM G167
- ↑ ISO 9847
- ↑ ISO 9846
- ↑ ISO 9846:1993 - معايرة مقياس الإشعاع الشمسي باستخدام مقياس الإشعاع الشمسي المباشر
- ↑ ASTM E824
- ↑ ISO 9847
- ↑ IEC 60904-4: إجراءات إنشاء إمكانية تتبع المعايرة - الجدول 1 والشكل 1
روابط خارجية
- أدوات القياس
- الأجهزة والمعدات الأرصادية