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什么是太阳总辐射?

2023-07-18 14:46:56

如果您正在考虑在测量应用中使用日射强度计,您应该了解

  很多关于它们以及它们如何工作的信息。掌握这些信息将有助于确保您选择适合您应用所需数据的日射强度计类型。

  什么是太阳总辐射?

  太阳发出波长范围在0.15到4.0μm的光线,称为太阳光谱。太阳辐射到达地球大气层的部分被称为总辐射,也叫短波辐射。总辐射包括太阳的直接辐射和太阳散射辐射,用水平安装的总辐射表测量。

  万物生长靠太阳,一般来说太阳辐射会影响地球上绝大多数事物的发展变化,所以在很多领域都需要对太阳辐射进行测量。

  为什么需要测量全球太阳辐射?

  全球太阳辐射测量用于不同目的的多种应用:

  • 太阳能,以确定太阳能电池板将太阳能转化为电能的效率以及何时需要清洁电池板。用于此目的的传感器通常测量太阳能电池板阵列平面中的辐射。

  • 用于预测天然气和电力能源使用的公用事业

  • 研究作为预测或量化植物生长或生产的一个参数

  • 农业以及高尔夫球场和公园维护,作为预测植物用水量和安排灌溉的参数之一

  • 气象学是天气预报模型中的一个因素

  什么是总辐射表,它有什么作用?

  总辐射表是一种传感器,可将其接收到的全球太阳辐射转换为可测量的电信号。日射强度计测量太阳光谱的一部分。例如,CMP21-L总辐射表可测量 0.285 至 2.8 µm 的波长。日射强度计对长波辐射没有反应。相反,高温计用于测量长波辐射(4 到 100 µm)。

  日射强度计还必须考虑太阳辐射的角度,这被称为余弦响应。例如,垂直于传感器(即距天顶 0°)接收到的 1000 W/m 2 被测量为 1000 W/ m 2。然而,在与天顶成 60° 的角度接收到的1000 W/m 2被测量为 500 W/m 2。具有扩散器而不是玻璃圆顶的日射强度计需要**的扩散器来提供正确的余弦响应。

带扩散器的总辐射表

带玻璃圆顶的日射强度计

  日射强度计、净辐射计和直接辐射计有什么区别?

  有几种不同类型的太阳辐射传感器,包括日射强度计、净辐射计和直接辐射计。 

  净辐射计使用两个热电堆总辐射表测量传入和传出的短波辐射,并使用两个辐射表测量传入和传出的长波辐射。这四个测量通常是能量预算的一部分。能量预算评估帮助我们了解太阳能是储存在地下还是从地面流失、反射、排放回太空,或用于蒸发水。

  净辐射计

  直接日射表由一个封装在外壳(准直管)中的辐射传感元件组成,该外壳有一个小孔,只有直射太阳光线通过该小孔进入。从空气中的云或粒子反弹的辐射不会通过这个小开口和准直管到达探测器。为了全天进行测量,需要使用太阳跟踪器将直接日射表直接指向太阳。

  直接日射表

  总辐射表如何测量全球太阳辐射?

  用于测量全球太阳辐射的常见的日射强度计类型是热电堆和硅光电池 (Tanner, B. “自动气象站”,73-98)。 下面将讨论这些日射强度计类型及其优缺点。

  提示:您需要将总辐射表连接到数字万用表或数据记录器,该数据记录器已编程为测量 mV 直流电压。

  • 如果您使用的是数字万用表,您需要自己将 mV 读数转换为 W/m 2。

  • 如果您使用数据记录器,则需要设置数据记录器以进行转换。

  市场上也有以数字格式返回短波辐射 (W/m 2 ) 的总辐射表。这将需要计算机或数据记录器来读取串行数据字符串(以及适当的接口数据电缆和通信软件)。

  热电堆日射强度计

  热电堆日射强度计使用一系列热电结(两种不同金属的多个结 - 热电偶原理)来提供与黑色吸收表面和参考之间的温差成正比的几个 µV/W/m 2的信号。参考可以是白色反射表面或传感器底座的内部部分。热电堆日射强度计的黑色表面均匀地吸收整个太阳光谱中的太阳辐射。

  太阳光谱是太阳发出的光的波长范围。蓝色、白色、黄色和红色的恒星都有不同的温度,因此也有不同的太阳光谱。

  我们的黄色太阳输出波长从 0.15 到 4.0 µm 的辐射。热电堆日射强度计准确地捕捉到太阳的全球太阳辐射,因为其特殊的黑色吸收表面对大部分太阳光谱的能量作出一致的反应。传感元件通常封装在一个或两个特殊玻璃圆顶内,这些玻璃圆顶将辐射均匀地传递到传感元件。

  热电堆总辐射表的优势在于其广泛的用途和准确性。热电堆日射强度计的黑色表面均匀地吸收 0.285 至 2.800 µm 的短波太阳光谱中的太阳辐射(例如CMP6 日射强度计)。均匀的光谱响应允许热电堆总辐射表测量以下内容:反射的太阳辐射、檐篷或温室内的辐射,以及当两个被部署为朝上/朝下对时的反照率(反射:事件)。

  尽管热电堆日射强度计可以是**的太阳能短波辐射传感器类型,但它们通常比硅光电池日射强度计贵得多。

  硅光电池总辐射表

  硅光电池总辐射表产生微安输出电流,类似于太阳能电池板如何将太阳能转化为电能。当电流通过分流电阻器(例如100欧姆)时,它被转换成灵敏度为几μV/W/m 2的电压信号。塑料扩散器用于在不同的太阳角度提供均匀的余弦响应。

  硅光电池总辐射表的光谱响应限于 0.4 至 1.1 µm 的太阳光谱的一部分。尽管这些日射强度计仅对短波辐射的一部分进行采样,但它们经过校准以在晴朗、晴朗的天空下提供类似于热电堆传感器的输出。硅光电池总辐射表通常在所有天空条件下使用,但当有云存在时,测量误差会更高。在大多数天空条件下,日光光谱的均匀性通常会将误差限制在 ±3% 以下,大误差为 ±10%。在多云条件下,误差通常为正。

  硅光电池总辐射表通常比热电堆总辐射表便宜几倍。对于环境研究人员来说,硅光电池总辐射表的精度通常足以满足他们的要求。

  硅光电池总辐射表的缺点是它们的光谱响应限于从 0.4 到 1.1 µm 的太阳光谱的较小部分。这些日射强度计在用于在与校准它们相同的晴朗天空条件下测量全球太阳辐射时表现佳。它们不应用于植被冠层或温室内,也不应用于测量反射辐射。

  日射强度计的比较

  下图显示了便宜的硅电池总辐射表和二级标准黑体热电堆参考传感器在晴天和阴天的测量输出之间的比较: 

  由于硅电池传感器是在晴朗、晴朗的天空条件下进行校准的,因此它在这些条件下与**传感器非常匹配。然而,由于硅电池传感器仅对太阳短波辐射(0.4 至 1.1 µm)进行二次采样,因此当天空条件发生变化时会引入误差。这个特殊的传感器在阴天报告了与参考值的正值 8% 的差异。

  日射强度计有哪些不同类别?

  WMO(世界气象组织)已将世界辐射参考(WRR)确立为“集体标准”。“WRR 被接受为代表总辐照度在 0.3% 以内的物理单位(测量值的 百分之九十九 不确定性)。” 所有日射强度计校准都追溯到 WRR。

  并非所有的日射强度计都具有相同的质量。WMO(世界气象组织)和国际标准化组织(ISO)为不同的应用建立了三个总辐射表类别。下表显示了 WMO 总辐射表类别(Jarraud, M.“气象仪器和观测方法指南”,233)。名为“二级标准”、“一等”和“二等”的 ISO 类别与WMO 类别命名为“高质量”、“**”和“中等质量”。

  WMO 和 ISO 规范存在一些差异。例如,太阳能的 ISO 标准 (ISO 9060) 规定的光谱范围为 0.35 至 1.5 μm,而 WMO 标准的光谱范围为 0.30 至 3.0 μm。此外,ISO 二级标准规定了 3% 的光谱灵敏度,而 WMO 高质量规定了 2% 的光谱灵敏度。在上表中,WMO 指定了 ISO 标准中未提及的“分辨率”和“可实现的不确定性”。

  文章来源:https://www.campbellsci.com/blog/pyranometers-need-to-know

  文章有北京华辰阳光科技有限责任公司**翻译并做适当修改。


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