Εργαστήριο ήπιων μορφών ενέργειας

Transcript

1 Εργαστήριο ήπιων μορφών ενέργειας Ενότητα: Μετρήσεις ηλιακής ακτινοβολίας Ταουσανίδης Νίκος Τμήμα ΜΗΧΑΝΟΛΟΓΩΝ ΜΗΧΑΝΙΚΩΝ & ΒΙΟΜΗΧΑΝΙΚΟΥ ΣΧΕΔΙΑΣΜΟΥ

2 Άδειες Χρήσης Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό υπόκειται σε άδειες χρήσης Creative Commons. Για εκπαιδευτικό υλικό, όπως εικόνες, που υπόκειται σε άλλου τύπου άδειας χρήσης, η άδεια χρήσης αναφέρεται ρητώς. Χρηματοδότηση Το παρόν εκπαιδευτικό υλικό έχει αναπτυχθεί στα πλαίσια του εκπαιδευτικού έργου του διδάσκοντα. Το έργο «Ανοικτά Ακαδημαϊκά Μαθήματα στο TEI Δυτικής Μακεδονίας και στην Ανώτατη Εκκλησιαστική Ακαδημία Θεσσαλονίκης έχει χρηματοδοτήσει μόνο τη αναδιαμόρφωση του εκπαιδευτικού υλικού. Το έργο υλοποιείται στο πλαίσιο του Επιχειρησιακού Προγράμματος «Εκπαίδευση και Δια Βίου Μάθηση» και συγχρηματοδοτείται από την Ευρωπαϊκή Ένωση (Ευρωπαϊκό Κοινωνικό Ταμείο) και από εθνικούς πόρους. 2

3 Περιεχόμενα 1. Σκοποί ενότητας Περιεχόμενα ενότητας ΜΕΤΡΗΣΗ ΕΝΤΑΣΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ - ΠΥΡΑΝΟΜΕΤΡΟ Εισαγωγή Χρήσιμα χαρακτηριστικά του πυρανομέτρου 6Β Εγκατάσταση πυρανομέτρου για την μέτρηση της ολικής ακτινοβολίας Μέτρηση διάχυτης ακτινοβολίας ΜΕΤΡΗΣΗ ΕΝΤΑΣΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ - ΠΥΡΗΗΛΙΟΜΕΤΡΟ ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Μέτρηση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας Μέτρηση της θερμοκρασίας του οργάνου ΚΥΡΙΕΣ ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΤΟΥ ΠΥΡΗΗΛΙΟΜΕΤΡΟΥ ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΠΥΡΗΗΛΙΟΜΕΤΡΟΥ Εύρος φάσματος Ευαισθησία Σύνθετη αντίσταση Χρόνος απόκρισης Θερμοκρασία λειτουργίας Εύρος πεδίου ΑΚΡΙΒΕΙΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Μη γραμμικότητα Εξάρτηση από θερμοκρασία Zero offset Β Μη σταθερότητα Φασματική επιλεκτικότητα Βιβλιογραφία

4 Περιεχόμενα Σχημάτων Σχήμα 1: Το πυρανόμετρο 6Β της Kipp & Zonen (διαστάσεις σε mm) Σχήμα 2: Δακτύλιος σκίασης CM121 και τα διάφορα μέρη του Σχήμα 3: Σχηματική παράσταση δακτυλίου σκίασης σε Βόρειο & Νότιο Γ.Π Σχήμα 4: Τοποθέτηση του CM6B/121 για ειδικές περιπτώσεις Σχήμα 5: Σχηματική παράσταση CHP Σχήμα 6: Θέση αισθητήρων θερμοκρασίας εντός του αισθητήρα CHP Σχήμα 7: Φάσμα ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης και ανταπόκριση πυρηηλιομέτρου Σχήμα 8: Οπτική κατασκευή Σχήμα 9: Μη γραμμικότητα μεταβολής ευαισθησίας του CHP Σχήμα 10: Τυπική εξάρτηση από θερμοκρασία του CHP Περιεχόμενα Πινάκων Πίνακας 1: ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ

5 1. Σκοποί ενότητας Χρήση εγκεκριμένων οργάνων μέτρησης ηλιακής ακτινοβολίας. 2. Περιεχόμενα ενότητας Μέτρηση θερμοκρασίας, υγρασίας, ταχύτητας ανέμου, διεύθυνσης ανέμου, ύψους βροχής και βαρομετρικής πίεσης σε μετεωρολογικό σταθμό. 3. ΜΕΤΡΗΣΗ ΕΝΤΑΣΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ - ΠΥΡΑΝΟΜΕΤΡΟ 3.1 Εισαγωγή Το πυρανόμετρο (και συγκεκριμένα το μοντέλο 6Β της Kipp & Zonen) μετρά την ακτινοβολούμενη ροή ενέργειας (Watt/m 2 ) σε επίπεδη επιφάνεια, που είναι αποτέλεσμα της απευθείας και της διάχυτης ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στο ημισφαίριο του οργάνου. Όσον αφορά τη μέτρηση μόνο της διάχυτης ακτινοβολίας θα αναφερθούμε σε επόμενη παράγραφο. Το εν λόγω πυρανόμετρο πληροί τις προδιαγραφές Α τάξεως που καθορίζονται από τον Παγκόσμιο Μετεωρολογικό Οργανισμό (WMO) κάτι που απαιτεί και το πρότυπο ΕΛΟΤ 388-1, για τον προσδιορισμό του στιγμιαίου βαθμού απόδοσης επίπεδου ηλιακού συλλέκτη. Σχήμα 1: Το πυρανόμετρο 6Β της Kipp & Zonen (διαστάσεις σε mm). Πηγή: Kipp & Zonen (2003). 5

6 3.2 Χρήσιμα χαρακτηριστικά του πυρανομέτρου 6Β α. Ευαισθησία 9 15μV/Wm -2. β. Μη σταθερότητα (επί τοις εκατό αλλαγή στην απόκριση μέσα σε ένα έτος) 1%. γ. Σφάλμα θερμοκρασίας (επί τοις εκατό απόκλιση λόγω μεταβολής της θερμοκρασίας περιβάλλοντος από -10 ο C έως 40 ο C σε σχέση με αυτή των 20 ο C) 2%. δ. Σφάλμα φασματικής επιλεκτικότητας (επί τοις εκατό απόκλιση λόγω του γινομένου απορροφητικότητας φάσματος επί τη διαπερατότητα φάσματος από τη μέση τιμή, στο εύρος 0.35μm έως 1.5μm) 2%. ε. Σφάλμα γραμμικότητας (επί τοις εκατό απόκλιση από τη μέση τιμή στα 500 W/m 2 λόγω μεταβολής της ακτινοβολίας ανάμεσα στα 100 W/m 2 με 1000 W/m 2 ) 1%. στ. Σταθερά χρόνου (ο χρόνος που χρειάζεται το όργανο για να φθάσει το 63.2% της τελικής μεταβολής της ένδειξης μετά από απότομη αλλαγή στην ακτινοβολία) < 5s. ζ. Σφάλμα λόγω αλλαγής γωνίας πρόσπτωσης 1%. ιδανικά η απόκριση του πυρανομέτρου είναι ανάλογη προς το συνημίτονο της γωνίας πρόσπτωσης της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας. Στην πραγματικότητα υπάρχει απόκλιση από τον νόμο αυτό του συνημίτονου για τις γωνίες πρόσπτωσης που σημειώνονται κατά τη διάρκεια των μετρήσεων. 3.3 Εγκατάσταση πυρανομέτρου για την μέτρηση της ολικής ακτινοβολίας Ιδανικά η θέση όπου θα τοποθετηθεί το πυρανόμετρο θα πρέπει να είναι ελεύθερη από εμπόδια πάνω από το επίπεδο του αισθητηρίου και ταυτόχρονα θα πρέπει να υπάρχει πρόσβαση στο πυρανόμετρο για να καθαρίζεται και να ελέγχεται. Αν βέβαια δεν γίνεται αυτό θα πρέπει να επιλέγεται η θέση έτσι ώστε οποιοδήποτε εμπόδιο που βρίσκεται στην περιοχή του αζιμουθίου από την ανατολή έως τη δύση του ηλίου, να μην έχει ύψος πάνω από 5 ο C (η σχετική ηλιακή διάμετρος είναι 0.5 ο ). Αυτό είναι σημαντικό για την ακριβή μέτρηση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας. Η διάχυτη ακτινοβολία επηρεάζεται λιγότερο από εμπόδια κοντά στον ορίζοντα. Για παράδειγμα ένα εμπόδιο με ύψος 5ο στο συνολικό αζιμούθιο των 360 ο μειώνει την διάχυτη ακτινοβολία μόνο κατά 0.8%. Είναι επιθυμητό το πυρανόμετρο να τοποθετείται έτσι ώστε να μην πέφτει σκιά οποιαδήποτε στιγμή πάνω του (π.χ. από καμινάδες). Ας ληφθεί επίσης υπόψη στα θερμά καυσαέρια (άνω των 200 ο C) προκαλούν ακτινοβολία στην περιοχή ανάγνωσης του πυρανομέτρου. Επίσης θα πρέπει να βρίσκεται μακριά από τοίχους με φωτεινά χρώματα ή άλλα αντικείμενα που είναι πιθανό να αντανακλούν ηλιακό φως πάνω του. 6

7 3.4 Μέτρηση διάχυτης ακτινοβολίας Η μέτρηση αυτή γίνεται με τη βοήθεια δακτυλίου σκίασης που προσαρμόζεται στο πυρανόμετρο. Ο δακτύλιος λόγω του ειδικού προφίλ που έχει, παρέχει σχεδόν σταθερή γωνία θέασης κατά τη διάρκεια του έτους και εγγυάται τη σταθερή στήριξη ακόμα και σε δυνατούς ανέμους. Ο σκοπός του δακτυλίου σκίασης είναι να «κόψει» την άμεση ηλιακή ακτινοβολία κατά τη διάρκεια όλης της ημέρας χωρίς επαναρύθμιση. Κατά συνέπεια θα πρέπει να ικανοποιούνται οι παρακάτω απαιτήσεις όπως και σχηματικά αναφέρονται στο Σχ. 3 για περίπτωση Βόρειου Γ.Π. 40 ο. Ι. Ο άξονας συμμετρίας του δακτυλίου σκίασης, θα πρέπει να είναι παράλληλος με τον πολικό άξονα. Κατά συνέπεια η γωνία ανάμεσα στον άξονα συμμετρίας του δακτυλίου σκίασης και το οριζόντιο επίπεδο ισούται με το Γ.Π. του τόπου. ΙΙ. Ο δακτύλιος σκίασης θα πρέπει να έχει τη δυνατότητα να ολισθαίνει κατά μήκος του άξονα συμμετρίας ακολουθώντας την κλίση του ηλίου. ΙΙΙ. Το πυρανόμετρο θα πρέπει να τοποθετείται με το κέντρο του αισθητηρίου του επί του άξονα συμμετρίας του δακτυλίου. Η εγκάρσια ράβδος είναι το υποπλαίσιο στήριξης του δακτυλίου σκίασης. Περιστρέφοντας την ράβδο αυτή η γωνία ανάμεσα στον άξονα συμμετρίας του δακτυλίου σκίασης και το οριζόντιο επίπεδο μπορεί να ρυθμιστεί. Το πυρανόμετρο είναι σταθερά προσαρμοσμένο πάνω στην εγκάρσια ράβδο και άρα το αισθητήριό του παραμένει στον άξονα συμμετρίας του δακτυλίου σκίασης (Σχ. 2). Με τις ράβδους ολίσθησης ο δακτύλιος μπορεί να ολισθήσει κατά μήκος του άξονα συμμετρίας του. Ο «τομέας» επιτρέπει στο πυρανόμετρο να περιστρέφεται κρατώντας το αισθητήριο στον άξονα συμμετρίας του δακτυλίου σκίασης. Προφανώς με τη βοήθεια του «τομέα» αυτού μπορεί το πυρανόμετρο να στραφεί προς νότο ή βορρά, μέσα σε συγκεκριμένα όρια. Η μέτρηση της διάχυτης ακτινοβολίας σε επίπεδο στραμμένο προς νότο ή βορρά είναι επομένως δυνατή κάτι που είναι επιθυμητό στον έλεγχο ηλιακών συλλεκτών. Σχήμα 2: Δακτύλιος σκίασης CM121 και τα διάφορα μέρη του. Πηγή: Kipp & Zonen (2004). 7

8 1. Τομέας. 2. κανόνας με κυλιόμενη κλίμακα. 3. εγκάρσια ράβδος. 4. ασφαλιστικοί κοχλίες. 5. δακτύλιος σκίασης. 6. πυρανόμετρο. 7. δείκτης ισοστάθμισης. 8. στήριγμα πυρανομέτρου. 9. ακίδα-βελόνα. 10. κοχλίες στερέωσης. 11. ράβδος ολίσθησης. 12. κορμός. 13. Βάση. 14. κοχλίας ισοστάθμισης. Σχήμα 3: Σχηματική παράσταση δακτυλίου σκίασης σε Βόρειο & Νότιο Γ.Π. Πηγή: Kipp & Zonen (2004). 8

9 Σχήμα 4: Τοποθέτηση του CM6B/121 για ειδικές περιπτώσεις. Πηγή: Kipp & Zonen (2004). 9

10 3.5 ΜΕΤΡΗΣΗ ΕΝΤΑΣΗΣ ΗΛΙΑΚΗΣ ΑΚΤΙΝΟΒΟΛΙΑΣ - ΠΥΡΗΗΛΙΟΜΕΤΡΟ Το πυρηηλιόμετρο CHP 1 είναι σχεδιασμένο για να μετρά την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας που προκύπτει από την ακτινοβολούμενη ροή σε στερεή γωνία 5. Σύμφωνα με το πρότυπο ISO 9060 και τον Διεθνή Μετεωρολογικό Οργανισμό (WMO) ένα πυρηηλιόμετρο είναι το κατάλληλο όργανο για την μέτρηση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας. Το πυρηηλιόμετρο CHP 1 είναι συμβατό με την κατηγορία First Class όπως αυτή καθορίζεται από τα Διεθνή πρότυπα. Σχήμα 5: Σχηματική παράσταση CHP 1. Πηγή: Kipp & Zonen (2008). 3.6 ΛΕΙΤΟΥΡΓΙΑ Μέτρηση της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας. Η τιμή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας (E Solar) μπορεί απλά να υπολογιστεί διαιρώντας το σήμα εξόδου (Uemf) του πυρηηλιομέτρου με την ευαισθησία του (Sensitivity). Για τον υπολογισμό της έντασης της άμεσης ηλιακής ακτινοβολίας εφαρμόζεται η παρακάτω σχέση: E Direct Solar U S emf (1) όπου: E Direct Solar = Ηλιακή ακτινοβολία [W/m2]. Uemf = Έξοδος του οργάνου [μv]. S = Ευαισθησία του οργάνου [μv/w/m 2 ]. Για να είμαστε σίγουροι ότι τα δεδομένα είναι υψηλού επιπέδου, πρέπει να προσεχθεί η ημερήσια συντήρηση του οργάνου. Άπαξ και ληφθεί η μέτρηση μιας τάσης δεν μπορεί τίποτα να γίνει για να την βελτιώσει. 10

11 Σχήμα 6: Θέση αισθητήρων θερμοκρασίας εντός του αισθητήρα CHP 1. Πηγή: Kipp & Zonen (2008) Μέτρηση της θερμοκρασίας του οργάνου Μέσα στον αισθητήρα έχουν τοποθετηθεί ένα Pt-100 (Class A) και ένα thermistor 10 kω για να μας δίνουν τη θερμοκρασία του αισθητήρα. Η θέση αυτών των αισθητήρων θερμοκρασίας φαίνεται στο Σχήμα 6. Η θερμοκρασία του Pt-100 και του thermistor των 10 kω μπορεί να προκύψει από τις παρακάτω σχέσεις: 3.7 ΚΥΡΙΕΣ ΣΥΝΙΣΤΩΣΕΣ ΤΟΥ ΠΥΡΗΗΛΙΟΜΕΤΡΟΥ Ο αισθητήρας του πυρηηλιομέτρου CHP 1 βασίζεται σε ένα παθητικό θερμικό στοιχείο που αποκαλείται θερμοστιβάδα (thermopile). Η θερμοστιβάδα ανταποκρίνεται στη συνολικά απορροφώμενη ισχύ από την μαύρη επιφανειακή κάλυψη, που είναι μία μη φασματική επιλεκτική βαφή, και θερμαίνεται. Η παραγόμενη θερμότητα ρέει μέσα από μια θερμική αντίσταση προς τη θέση απορρόφησης θερμότητας (heat-sink) που είναι το σώμα του πυρηηλιομέτρου. Η θερμοκρασιακή διαφορά στα άκρα της θερμικής αντίστασης του αισθητήρα 11

12 μετατρέπεται σε τάση σαν γραμμική συνάρτηση της έντασης της απορροφώμενης ηλιακής ακτινοβολίας. Μια κάψουλα αφύγρανσης στο κέλυφος του οργάνου γεμάτη με silica gel προφυλάσσει το εσωτερικό του παραθύρου οργάνου από υγρασία, που μπορεί να υγροποιηθεί σε ξάστερες νύχτες. Παράθυρο. Το υλικό του παραθύρου του πυρηηλιομέτρου προσδιορίζει το φασματικό εύρος μέτρησης του οργάνου. Γενικά ένα % περίπου του φάσματος του ηλιακού φωτός θα μεταφερθεί μέσω του παραθύρου και θα απορροφηθεί από τον αισθητήρα. Αισθητήρας. Το αισθητήριο θερμοστιβάδας είναι φτιαγμένο από ένα μεγάλο αριθμό θερμοζευγών συνδεδεμένων ηλεκτρικά εν σειρά. Η απορρόφηση της θερμικής ακτινοβολίας από ένα θερμοζεύγος, αποκαλείται ενεργή (ή 'θερμή') επαφή, αυξάνει τη θερμοκρασία του. Η διαφορική θερμοκρασία μεταξύ της ενεργής επαφής και μιας επαφής αναφοράς (ψυχρή) που διατηρείται σε σταθερή θερμοκρασία παράγει μια ηλεκτρεγερτική δύναμη ευθέως ανάλογη με την παραγόμενη διαφορά θερμοκρασίας. Αυτό είναι το θερμοηλεκτρικό φαινόμενο. Η ευαισθησία ενός πυρηηλιομέτρου εξαρτάται από τις φυσικές ιδιότητες της θερμοστιβάδας και την κατασκευή. Η ευαισθησία κάθε θερμοστιβάδας είναι μοναδική και το όργανο έχει επομένως ένα μοναδικό συντελεστή βαθμονόμησης, ακόμα και για ίδιο μοντέλο. Στην πάνω επιφάνεια του αισθητήρα υπάρχει επικάλυψη μαύρης μπογιάς πολύ τραχιάς δομής και περιέχει μικροσπηλαιώσεις που ουσιαστικά παγιδεύουν πάνω από 97 % της προσπίπτουσας ακτινοβολίας του συνολικού φάσματος. Επιπλέον, η φασματική επιλεκτικότητα είναι κάτω του 2 %. Αυτό σημαίνει ότι μέσα στο εύρος φάσματος του πηρηηλιομέτρου, η απορρόφηση κάθε μήκους κύματος είναι έως 2 %. Το βαμμένο μαύρο αισθητήριο αποτελεί τον αισθητήρα. Κέλυφος. Το κέλυφος του οργάνου φιλοξενεί όλα τα στοιχεία του πυρηηλιομέτρου. Τα τμήματα από ανοδιομένο αλουμίνιο είναι ελαφρά και προσφέρουν υψηλή μηχανική αντοχή και θερμική σταθερότητα στο όργανο. Λόγω της «λεπτής» μηχανικής κατασκευής είναι ουσιαστικά σφραγισμένο και σύμφωνο με το πρότυπο IP 67. Κάψουλα αφύγρανσης. Σε περίπτωση που εισέλθει υγρασία στο όργανο αφυγραντικό silica-gel ρυθμίζει το επίπεδο υγρασίας. Αρχικά το αφυγραντικό έχει ένα πορτοκαλί χρώμα. Μετά από κάποιο χρόνο καθώς κορένυται γίνεται διαφανές. Τότε θα πρέπει να αντικατασταθεί με φρέσκο πορτοκαλί το συντομότερο δυνατό. Καλώδιο και σύνδεση. Το όργανο χρησιμοποιεί καλώδιο χαμηλού θορύβου κατάλληλο να χειριστεί την χαμηλής τάσης έξοδο της θερμοστιβάδας ή του αισθητηρίου θερμοκρασίας. 12

13 Η γείωση του καλωδίου είναι συνδεδεμένη με το μεταλλικό σώμα του φις και πρέπει να συνδέεται κατά προτίμηση με τη γείωση του οργάνου ανάγνωσης ενδείξεων. 3.8 ΦΥΣΙΚΕΣ ΙΔΙΟΤΗΤΕΣ ΠΥΡΗΗΛΙΟΜΕΤΡΟΥ Εύρος φάσματος Το εύρος φάσματος της ηλιακής ακτινοβολίας που φθάνει στην επιφάνεια της γης κυμαίνεται από 280 nm έως 4000 nm, από το υπεριώδες (UV) έως το απώτερο υπέρυθρο (FIR) όπως φαίνεται στο Σχήμα 7. Λόγω των εξαιρετικών φυσικών ιδιοτήτων του παραθύρου χαλαζία και της μαύρης απορροφητικής μπογιάς του πυρηηλιομέτρου είναι εξίσου ευαίσθητο σε ένα ευρύ εύρος φάσματος. Το % της συνολικής ενέργειας θα απορροφηθούν από τον θερμικό αισθητήρα Ευαισθησία Η ευαισθησία της θερμοστιβάδας κυρίως προσδιορίζεται από τις φυσικές ιδιότητες του ίδιου του αισθητήρα. Η θερμοηλεκτρική ισχύς, η θερμική αγωγιμότητα των ζευγών και οι διαστάσεις του αισθητηρίου σχετίζονται με την ευαισθησία Σύνθετη αντίσταση Η σύνθετη αντίσταση (impedance) του οργάνου ορίζεται σαν η συνολική ηλεκτρική σύνθετη αντίσταση στην έξοδο του οργάνου. Προκύπτει από την ηλεκτρική αντίσταση στις θερμικές επαφές, τα καλώδια και τα παθητικά ηλεκτρονικά του οργάνου. Σχήμα 7: Φάσμα ηλιακής ακτινοβολίας στην επιφάνεια της Γης και ανταπόκριση πυρηηλιομέτρου. Πηγή: Kipp & Zonen (2008) Χρόνος απόκρισης Οποιοδήποτε όργανο μέτρησης απαιτεί ένα συγκεκριμένο χρόνο για να αντιδράσει σε μεταβολή της παραμέτρου που μετρά. Το όργανο απαιτεί χρόνο για να αντιδράσει σε μια μεταβολή της προσπίπτουσας ακτινοβολίας. Χρόνος αντίδρασης θεωρείται συνήθως ο χρόνος για να φθάσει στο 95 % (μερικές φορές στο 63 %) της τελικής τιμής ακολουθώντας μια βαθμιαία μεταβολή της έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας. 13

14 Καθορίζεται από τις φυσικές ιδιότητες της θερμοστιβάδας και της κατασκευής του οργάνου. Το CHP 1 έχει γρήγορη αντίδραση, κατάλληλο κατά συνέπεια κατάλληλο για την μέτρηση της ηλιακής ακτινοβολίας κάτω από διαφορετικές καιρικές συνθήκες Θερμοκρασία λειτουργίας Το εύρος της θερμοκρασίας λειτουργίας του οργάνου καθορίζεται από τις φυσικές ιδιότητες των επί μέρους στοιχείων. Μέσα στο εύρος αυτό το όργανο λειτουργεί με ασφάλεια Εύρος πεδίου Το Σχήμα 8 δείχνει τη οπτική κατασκευή του πυρηηλιομέτρου. Η ακτίνα φωτός που φθάνει στον αισθητήρα περιορίζεται από το stop πεδίου (field) και ανοίγματος (aperture). Η κλίση, το άνοιγμα και οι οριακές γωνίες προσδιορίζονται από τα R, r και L. Η απόσταση χ είναι αμελητέα. Για το CHP 1 η γωνία πλήρους ανοίγματος είναι 5, η γωνία κλίσης είναι 1. Ο ήλιος, όπως φαίνεται από τον αισθητήρα, καλύπτει μια στερεά γωνία 0.5. Μπορεί να αναμένεται απόκριση 100 % μόνο αν ο ήλιος βρίσκεται εξ ολοκλήρου μέσα στη γωνία κλίσης. Αυτό γίνεται όταν η ακρίβεια παρακολούθησης είναι καλύτερη από την γωνία κλίσης μείον το μισό της ηλιακής γωνίας. Συνεπώς, η ακρίβεια παρακολούθησης θα πρέπει να είναι έως 0.75 από το ιδανικό. Σχήμα 8: Οπτική κατασκευή. Πηγή: Kipp & Zonen (2008). 3.9 ΑΚΡΙΒΕΙΑ ΜΕΤΡΗΣΗΣ Όταν ένα πυρηηλιόμετρο λειτουργεί, η απόδοσή του συσχετίζεται με ένα αριθμό παραμέτρων, όπως η θερμοκρασία, το επίπεδο έντασης της ηλιακής ακτινοβολίας κλπ. Κανονικά το νούμερο της ευαισθησίας που δίνεται χρησιμοποιείται για τον υπολογισμό των εντάσεων της ηλιακής ακτινοβολίας. Αν οι συνθήκες διαφέρουν σημαντικά από τις συνθήκες βαθμονόμησης, θα πρέπει να αναμένεται κάποια αβεβαιότητα στις υπολογιζόμενες εντάσεις της ηλιακής ακτινοβολίας. 14

15 Για ένα πυρηηλιόμετρο Α κλάσης κατά WMO αναμένεται μέγιστο σφάλμα στα ωριαία αθροίσματα ακτινοβολίας 3 %. Στο ημερήσιο συνολικό αναμένεται ένα σφάλμα 2 %, καθώς κάποιες μεταβολές απόκρισης αναιρούν η μία την άλλη αν η περίοδος ολοκλήρωσης είναι μεγάλη. Το συγκεκριμένο πυρηηλιόμετρο έχει μέγιστη αβεβαιότητα 2 % στα ωριαία αθροίσματα και 1% στα ημερήσια αθροίσματα. Η επίδραση κάθε παραμέτρου στην ευαισθησία του CHP 1 μπορεί να δειχθεί χωριστά Μη γραμμικότητα Το σφάλμα μη γραμμικότητας, για τη μεταβολή της ευαισθησίας με την ένταση της ηλιακής ακτινοβολίας φαίνεται στο Σχήμα 9 για ένα εύρος από 0 έως 1000 W/m 2 με αναφορά στην βαθμονόμηση στα 500 W/m 2. Σχήμα 9: Μη γραμμικότητα μεταβολής ευαισθησίας του CHP 1. Πηγή: Kipp & Zonen (2008) Εξάρτηση από θερμοκρασία Η εξάρτηση της ευαισθησίας από τη θερμοκρασία εξαρτάται από το ίδιο το CHP 1. Για το δεδομένο όργανο η ανταπόκριση βρίσκεται στην περιοχή μέσα στις καμπύλες γραμμές του Σχήματος 10. Η εξάρτηση της ευαισθησίας από τη θερμοκρασία χαρακτηρίζει κάθε όργανο. Κάθε CHP 1 έχει ενσωματωμένους αισθητήρες θερμοκρασίας ώστε να μπορούν να επιτρέπουν να γίνονται διορθώσεις αν απαιτείται. Σχήμα 10: Τυπική εξάρτηση από θερμοκρασία του CHP 1. Πηγή: Kipp & Zonen (2008). 15

16 3.9.3 Zero offset Β Ανάλογα με τη θερμοκρασία του περιβάλλοντος η θερμοκρασία του οργάνου μεταβάλλεται και προκαλεί θερμικά ρεύματα μέσα στο όργανο. Αυτό θα προκαλέσει μία μετατόπιση που συνήθως λέγεται Zero Offset τύπου B. Ποσοτικοποιείται σαν την απόκριση σε W/m2 σε μία αλλαγή 5 K/hr στη θερμοκρασία περιβάλλοντος Μη σταθερότητα Είναι η εκατοστιαία μεταβολή στην ευαισθησία στη διάρκεια ενός έτους. Οφείλεται κυρίως στην υποβάθμιση από την ακτινοβολία UV της μαύρης απορροφητικής μπογιάς πάνω στην επιφάνεια του αισθητηρίου. Για τον λόγο αυτό απαιτείται βαθμονόμηση τουλάχιστον ανά 2 έτη Φασματική επιλεκτικότητα Είναι η μεταβολή της διαπερατότητας του παραθύρου και της απορροφητικότητας της μαύρης μπογιάς του αισθητήρα με το μήκος κύματος και συνήθως ορίζεται σαν % της μέσης τιμής. ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ Χαρακτηριστικά Ταξινόμηση κατά ISO Α κλάση Χρόνος απόκρισης (95 %) 5s Zero offsets λόγω μεταβολής ± 1 W/m 2 θερμοκρασίας (5 K/hr) Μη σταθερότητα (μεταβολή/έτος) ±0.5% Μη γραμμικότητα (0 to 1000 W/m^) ±0.2% Εξάρτηση ευαισθησίας από θερμοκρασία ± 0.5 % (-20 to +50 C) Ευαισθησία 7 to 14 μv/w/m 2 Σύνθετη αντίσταση 10 to 100 Ω Θερμοκρασία λειτουργίας -40 to +80 C Εύρος φάσματος (50 % points) 200 to 4000 nm Τυπικό σήμα εξόδου για ατμοσφαιρικές 0 to 15 mv εφαρμογές Μέγιστη ένταση ηλιακής ακτινοβολίας 4000 W/m 2 Αναμενόμενη ημερήσια αβεβαιότητα ±1% Πλήρες άνοιγμα γωνίας 5 ± 0.2 Γωνία κλίσης 1 ± 0.2 Απαιτούμενη ακρίβεια παρακολούθησης ± 0.5 από το ιδανικό Βάρος (χωρίς καλώδιο) 1 kg Πίνακας 1: ΤΕΧΝΙΚΕΣ ΠΡΟΔΙΑΓΡΑΦΕΣ. Πηγή: Kipp & Zonen (2008). 4. Βιβλιογραφία 5. References Kipp, & Zonen. (2003). CM6B/CM7B Pyranometer/Albedometer Instruction Manual. Delft: The Netherlands. 16

17 Kipp, & Zonen. (2008). CΗΡ1 Pyrheliometer Instruction Manual. Delft: The Netherlands. Kipp, & Zonen. (2004). CM121 Shadow Ring Instruction Manual. Delft: The Netherlands. 6. Παράρτημα Σημείωμα Αναφοράς. Copyright ΤΕΙ Δυτικής Μακεδονίας, Ταουσανίδης Νίκος. «Εργαστήριο ήπιων μορφών ενέργειας». Έκδοση: 1.0. Γρεβενά Διαθέσιμο από τη δικτυακή διεύθυνση: URL. Σημείωμα Αδειοδότησης. Το παρόν υλικό διατίθεται με τους όρους της άδειας χρήσης Creative Commons Αναφορά, Μη Εμπορική Χρήση Παρόμοια Διανομή 4.0 [1] ή μεταγενέστερη, Διεθνής Έκδοση. Εξαιρούνται τα αυτοτελή έργα τρίτων π.χ. φωτογραφίες, διαγράμματα κ.λ.π., τα οποία εμπεριέχονται σε αυτό και τα οποία αναφέρονται μαζί με τους όρους χρήσης τους στο «Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων». [1] Ως Μη Εμπορική ορίζεται η χρήση: που δεν περιλαμβάνει άμεσο ή έμμεσο οικονομικό όφελος από την χρήση του έργου, για το διανομέα του έργου και αδειοδόχο. που δεν περιλαμβάνει οικονομική συναλλαγή ως προϋπόθεση για τη χρήση ή πρόσβαση στο έργο. που δεν προσπορίζει στο διανομέα του έργου και αδειοδόχο έμμεσο οικονομικό όφελος (π.χ. διαφημίσεις) από την προβολή του έργου σε διαδικτυακό τόπο. Ο δικαιούχος μπορεί να παρέχει στον αδειοδόχο ξεχωριστή άδεια να χρησιμοποιεί το έργο για εμπορική χρήση, εφόσον αυτό του ζητηθεί. Διατήρηση Σημειωμάτων. Οποιαδήποτε αναπαραγωγή ή διασκευή του υλικού θα πρέπει να συμπεριλαμβάνει: το Σημείωμα Αναφοράς. το Σημείωμα Αδειοδότησης. τη δήλωση Διατήρησης Σημειωμάτων. 17

18 το Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων (εφόσον υπάρχει). μαζί με τους συνοδευόμενους υπερσυνδέσμους. Σημείωμα Χρήσης Έργων Τρίτων. Το Έργο αυτό κάνει χρήση των ακόλουθων έργων: Εικόνες/Σχήματα/Διαγράμματα/Φωτογραφίες. Kipp, & Zonen. (2003). CM6B/CM7B Pyranometer/Albedometer Instruction Manual. Delft: The Netherlands. Kipp, & Zonen. (2008). CΗΡ1 Pyrheliometer Instruction Manual. Delft: The Netherlands. Kipp, & Zonen. (2004). CM121 Shadow Ring Instruction Manual. Delft: The Netherlands. 18