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太阳辐射监测类型、关系、区别、规格和选型

2019-03-08 11:04:40 来源：袁鹏

太阳辐射监测类型、关系、区别、规格和选型

太阳以光量子电磁波的形式向外传递能量，称太阳辐射（Solar Radiation/Irradiance），在此过程中所传递的能量，称为太阳辐射能。与太阳能利用直接相关的几个主要太阳辐射分量为：直接辐射（DNI，Direct Normal Irradiance）、总辐射（GHI，Global Horizontal Irradiance）、散射辐射（DHI，Diffuse Horizontal Irradiance）、倾角辐射（GTI，Global Tilted Irradiance）和日照时长（Sunshine Duration）等，随着需求的加深和精细化，这些分量所对应的分光谱辐射（Spectral Irradiance）也越来越得到重视。
（1）水平总辐射（GHI）：定义为地面水平面上接收到的太阳总辐射，包括了直接辐射（DNI）和散射辐射（DHI）。
（2）直接辐射（DNI）：沿着太阳法向方向，单位面积接收到的太阳辐射量。
（3）水平散射辐射（DHI）：太阳光在穿过大气层到达地面过程中遇到云、气体分子、尘埃等产生散射，以漫射形式到达地球表面的辐射能。
（4）倾角辐射（GTI）：是指特定倾斜面上接收到的直接辐射(DNI)和散射辐射(DHI)之和，是计算固定倾角光伏电站产能的重要指标。
（5）日照时数（Sunshine Duration）：一天内太阳直射光线照射地面的时间。定义为太阳直接辐照度达到或超过120W/m2的各段时间的总和，以小时为单位，取一位小数。日照时数是反映一个地区太阳能资源状况的重要指标。
（6）光谱辐射（Spectral Irradiance）： 太阳辐射由不同波长的电磁波组成，其随波长的分布称为太阳辐射光谱。根据波长范围，可大致分为紫外（波长小于400nm）、可见光（400-760nm）和红外（大于760nm）波段。太阳辐射能量主要集中在可见光区范围（50%）和红外区域（43%），紫外区能力*少，占7%。光伏电池在工作过程中，并不能将所有太阳辐射能量直接吸收，而是选择性的吸收特定波长的太阳辐射并转化为电能。为了改进技术提升光伏电池的转换效率，需要研究光伏电池材料对不同波长太阳辐射的吸收和转化效率，进而需要定量观测模拟光源或太阳光谱辐射变化状况。
Solar Zenith Angle: 太阳天顶角（与太阳高度角之和为90度，互余关系）解释为一束光线从太阳到达地面一点形成的光线与此点垂直于地面的直线夹角；所以在日出和日落时天顶角为 90度（太阳高度角为0），没有直射辐射到达水平面。
三个辐射参数之间的关系： GHI = DHI + (cosθ x DNI)
θ = Solar Zenith Angle（太阳天顶角）、0°is vertical、90°is horizontal
国际标准组织（ISO）和国际气象组织（WMO）国际标准：

ISO 9060:1990	Second Class	First Class	Secondary Standard
ISO 9060:2018	Class C	Class B	Class A
WMO	Moderate quality	Good quality	Higher quality
响应时间 (95 %)	< 60 s	< 30 s	< 15 s
零漂移(a) 响应200W/m2净辐射时	±30 W/m²	±15 W/m²	±7 W/m²
零漂移(b) 响应 5K/hr空气温度变化时	±8 W/m²	±4 W/m²	±2 W/m²
WMO分辨率（*小测量变化）	±10 W/m²	±5 W/m²	±1 W/m²
非稳定 (每年响应率百分比改变)	±3 %	±1.5 %	±0.8 %
非线性 (@100 W/m²~1000 W/m²)	±3 %	±1 %	±0.5 %
方向响应 (全方位入射光@1000 W/m²)	±30 W/m²	±20 W/m²	±10 W/m²
光谱选择性ISO （ 0.35~1.5 μm）	±10%	±5%	±3%
光谱选择性WMO （ 0.3~3 μm）	±10%	±5%	±2%
温度响应（@50℃ band)	8%	4%	2%
倾斜响应(@1000W/m²时，从0~80°)	±5%	±2%	±0.5%

气象、光伏、光热配置选型

应用	测量参数		测量仪器
	基础	高级
勘察	POA、GHI（可选）	DNI、GHI、DHI、气象情况、数据记录仪	太阳自动跟踪器：STR-21G或STR-22G ISO 9060 *类太阳热量计：MS57 ISO 9060 一级标准日射强度计：MS60或MS410 ISO 9060 二级标准日射强度计：MS802、MS80或ER08S 气象站：风速、风向、温度、湿度、气压、雨量
小型固定式光伏	POA、GHI（可选）		智能日射强度计MS40M、MS60M或MS80M
中型固定式光伏	DNI、GHI、数据记录仪	POA、GHI，至少两个地点，气象情况、数据记录仪	ISO 9060 二级标准日射强度计：MS40M、MS60M或MS80M 气象站：风速、风向、温度、湿度、气压、雨量
大定固定式光伏	GHI，至少两个地点，分布式POA	POA、GHI、DNI、DHI、分布式POA、气象情况、数据记录仪	太阳自动跟踪器：STR-21G或STR-22G ISO 9060 *类太阳热量计：MS57 ISO 9060 一级标准日射强度计：MS60或MS410 ISO 9060 二级标准日射强度计：MS802、MS80或ER08S 气象站：风速、风向、温度、湿度、气压、雨量
跟踪式光伏	DNI		ISO9060*类太阳热量计：MS57
CPV	DNI、GHI、数据记录仪	DNI、GHI、DHI、气象情况、数据记录仪	太阳自动跟踪器：STR-21G或STR-22G ISO 9060 *类太阳热量计：MS57 ISO 9060 一级标准日射强度计：MS60或MS410 ISO 9060 二级标准日射强度计：MS802、MS80或ER08S 气象站：风速、风向、温度、湿度、气压、雨量
CSP	DNI、GHI、DHI、气象情况、数据记录仪		太阳自动跟踪器：STR-21G或STR-22G ISO 9060 *类太阳热量计：MS57 ISO 9060 一级标准日射强度计：MS60或MS410 ISO 9060 二级标准日射强度计：MS802、MS80或ER08S 气象站：风速、风向、温度、湿度、气压、雨量

总辐射表系列
MS-40/60/80是EKO公司生产的新一代日射强度计，MS-40是二级标准（Second Class），MS-60是一级标准(First Class）， MS-80副基准（Secondary Class），采用全新的设计理念，广泛应用于气象、辐射、能源、光伏、光热、科研、照晒和老化实验等领域。
MS80M / MS60M / MS40M数字型日射强度仪，提供Modbus 485输出
MS80A MS60A MS40A 电流型总辐射表，提供4~20mA输出
MS-602/410/802是EKO公司生产的经典型日射强度计，MS-602是二级标准（Second Class），MS-410是一级标准(First Class）， MS-802副基准（Secondary Class），采用世界先进技术设计，广泛应用于气象、辐射、能源、光伏、光热、科研、照晒和老化实验等领域。
技术指标：

	MS-80	MS-802	MS60	MS-410	MS40
ISO 9060 1990 标准	Secondary Class	Secondary Class	First Class	First Class	Second Class
ISO 9060 2018 标准	Class A	Class A	Class B	Class B	Class C
光谱范围	285-3000nm	285-3000nm	285-3000nm	285-3000nm	285-3000nm
响应时间（95%）	< 0.5 S	< 5 S	< 18 S	< 18 S	< 18 S
响应时间（63%）	< 0.1S	< 1.5 S	< 5 S	< 5 S	< 5 S
热辐射偏移(200W/m²)	< 1W/m²	+6W/m²	< 5W/m²	< 6W/m²	+12W/m²
温度偏移 (5K/hr)	± 1W/m²	±2W/m²	±2W/m²	±2W/m²	± 5W/m²
非稳定性（年变化）	< 0.5%/5year	< 0.5%/year	< 1.5%/year	< 1.5%/year	< 1.5%/year
非线形误差 (在1000W/m²)	< 0.2%	< 0.2%	< 1%	< 1%	< 1 %
方向响应（～80°，@1000W/m²）	< 10W/m²	< 10W/m²	< 18W/m²	< 20W/m²	< 20W/m²
光谱选择性(0.35-1.5µm)	< 3%	< 1%	< 1%	< 1%	< 1%
温度响应(-20for 50°C band)	< 1%	< 1%	< 2%	< 2%	< 3%
倾斜响应(at 1000W/m²)	< 0.2%	< 0.2%	< 2%	< 2%	< 1%
分辨率(µV/W/m²)	7～14	7～14	7～14	7～14	7～14
阻抗 (Ω)	～45000	～500	～100	～100	～100
测量范围	0-4000W/m²	0-4000W/m²	0-2000W/m²	0-2000W/m²	0-2000W/m²
信号输出	0～40mV	0～40mV	0～20mV	0～20mV	0～20mV
视角	180°	180°	180°	180°	180°
防护等级	IP67	IP67	IP67	IP67	IP67
工作温度	-40～+80℃	-40～+80℃	-40～+80℃	-40～+80℃	-40～+80℃
工作湿度	0～100% RH	0～100% RH	0～100% RH	0～100% RH	0～100% RH
线缆长度	10m	10m	10m	10m	10m
Modbus 485输出	MS-80M	-----	MS-60M	----	MS-40M
4~20mA输出	MS-80A	-----	MS-60A	----	MS-40A

直接辐射传感器
EKO新一代高精度直接辐射传感器（MS-57，ISO一级），该辐射传感器具有国际上*快的响应速度，95%响应时间小于0.2s，99%响应时间小于0.5s。五年内设备的不稳定性小于0.5%，五年之内，仅需要标定一次。传感器观测误差小于0.9%。该传感器配合STR-21G/22G高精度太阳追踪系统（追踪精度0.01°），可以胜任CSP/CPV等聚光电站太阳能资源评估、选址、运维、科研等任务。
技术指标

	MS-57
ISO 9060标准	First Class
光谱范围	200-4000nm
响应时间（95%）	< 0.2 S
响应时间（99%）	< 0.5S
热辐射偏移(200W/m²)	0W/m²
温度偏移 (5K/hr)	< 1W/m²
非稳定性（年变化）	< 0.5%/5year
非线形误差 (在1000W/m²)	< 0.2%
光谱选择性(0.35-1.5µm)	± 1%
温度响应(-20for 50°C band)	< 0.5%
倾斜响应(at 1000W/m²)	< 0.2%
分辨率(µV/W/m²)	7～14
阻抗 (Ω)	～15000
测量范围	0-4000W/m²
信号输出	0～40mV
视角	180°
防护等级	IP67
工作温度	-40～+80℃
工作湿度	0～100% RH
线缆长度	10m

EKO BL-01 日照传感器
BL-01日照计是日本EKO公司生产的新型记录日照时长的传感器，设计简单，其工作原理类似于人眼一样判断太阳光线，甚至可以通过黄昏或者黎明来确定日照时长，穹顶反射的光线通过一个特殊的滤光片照射到Lux传感器上，通过一个科学的计算方法，来推导阳光的照射，这种测量方法局限于WMO标准。BL-01日照计它是一款智能的日照传感器，能够高精度测量日照时间（不确定度为每天0.3小时）。该传感器易于安装，可在全球范围内应用，广泛应用于气象、海洋、科研、光伏和新能源等领域。
技术指标：
工作区域：纬度（-90°~+90°）；经度（0-360°）
光谱范围：300-800nm
校正不确定度：<0.3h/day
信号输出：5V/1V 、20mA/4mA或开关量
工作环境：-20~+50℃
供电：12-30V
功耗：<0.5W
防护等级：IP65
尺寸：160x100x83 / Ø83x74 mm

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