سولارمیتر چیست : ابزاری دقیق برای سنجش تابش خورشیدی

در دنیای امروز که توجه به انرژی های تجدیدپذیر بیش از پیش اهمیت یافته اندازه گیری دقیق و قابل اعتماد تابش خورشیدی به یک ضرورت اساسی تبدیل شده است. سولارمیتر به عنوان ابزاری حیاتی در این زمینه نقش کلیدی در ارزیابی و بهره برداری از انرژی خورشیدی ایفا می کند پیشنهاد خیلی از فروشندگان ادوات کشاورزی من جمله هامین کشت haminkesht.com به مشتریانی که قصد خرید روتیواتور دارند میباشد. سولارمیتر دستگاهی است که برای اندازه گیری چگالی توان تابشی خورشید (به وات بر متر مربع – W/m²) بر روی یک سطح معین طراحی شده است. این ابزار دقیق اطلاعات ضروری را برای طیف گسترده ای از کاربردها از جمله مطالعات هواشناسی ارزیابی عملکرد سیستم های فتوولتائیک کشاورزی دقیق و تحقیقات علمی فراهم می کند.

تعریف و عملکرد فنی سولارمیتر

سولارمیتر (Solarimeter) که گاهی اوقات پیرانومتر (Pyranometer) نیز نامیده می شود یک ابزار سنجش تابش است که برای اندازه گیری تابش کل خورشیدی (Global Solar Radiation) بر روی یک سطح افقی طراحی شده است. تابش کل خورشیدی شامل تابش مستقیم خورشید تابش پراکنده آسمان و تابش بازتابیده از زمین و محیط اطراف است. عملکرد فنی سولارمیتر بر اساس اصول فیزیکی مختلفی استوار است اما رایج ترین نوع آن از سنسورهای ترموپیل (Thermopile sensors) یا سلول های فتوولتائیک (Photovoltaic cells) برای تبدیل انرژی تابشی به سیگنال الکتریکی استفاده می کند.

اصل عملکرد ترموپیل : سنسورهای ترموپیل بر مبنای اثر سیبک (Seebeck effect) کار می کنند. این اثر فیزیکی بیان می دارد که وقتی دو فلز غیرهمجنس در دو نقطه با دماهای متفاوت به هم متصل شوند یک ولتاژ الکتریکی در مدار ایجاد می شود که متناسب با اختلاف دما است. در سولارمیترهای ترموپیل سطح جاذب سیاه رنگ سنسور تابش خورشیدی را جذب کرده و گرم می شود. این گرما به محل اتصال گرم ترموپیل منتقل شده و در مقابل محل اتصال سرد آن در تماس با بدنه دستگاه و در دمای محیط قرار دارد. اختلاف دمای ایجاد شده بین اتصالات گرم و سرد ولتاژی متناسب با شدت تابش خورشیدی تولید می کند. این ولتاژ بسیار ضعیف است و نیاز به تقویت و پردازش توسط مدارهای الکترونیکی دارد.

اصل عملکرد سلول فتوولتائیک : سولارمیترهای مبتنی بر سلول فتوولتائیک از اثر فتوولتائیک (Photovoltaic effect) برای تبدیل نور به الکتریسیته بهره می برند. در این نوع سولارمیتر یک سلول خورشیدی سیلیکونی یا مواد نیمه رسانای دیگر در معرض تابش خورشیدی قرار می گیرد. فوتون های نور خورشید با برخورد به سلول الکترون ها را تحریک کرده و جریان الکتریکی ایجاد می کنند. شدت این جریان الکتریکی مستقیماً با شدت تابش خورشیدی متناسب است. این جریان نیز توسط مدارهای الکترونیکی تقویت و پردازش می شود تا مقدار تابش خورشیدی به صورت دقیق اندازه گیری شود.

اجزای اصلی و اصول کارکرد آن

سولارمیترها از اجزای مختلفی تشکیل شده اند که هر کدام نقش مهمی در عملکرد دقیق و قابل اعتماد دستگاه ایفا می کنند. اجزای اصلی یک سولارمیتر عبارتند از :

1. سنسور تابش (Radiation Sensor) : این بخش قلب سولارمیتر است و مسئول تبدیل انرژی تابشی به سیگنال قابل اندازه گیری است. همانطور که پیشتر ذکر شد سنسورهای ترموپیل و سلول های فتوولتائیک رایج ترین انواع سنسورهای مورد استفاده در سولارمیترها هستند.
• سنسور ترموپیل : این سنسورها به دلیل پاسخ طیفی وسیع و پایداری بالا برای اندازه گیری تابش کل خورشیدی بسیار مناسب هستند. سطح جاذب آنها معمولاً با پوشش سیاه رنگی پوشانده می شود تا جذب تابش در طیف وسیعی از طول موج ها به حداکثر برسد.
• سنسور سلول فتوولتائیک : این سنسورها به دلیل ساختار ساده تر و قیمت پایین تر در کاربردهای خاص و سولارمیترهای ارزان قیمت مورد استفاده قرار می گیرند. با این حال پاسخ طیفی آنها محدودتر از ترموپیل ها بوده و ممکن است دقت کمتری در اندازه گیری تابش کل خورشیدی داشته باشند.
2. مدار الکترونیکی (Electronic Circuitry) : سیگنال الکتریکی تولید شده توسط سنسور تابش بسیار ضعیف است و نیاز به تقویت و پردازش دارد. مدار الکترونیکی سولارمیتر شامل بخش های زیر است :
• تقویت کننده (Amplifier) : ولتاژ یا جریان ضعیف سنسور را تقویت کرده و به سطح قابل پردازش می رساند.
• فیلتر (Filter) : نویز و اختلالات الکتریکی موجود در سیگنال را حذف می کند تا اندازه گیری دقیق تری حاصل شود.
• مدار جبران سازی دما (Temperature Compensation Circuit) : عملکرد سنسورهای تابش ممکن است تحت تأثیر تغییرات دما قرار گیرد. مدار جبران سازی دما این اثر را به حداقل می رساند و دقت اندازه گیری را در دماهای مختلف حفظ می کند.
• مدار خطی سازی (Linearization Circuit) : رابطه بین سیگنال خروجی و تابش خورشیدی ممکن است کاملاً خطی نباشد. مدار خطی سازی این رابطه را خطی کرده و دقت اندازه گیری را بهبود می بخشد.
3. محفظه و محافظ (Housing and Shield) : اجزای داخلی سولارمیتر باید از عوامل محیطی مانند رطوبت گرد و غبار باران و تابش مستقیم خورشید محافظت شوند. محفظه سولارمیتر معمولاً از جنس فلز یا پلاستیک مقاوم در برابر UV ساخته می شود و دارای ویژگی های زیر است :
• گنبد شیشه ای (Glass Dome) : بسیاری از سولارمیترها دارای یک یا دو گنبد شیشه ای شفاف هستند که از سنسور تابش در برابر باران برف و گرد و غبار محافظت می کنند. این گنبدها باید از جنس شیشه ای با کیفیت بالا و با ضریب شکست مناسب باشند تا کمترین میزان تابش را منعکس یا جذب کنند.
• سایه بان (Sun Shield) : برخی سولارمیترها دارای سایه بان هایی هستند که از تابش مستقیم خورشید به بدنه دستگاه جلوگیری می کنند و دمای داخلی را کاهش می دهند. این امر به کاهش خطای اندازه گیری ناشی از اثر دما کمک می کند.
• تراز (Leveling Mechanism) : برای اطمینان از قرارگیری صحیح سولارمیتر در حالت افقی مکانیزم تراز در بدنه دستگاه تعبیه شده است. تراز بودن سولارمیتر برای اندازه گیری دقیق تابش کل خورشیدی ضروری است.
• مواد خشک کننده (Desiccant) : برای جلوگیری از تجمع رطوبت در داخل محفظه و روی گنبد شیشه ای از مواد خشک کننده مانند سیلیکاژل در داخل دستگاه استفاده می شود.
4. خروجی و اتصال (Output and Connection) : سولارمیترها معمولاً دارای خروجی های آنالوگ (ولتاژ یا جریان) یا دیجیتال (مانند RS-۴۸۵ یا Modbus) هستند که می توانند به سیستم های داده برداری (Data Acquisition Systems – DAS) یا نمایشگرهای دیجیتال متصل شوند. نوع خروجی و اتصال به کاربرد و سیستم مانیتورینگ مورد استفاده بستگی دارد.

کاربردهای صنعتی و مثال هایی از صنایع مختلف

سولارمیترها به دلیل قابلیت اندازه گیری دقیق و قابل اعتماد تابش خورشیدی در صنایع و کاربردهای گوناگونی مورد استفاده قرار می گیرند. برخی از مهم ترین کاربردهای صنعتی سولارمیترها عبارتند از :

1. صنعت انرژی خورشیدی : سولارمیترها نقش حیاتی در توسعه و بهره برداری از انرژی خورشیدی ایفا می کنند.
• ارزیابی پتانسیل خورشیدی : در مراحل اولیه پروژه های نیروگاه های خورشیدی سولارمیترها برای اندازه گیری تابش خورشیدی در مناطق مختلف و ارزیابی پتانسیل خورشیدی هر منطقه به کار می روند. این اطلاعات برای انتخاب مکان مناسب نیروگاه و تخمین میزان تولید انرژی ضروری است.
• مانیتورینگ عملکرد نیروگاه های خورشیدی : در نیروگاه های فتوولتائیک و حرارتی خورشیدی سولارمیترها به طور مداوم تابش خورشیدی را اندازه گیری می کنند. این اطلاعات برای مانیتورینگ عملکرد نیروگاه شناسایی مشکلات احتمالی و بهینه سازی تولید انرژی استفاده می شود. به عنوان مثال مقایسه تابش اندازه گیری شده با توان تولیدی نیروگاه می تواند نشان دهنده کاهش بازدهی پنل ها یا سیستم های حرارتی باشد.
• تست و ارزیابی پنل های خورشیدی : در آزمایشگاه های تست پنل های خورشیدی سولارمیترها برای اندازه گیری دقیق تابش خورشیدی شبیه سازی شده و ارزیابی عملکرد پنل ها در شرایط استاندارد تست (STC) مورد استفاده قرار می گیرند.
2. کشاورزی و گلخانه ها : اندازه گیری تابش خورشیدی در کشاورزی و گلخانه ها اهمیت زیادی دارد.
• مدیریت آبیاری : اطلاعات تابش خورشیدی به همراه سایر پارامترهای هواشناسی برای محاسبه تبخیر و تعرق گیاهان و برنامه ریزی آبیاری بهینه مورد استفاده قرار می گیرد. آبیاری دقیق و متناسب با نیاز گیاهان باعث صرفه جویی در مصرف آب و افزایش بهره وری کشاورزی می شود.
• کنترل شرایط محیطی گلخانه ها : در گلخانه های مدرن سولارمیترها به همراه سنسورهای دیگر مانند دما و رطوبت برای کنترل شرایط محیطی داخل گلخانه به کار می روند. با اندازه گیری تابش خورشیدی سیستم کنترل گلخانه می تواند به طور خودکار سایه بان ها سیستم های تهویه و گرمایش را تنظیم کند تا شرایط ایده آل برای رشد گیاهان فراهم شود.
• مطالعات رشد گیاهان : محققان کشاورزی از سولارمیترها برای اندازه گیری تابش خورشیدی دریافتی گیاهان در آزمایش های میدانی و گلخانه ای استفاده می کنند. این اطلاعات برای بررسی تأثیر تابش خورشیدی بر رشد نمو و عملکرد گیاهان ضروری است.
3. هواشناسی و اقلیم شناسی : سولارمیترها ابزاری اساسی در ایستگاه های هواشناسی و تحقیقات اقلیم شناسی هستند.
• اندازه گیری تابش خورشیدی در ایستگاه های هواشناسی : ایستگاه های هواشناسی در سراسر جهان از سولارمیترها برای اندازه گیری تابش خورشیدی به عنوان یکی از پارامترهای اصلی هواشناسی استفاده می کنند. این اطلاعات برای پیش بینی وضع هوا مدل سازی آب و هوا و پایش تغییرات اقلیمی ضروری است.
• مطالعات تغییرات اقلیمی : داده های بلندمدت تابش خورشیدی جمع آوری شده توسط سولارمیترها برای بررسی تغییرات در الگوهای تابش خورشیدی و تأثیر آن بر اقلیم زمین مورد استفاده قرار می گیرد. این مطالعات به درک بهتر پدیده گرمایش جهانی و تغییرات اقلیمی کمک می کند.
• تحقیقات جوی : سولارمیترها در تحقیقات جوی برای اندازه گیری تابش خورشیدی در ارتفاعات مختلف جو و بررسی اثرات ذرات معلق و ابر بر تابش خورشیدی استفاده می شوند.
4. صنعت ساختمان و معماری : در صنعت ساختمان و معماری سولارمیترها برای طراحی ساختمان های کم مصرف و بهینه سازی مصرف انرژی مورد استفاده قرار می گیرند.
• تحلیل انرژی ساختمان : معماران و مهندسان ساختمان از داده های تابش خورشیدی برای تحلیل انرژی ساختمان و تخمین میزان گرمایش و سرمایش مورد نیاز ساختمان در طول سال استفاده می کنند. این اطلاعات به طراحی ساختمان های کم مصرف و بهینه سازی سیستم های HVAC (Heating, Ventilation, and Air Conditioning) کمک می کند.
• طراحی سیستم های روشنایی طبیعی : با استفاده از اطلاعات تابش خورشیدی می توان سیستم های روشنایی طبیعی ساختمان را به گونه ای طراحی کرد که از نور خورشید بهینه استفاده شود و نیاز به روشنایی مصنوعی کاهش یابد.
• ارزیابی عملکرد سیستم های خورشیدی ساختمان : سولارمیترها برای مانیتورینگ عملکرد سیستم های خورشیدی نصب شده بر روی ساختمان ها مانند سیستم های گرمایش آب خورشیدی و سیستم های فتوولتائیک یکپارچه با ساختمان (BIPV) مورد استفاده قرار می گیرند.
5. صنعت مواد و پوشش ها : در صنعت مواد و پوشش ها سولارمیترها برای تست دوام و پایداری مواد در برابر تابش خورشیدی مورد استفاده قرار می گیرند.
• تست های تسریع شده پیری (Accelerated Weathering Tests) : سولارمیترها در دستگاه های تست تسریع شده پیری برای اندازه گیری دقیق تابش UV و تابش کل خورشیدی که نمونه های مواد در معرض آن قرار می گیرند استفاده می شوند. این تست ها به ارزیابی دوام رنگ استحکام مکانیکی و سایر خواص مواد در شرایط تابش خورشیدی طولانی مدت کمک می کنند.
• تحقیقات مواد جدید : محققان مواد از سولارمیترها برای بررسی اثر تابش خورشیدی بر خواص مواد جدید و توسعه مواد مقاوم تر در برابر تابش UV و شرایط آب و هوایی مختلف استفاده می کنند.

بررسی استانداردهای بین المللی و فناوری های پیشرفته مرتبط

برای اطمینان از دقت و قابلیت اطمینان اندازه گیری های تابش خورشیدی استانداردهای بین المللی و فناوری های پیشرفته ای در زمینه سولارمیترها توسعه یافته اند. برخی از مهم ترین استانداردها و فناوری ها عبارتند از :

1. استاندارد ISO ۹۰۶۰ : این استاندارد بین المللی الزامات و روش های آزمون مربوط به پیرانومترها (سولارمیترها) را مشخص می کند. استاندارد ISO ۹۰۶۰ پیرانومترها را بر اساس عملکرد و ویژگی های آنها به سه کلاس تقسیم می کند :
• پیرانومترهای ثانویه استاندارد (Secondary Standard Pyranometers) : این کلاس بالاترین دقت را دارد و برای کاربردهای مرجع و اندازه گیری های دقیق در تحقیقات علمی و هواشناسی استفاده می شود.
• پیرانومترهای کلاس اول (First Class Pyranometers) : این کلاس دقت بالایی دارد و برای کاربردهای صنعتی و تجاری که نیاز به دقت قابل قبول دارند مناسب است.
• پیرانومترهای کلاس دوم (Second Class Pyranometers) : این کلاس دقت کمتری نسبت به دو کلاس قبلی دارد و برای کاربردهای عمومی و آموزشی که دقت بالا الزامی نیست مورد استفاده قرار می گیرد.

استاندارد ISO ۹۰۶۰ پارامترهای مختلفی مانند پاسخ طیفی پاسخ زاویه ای اثر دما غیرخطی بودن و زمان پاسخ را برای هر کلاس پیرانومتر مشخص می کند و روش های آزمون برای ارزیابی این پارامترها را ارائه می دهد.

1. سازمان جهانی هواشناسی (WMO) : سازمان جهانی هواشناسی رهنمودها و توصیه هایی را برای اندازه گیری تابش خورشیدی در شبکه های هواشناسی جهانی منتشر کرده است. این رهنمودها شامل مشخصات فنی مورد نیاز برای سولارمیترها روش های نصب و نگهداری و رویه های کالیبراسیون است.
2. پیرانومترهای پیشرفته : فناوری های پیشرفته ای در طراحی و ساخت سولارمیترها به کار گرفته شده اند که دقت پایداری و قابلیت اطمینان آنها را بهبود بخشیده اند. برخی از این فناوری ها عبارتند از :
• پیرانومترهای طیفی تخت (Spectrally Flat Pyranometers) : این نوع پیرانومترها دارای پاسخ طیفی یکنواخت در طیف وسیعی از طول موج های خورشیدی هستند. این ویژگی باعث می شود که اندازه گیری تابش کل خورشیدی با دقت بیشتری انجام شود و خطای ناشی از تغییرات طیفی تابش خورشیدی به حداقل برسد.
• پیرانومترهای دیجیتال (Digital Pyranometers) : این نوع پیرانومترها دارای مدارهای الکترونیکی دیجیتال داخلی هستند که سیگنال خروجی را به صورت دیجیتال تبدیل کرده و امکان ارتباط مستقیم با سیستم های داده برداری دیجیتال را فراهم می کنند. پیرانومترهای دیجیتال معمولاً دقت بالاتری نسبت به پیرانومترهای آنالوگ دارند و کمتر تحت تأثیر نویز و اختلالات الکتریکی قرار می گیرند.
• پیرانومترهای هوشمند (Smart Pyranometers) : این نوع پیرانومترها علاوه بر اندازه گیری تابش خورشیدی قابلیت های دیگری مانند اندازه گیری دما شیب و جهت را نیز دارند. آنها همچنین ممکن است دارای قابلیت های ارتباطی بی سیم و پردازش داده های داخلی باشند. پیرانومترهای هوشمند برای کاربردهای پیشرفته مانند شبکه های مانیتورینگ تابش خورشیدی و سیستم های کنترل هوشمند مناسب هستند.
• پیرلیومترها (Pyrheliometers) : پیرلیومترها نوع دیگری از ابزارهای اندازه گیری تابش خورشیدی هستند که برای اندازه گیری تابش مستقیم نرمال (Direct Normal Irradiance – DNI) خورشید طراحی شده اند. تابش مستقیم نرمال تابشی است که مستقیماً از خورشید به سطح سنسور می رسد و عمود بر سطح است. پیرلیومترها معمولاً دارای یک لوله محدودکننده میدان دید هستند که فقط تابش مستقیم خورشید را دریافت می کنند و تابش پراکنده آسمان را حذف می کنند. پیرلیومترها برای کاربردهایی مانند نیروگاه های حرارتی خورشیدی متمرکز (CSP) که نیاز به اندازه گیری دقیق تابش مستقیم خورشید دارند ضروری هستند.

amazon