داده های تابش خورشیدی به اشکال مختلف و برای اهداف مختلف استفاده می شود. اندازه گیری تابش برای تعیین بازده تبدیل لوازم خورشیدی مورد نیاز است. مشخصات و طبقه بندی این ابزارها به منظور امکان مقایسه داده های تابش خورشید به صورت جهانی مورد نیاز است. علاوه بر این ، این طبقه بندی برای کمک به کاربران نهایی، مصرف کنندگان و نهادهای مورد نیاز با انتخاب یا مقایسه ابزارها ، برای محافظت از کاربران نهایی، مصرف کنندگان و ایجاد شرایط مناسب برای تولید کنندگان است. میزان تابش خورشید در سطح زمین را می توان به صورت ابزاری اندازه گیری کرد و اندازه گیری دقیق برای تهیه داده های خورشیدی پس زمینه برای کاربردهای تبدیل انرژی خورشیدی مهم است.

تابش خورشیدی

تابش بر حسب وات بر متر مربع (W/m²)، نرخ انرژی تابشی است که بر مساحت واحد یک سطح برخورد می‌کند. تابش خورشیدی، تابشی است که از خورشید در محدوده طول موج 0.3 تا 3 میکرومتر منشا می‌گیرد. تابش خورشید شامل هر دو پرتو(مستقیم) و اجزای منتشر(پراکنده) است. تصویر شماره 2 شار تشعشعات اولیه را در سطح زمین یا در نزدیکی زمین نشان می دهد که در ارتباط با فرآیندهای حرارتی خورشیدی مهم هستند. 

تابش خورشیدی موجود 

قبل از صحبت در مورد سنجش تابش  برای اهداف عملی ، خوب است که ما بررسی کنیم چه نوع تابش طبیعی در دسترس ما است. کسری از شار انرژی که توسط خورشید ساطع می شود و توسط زمین دریافت می شود با ثابت خورشید مشخص می شود. ثابت خورشیدی اساساً اندازه گیری چگالی شار انرژی خورشیدی عمود بر سطح در واحد زمان است. این دقیقاً توسط ماهواره های خارج از جو زمین اندازه گیری می شود. ثابت خورشیدی در حال حاضر 1367 وات بر متر مربع برآورد می‌شود(تصویر شماره3). این عدد در واقع 3٪ تغییر می کند زیرا مدار زمین بیضوی است و فاصله آن از خورشید در طول سال متفاوت است. برخی تغییرات کوچک ثابت خورشیدی نیز به دلیل تغییر درخشندگی خورشید امکان پذیر است. این مقدار اندازه گیری شده شامل همه انواع تشعشعات است که کسر قابل توجهی از آن هنگام عبور نور از جو از بین می‌رود.

هنگامی که تابش خورشید از جو عبور می کند ، جذب ، پراکنده ، منعکس یا منتقل می شود. تمام این فرایندها منجر به کاهش چگالی شار انرژی می شود. در واقع ، تراکم شار خورشیدی در مقایسه با شار تابش فرازمینی در یک روز آفتابی حدود 30 درصد کاهش می یابد و در یک روز ابری تا 90 درصد کاهش می یابد.

در نتیجه ، تابش مستقیم به سطح زمین (یا وسیله ای که روی سطح زمین نصب شده است) هرگز از 83٪ شار انرژی اصلی فرازمینی فراتر نمی رود. این تابش که مستقیماً از دیسک خورشیدی می آید به عنوان تابش پرتو تعریف می شود. تابش پراکنده و منعکس شده ای که از هر جهت به سطح زمین ارسال می شود (منعکس شده از اجسام دیگر ، مولکول ها ، ذرات ، قطرات و غیره) به عنوان تابش منتشر تعریف می شود. مجموع پرتو و اجزای منتشر به عنوان تابش کل (یا جهانی) تعریف می شود.

از طیف تابش خورشید ، فقط قسمت کوچکی به سطح زمین می رسد. بنابراین بیشتر اشعه ایکس و سایر تشعشعات موج کوتاه توسط اجزای جو در یونوسفر جذب می شوند ، ماورا بنفش توسط اوزن جذب می شود و تابش موج بلند نه چندان زیاد توسط CO2 جذب می شود. در نتیجه ، دامنه طول موج اصلی که برای کاربردهای خورشیدی در نظر گرفته می شود از 0.29 تا 5.2 میکرومتر است.

زوایای خورشیدی

رابطه هندسی بین یک صفحه با هر جهت خاص نسبت به زمین و پرتوی تابش خورشیدی درقالب چندین زاویه قابل توصیف است. این زوایا در میزان دریافت پرتوی تابش خورشید توسط صفحه تاثیرگذار هستند(تصویر شماره5).

ابزارهای سنجش تابش خورشیدی

برای اندازه گیری تابش خورشید چند دسته ابزار مهم وجود دارد که در ادامه به معرفی آن ها می‌پردازیم:

سند iso:9060 یکی از مجموعه استانداردهایی است که روش ها و ابزارهایی را برای اندازه گیری تابش خورشید در پشتیبانی از استفاده از انرژی خورشیدی مشخص می کند. در این سند از سه ابزار پیرانومتر، پیرلیومتر و دیفیوزومتر به عنوان سه دسته اصلی ابزار سنجش تابش نور خورشید روی یک سطح نامبرده شده است. هم چنین به ابزارهای آلبدومتر و تابش سنج های دیجیتالی در ادامه اشاره خواهیم کرد.

ابزار اندازه گیری تابش کل خورشید (پرتو مستقیم بعلاوه پراکنده) را پیرانومتر می نامند و ابزاری است که بیشتر داده های موجود در مورد تابش خورشید از آن بدست می آید(تصویر شماره6). آشکارسازهای این ابزارها باید پاسخی مستقل از طول موج تابش روی طیف انرژی خورشیدی داشته باشند. علاوه بر این ، آنها باید پاسخی مستقل از زاویه بروز تابش خورشید داشته باشند. به سادگی گفته می شود پیرانومتر وسیله ای است که تابش خورشید را از یک میدان دید نیم کره ای(180 درجه ای) که روی یک سطح صاف اتفاق می افتد اندازه گیری می کند. واحد تابش SI وات بر متر مربع (W/m²) است.

آشکارسازهای اکثر پیرانومترها با یک یا دو روکش شیشه ای نیم کره ای پوشانده شده اند تا از آنها در برابر باد و سایر اثرات خارجی محافظت کنند. پوشش ها باید از نظر ضخامت بسیار یکنواخت باشند تا باعث توزیع ناهموار تشعشع در آشکارسازها نشوند.

از پیرانومترهای دیجیتال برای ثبت و تجزیه و تحلیل داده های تابش استفاده می شود. آنها معمولاً قادر به بیرون راندن داده ها به صورت سریال هستند. همانطور که در تصویر زیر نشان داده شده است ، پیرانومترهای دیجیتال ممکن است برای اندازه گیری های میدانی دستی باشند.

در بسیاری از موارد سطح مورد نظر افقی است به گونه ای که میدان دید نیم کره با گنبد آسمان مطابقت دارد. در این حالت مقدار اندازه گیری شده اصطلاحاً تابش افقی جهانی (GHI) است که به عنوان مثال با ↓h نشان داده می شود (تصویر سمت چپ). در بعضی موارد سطح کج می شود ، به عنوان مثال در کاربردهای فتوولتائیک که سطح اغلب با صفحه آرایه (POA) صفحات خورشیدی مطابقت دارد (به عنوان مثال تصویر  سمت راست را ببینید). در این حالت مقدار اندازه گیری شده تابش کج جهانی (GTI) است که به عنوان مثال با ↓ t نشان داده می شود.

یک مورد خاص در مواردی است که سطح افقی باشد ، اما پیرانومتر به جای آسمان به سمت پایین است. در این حالت مقدار اندازه گیری شده بازتاب انتشار موج های کوتاه از سطح زمین است که با Er مشخص می شود(تصویر شماره10)[6].

دیفیوزومتر(diffusometer)

در استاندارد iso:9060، دیفیوزومتر به عنوان یک نوع تابش سنج خورشیدی معرفی شده است. یک حلقه سایه به رنگ سیاه در ترکیب با پیرانومتر برای تشکیل "دیفیوزومتر" استفاده می شود. این حلقه از رسیدن تابش مستقیم به پیرانومتر از طلوع تا غروب خورشید جلوگیری می کند ، به طوری که پیرانومتر سایه دار فقط تابش پراکنده را اندازه گیری می کند.

ساختار سایه بان می تواند یک توپ سایه بان(تصویر شماره25) ، یک دیسک سایه بان ، یک حلقه سایه بان ، یک سایه چرخان یا یک ماسک سایه بان باشد. گلوله ها و دیسک های سایه انداز باید به ردیاب خورشیدی متصل شوند و به گونه ای قرار گرفته اند که برای تمام موقعیت های خورشیدی در طول روز روی سنسور سایه می زند. حلقه های سایه زنی باید تقریباً هر دو روز تنظیم شود. حلقه های سایه زنی نه تنها از تابش مستقیم بلکه از رسیدن بخشی از اشعه منتشر به پیرانومتر جلوگیری می کند و فقط تقریب تابش پراکنده قابل اندازه گیری است.

آلبدومتر(Albedomter)

آلبدومتر ابزاری است که برای اندازه گیری آلبدو (تابش منعکس کننده) سطح مورد استفاده قرار می گیرد. از آلبدومتر بیشتر برای اندازه گیری بازتاب سطح زمین استفاده می شود. غالباً از دو پیرانومتر تشکیل شده است: یکی رو به بالا به آسمان و دیگری رو به پایین به سمت سطح. از نسبت تابش ورودی و منعکس کننده می توان آلبدو را محاسبه کرد. پیرانومتر رو به بالا میزان تابش خورشید جهانی را اندازه گیری می کند. پیرانومتر رو به پایین تابش سطح را اندازه گیری می کند. نسبت تابش شده به تابش جهانی آلبدوی خورشیدی است و به خصوصیات سطح و توزیع جهت دار تابش خورشیدی بستگی دارد. آلبدوهای سطوح معمولی از 4٪ برای آسفالت تازه و 15٪ برای چمن سبز تا 90٪ برای برف تازه متغیر است.

در تصویر شماره زیر نحوه نصب و استفاده از دستگاه آلبدومتر برای سنجش میزان انعکاس آورده شده است.

تابش سنج دیجیتالی خورشید (Digital solar radiation meter)

متر تشعشع خورشیدی دیجیتال وسیله ای برای معماران و کسانی است که در زمینه مهندسی خورشید فعالیت می‌کنند. این متر تابش خورشیدی، انرژی خورشیدی را اندازه گیری می‌کند. پارامترهایی مانند جریان و ولتاژ را می‌توان با یک مولتی متر اختیاری با داده سنج دستگاه اندازه گیری کرد. این به کاربر اجازه می دهد تا در مدت زمان طولانی اندازه گیری هایی را انجام دهد تا ترکیب و طرح سیستم فتوولتائیک را تعیین کند. شدت نور با استفاده از یک کریستال سیلیکون اندازه گیری می شود. مهمترین پارامتر Ptot (W/m²) است و به وضوح در صفحه نمایش دیده می شود. داده های ذخیره شده در حافظه داخلی از طریق نرم افزار و اتصال کابل می توانند به کامپیوتر منتقل شوند. این متر تابش خورشیدی برای استفاده در خارج ساختمان ساخته شده و از یک محفظه بادوام ساخته شده است که در برابر آب و هوا مقاوم است. طراحی جمع و جور آن، آن را به یک وسیله ارگونومیک تبدیل کرده است.

استانداردها

ابزارهایی که برای اندازه گیری تابش خورشید استفاده می شوند ممکن است در تولید ، استفاده و آزمایش با استانداردهای مختلف کنترل شوند. چند استاندارد در زیر ذکر شده است. استاندارد [5]ISO 9060 سندی است که معمولاً برای طبقه بندی و استفاده از سنسورهای تابش سنج استفاده می شود.

ISO 9060 - مشخصات و طبقه بندی ابزار اندازه گیری تابش نیمکره خورشیدی و مستقیم خورشید

ASTM E816 - روش آزمون استاندارد برای کالیبراسیون پیرلیومترها در مقایسه با پیرلیومترهای مرجع

ISO 9059 - کالیبراسیون پیرلیومترهای میدانی در مقایسه با پیرلیومتر سنج مرجع

تهیه کننده مقاله آشنایی با ابزارهای تابش سنجش خورشیدی : فهیمه دخانیان