เครื่ องมือที่ใช้วดั รังสี แสงอาทิตย์
โดย น.ส. จุรีพร โสภาพรอมร รหัส 48402620
คณะพลังงานและวัสดุ สายวิชาเทคโนโลยีพลังงาน
gift_scc@hotmail.com
Outline
1.
2.
3.
4.
ประวัติเกีย่ วกับการพัฒนาเครื่องวัดรังสี แสงอาทิตย์ ชนิดต่ างๆ
รายละเอียดและวิธีการวัด
ประเภทของเครื่องมือวัดรังสี แสงอาทิตย์
Pyranometer and Shading device
–
–
–
Spactal Pyranometer and ventilation
Ultraviolet Pyranometer
Star Pyranometer
การตรวจวัดรังสี ดวงอาทิตย์
รังสี ตรง (Direct solar radiation) รังสี ที่ส่องตรงมาที่ผวิ โลก
รังสี กระจาย(Diffuse solar radiation) รังสี ที่กระจัดกระจายในท้ องฟ้า
รังสี รวม(Global radiation) ผลรวมของรังสี ตรงและกระจาย โดยวัดจากพืน้ ราบ
รังสี รวม (Total radiation) ผลรวมของรังสี ตรงและกระจาย โดยวัดจากพืน้ เอียง
รังสี โลก (Terrestrial radiation)เป็ นพลังงานแม่ เหล็กไฟฟ้าคลืน่ ยาวที่ปลดปล่ อย
ออกทีผ่ วิ โลก และโดยก๊าซต่ างๆ ฝุ่ นละออง และเมฆในบรรยากาศ
รังสี ดวงอาทิตย์ (Solar Radiation)เป็ นพลังงานที่ปล่ อยออกมาจากดวงอาทิตย์ รังสี
ดวงอาทิตย์ ที่ตกกระทบขอบบรรยากาศเรียกว่ า รังสี ที่นอกโลก (Extraterrestrial
Solar Radiation) ซึ่ง ประกอบด้ วย ช่ วงคลืน่ สั้ น ตั้งแต่ 290-300 นาโนเมตร ถึง 97
เปอร์ เซ็นต์
ประวัติการพัฒนาเครื่ องวัดรังสี แสงอาทิตย์แบบคร่ าวๆ
การพัฒนาเครื่ อง pyrheliometer
Budapest, Hungary เริ่ มต้นตั้งแต่ปี1983
International pyrheliometer comparison,
Davos, Switzerland 2000
The example screen of HF
calibration program
Platform of radiometric sensors
and solar tracker
ประเภทของเครื่ องมือวัดรังสี แสงอาทิตย์
• สาหรับวัดรังสี ตรง
• สาหรับวัดรังสี รวม
• Pyrheliometer
• Pyranometer
• สาหรับวัดรังสี กระจาย
• Pyranometer
• ชัว่ โมงที่มีแดด
• Sunshine Recorder
Pyranometer
ทีม่ า http://www.campbellsci.ca/CampbellScientific/Catalogue/prfull/CM21.jpg [ 1] ทีม่ าhttp://www.ictinternational.com.au/images/PyranometerDrawing-sm.gif [2]
เป็ นเครื่องมือวัดรังสี รวม ประกอบด้ วยส่ วนที่รับรังสี อาทิตย์ ทีป่ ระกอบด้ วย
1. thermopile หลายชุ ดต่ ออนุกรมกัน
2. โดมแก้วครึ่งวงกลม2ชั้น
3. จานกลมสี ขาวใต้ โดมแก้ว
Pyranometer
•เ มื่ อ มี รั ง สี อ า ทิ ต ย์ ต ก ก ร ะ ท บ
thermopile
ด้ านสี ขาวจะมี
คุ ณ สมบัติส ะท้ อ นรั งสี แ สงอาทิ ตย์ ที่ ตก
กระทบ ด้ า นสี ด ามี ส มบั ติ ดู ด กลื น รั ง สี
แสงอาทิตย์ เมื่อมีรังสี อาทิตย์ ต กกระทบ
ทาให้ เกิดความแตกต่ างระหว่ างอุณหภูมิ
ของผิ
ว ทั้ ง สองท
าให้ เ กิอดยูแรงดั
น ไฟฟ้ า ว
thermopile
บรรจุ
่ ใ นโดมแก้
เ นื่ อ ง จ า ก ป ร า ก ฎ ก า ร ณ์
ครึ
่ งวงกลม 2ชั้ นซึ่ แรงดั
งท าหน้
thermoelectric
น ไฟฟ้าที
า ่
ทีป้ ่ไองกั
ด้ จะมีนค่าฝุ่ประมาณ5-10
มิลลิญ
โวลต์
น,ลมและการสู
เสี ย
ต่ อแคลอรีตารางเซนติเมตร-นาที
ความร้ อนเนื่ อ งจากการพาและ
ใต้การแผ่
โ ดมแก้
วสีจะมี จ านกลมสี ข าว
ร
ั
ง
สวมอยู่ ท าหน้ าที่ ป้ องกั น รั ง สี
กระจายที่สะท้ อนจากพืน้ ดิ นและ
สิ งแวดล้อมเพือ่ ให้ รังสี ที่ได้ รับจาก
ดวงอาทิตย์มาจากท้ องฟ้ าเท่ านั้น
ที่มา http://www.powerfromthesun.net/chapter2/Chapter2.htm [3]
SHADING DEVICES
ที่มาhttp://www.cmdl.noaa.gov/star/bodyframe.html [25,26]
ใช้ ร่วมกับ Pyranometer เป็ นแผ่ นวงกลมที่ก้นั ไม่ ให้ รังสี ตรงตกกระทบผิวรับแสงขนาด
ของชิ้นวงกลม ต้ องทาให้ เงาพอดีกับขนาดของผิวรับแสง เนื่องจากการเปลี่ยนทิศทาง
ของรั งสี ตรงตลอดวันชิ้นวงกลมจะต้ องต่ อกับเครื่ องมือตามแสงอาทิตย์ เงาของชิ้น
วงกลมจะตกบนผิวรับแสงจลอดวัน รงสี บนผิวรับแสงจึงเป็ นเฉพาะรังสี กระจาย
Spectral Pyranometer
•
ทีม่ าhttp://www.cmdl.noaa.gov/star/bodyframe.html [4]
ที่มาwww.risoe.dk/.../ instrumentation/calibration.htm [5]
• ในการวัดรังสี แสงอาทิตย์ ชนิด Spectral Pyranometer จะมีขดลวดไฟฟ้ าที่มีการเชื่อมต่ อหลายทาง
เพื่อเป็ นการป้ องกันการสั่ นสะเทือนและกระแทกอย่ างรุ นแรงของเครื่ องกลโดยจะปกคลุมกับตัว
thermopileลวดโลหะสี ดา(ดูดกลืนแสงอาทิตย์ ) อุปกรณ์ นี้จะสามารถเคลื่อนย้ ายได้ ขึน้ อยู่กับความ
แม่ นยาของพืน้ ที่และการปรับปรุ งตัวโดมแก้ วครึ่งวงกลมที่คลุมอยู่ โดมแก้ วครึ่ มวงกลมนั้นทาจาก
แก้ ว ชนิ ด WG295 มีค วามโปร่ ง แสงและมีค วามหนาประมาณ 0.285 ถึ ง 2.8µm
VENTILATION
ทีม่ า http://www.cmdl.noaa.gov/star/bodyframe.html [24]
•
The Eppley Ventilator is designed to be used with the Precision Spectral Pyranometer, Model PSP or the Precision Infrared
Radiometer, Model PIR.
A "muffin" fan in the base continuously blows air over both the instrument case and the instrument dome, keeping the
hemispheres cleaner from frost, snow, dew and moisture buildup. The fan provides approximately 30 C FM of ventilation and
draws approximately 0.15 amps, or 11 watts, in the 115 volt configuration. The clear plastic upper housing allows the instrument,
connector, and desiccator window to be easily viewed. A white enameled guard disk, leveling screws and hold down holes are
provided. The 8 inch diameter, 5.75 inch high ventilator weighs 5.5 pounds.
Ultraviolet Pyranometer
ที่มา http://www.yesinc.com/products/data/uvb1/[6,7]
• UVB-1 and UVA-1 Pyranometers
เป็ นเครื่ อ งมื อ ทางอุ ตุ นิ ย มวิ ท ยาที่ มี
ความแม่ นยาสาหรั บการวัดผลกระทบ
ของรังสี อตั ตร้ าไวโอเลตชนิด AและB
ทีม่ ีต่อทางชีววิทยา
The UVB-1 Ultraviolet Pyranometer
•รั งสี แสงอาทิตย์ ท้ั งแบบ
รังสี ตรงและรังสี กระจาย
จะผ่ านเข้ าไปในแก้ วโดม
เพื่ อ ส่ งต่ อUVที่ ส ภาพ
รังสี ส่งผ่าานที
อากาศต่
างๆแรกUVจะผ่
•ฟิ วเตอร์
น ส่ ่ งผ่ านจากฟิ ว
ชั้ น แก้ ว สี ด าซึเตอร์
่ ง จะทช้ันาการ
แรกซึ่งจะมีปริมาณ
ดู ด•เมื
กลื่ อนแสงสี
แสงทีเรัขี่ มงยสีองเห็
วผ่
านนฟิได้วเตอร์
้ั น ที่ 3องจะ
UV-B
ลดลงชสารเรื
ทั้ ผ่ง านเข้
ห ม ดาไปในหลอดฟลู
ย ก เ ว้ น ส่ ว น อ อเรสเซนต์
แสงจากชั
้ นนีจ้ ะดูดกลืนรังสี
เล็กขณะเดี
ๆน้ อยๆที
เ
่
ป็
นแสงสี
แ
ดง
ยวกันและส่
จะทงาการบล็
คแสงสี แวดงที
ย้อนกลับอไปบางส่
น ่
ส่ งมาโดยblack
เหลือแต่ แglass
สงสี เขียวจะส่ความเข้
งผ่าน ม
แสงฟลูดอท้อเรสเซนต์
น้ั นจะถู่ ย นกวัดโดยสาร
•ขบวนการสุ
า ยจะท าการเปลี
ไปในชั
้
น
ต่
อ
ไป
photodiode(GaAsP),
ซึ่ง
และขยายในรู
ปเสี ยงและส่ งไปตามสาย
จะตอบสนองต่ อสารสี เ ขี ย วแต่ ไม่ ไ วแสง
เป็ นสั ญญาณขาออกต่ อไป
สาหรับแสงสี แดง
ที่มา http://www.yesinc.com/products/data/uvb1/[8]
Star Pyranometer
ใช้ในการวัดรังสี ตรง,รังสี
กระจายและรังสี รวมชนิด
Global radiation
เป็ นอุปกรณ์ที่ช่วยในการทางาน
ของ Star Pyronameter โดยมี
สักษณะเป็ นอากาศเป่ าด้านบน
Standard Pyranometer Calibration
pyrheliometer
ที่มาhttp://www.cmdl.noaa.gov/star/bodyframe.html [9]
ที่มาhttp://www.powerfromthesun.net/chapter2/Chapter2.html [10]
ใช้ วัดรังสี ตรงที่ส่องมายังผิวโลกโดยจะทางานคล้ ายกับเครื่องวัดชนิ ด pyranometer
ต่ างกันตรงที่มีชุดขับเคลือ่ นตามดวงอาทิตย้ เพือ่ ที่จะให้ ผิวรับรังสี ต้ังฉากกับลาแสง
ตลอดเวลา ผิวรับรังสี ติดอยู่ส่วนของท่ อที่ให้ แสงเข้ ามุมรับแสงที่ปากกล้ องมีค่าไม่
เท่ ากันแล้วแต่ บริษัทผู้ผลิต สามารถรับรังสี ตรงได้ เพียงอย่ างเดียว
Spectral pyrheliometer
ทีม่ า http://www.middletonsolar.com/products/product13.htm [11]
ASR-02 Absolute Spectral Radiometer จะบรรจุpyrheliometer sensors3 ชนิดวางเรียงเป็ น
แถวเดียวกันในระบบทที่ถูกปิ ดไว้ อย่ างมิดชิด เซนเซอร์ ท้งั 3 ตัวนั้นจะแสดงผลทางคณิตศาสตร์
(simultaneously)เพือ่ ใช้ ในการเลือกฟิ วเตอร์ เพือ่ ให้ การวัดเป็ นไปด้ วยความแม่ นยา เซนเซอร์ จะ
ทางานอย่ างอิสระและเป็ นการทางานรวมกันของspectrometer, sunphotometer, หรื อ
pyrheliometer
Absolute pyrheliometer
•
Absolute Cavity Pyrheliometer ตัวเซนเซอร์ จะประกอบด้วยช่องคูส่ าหรับรับแสง balanced cavity receiver pair ต่ออยุก่ บั วงจรสายไฟฟ้ าและ
แผงเทอร์โมไพล์ ช่องสาหรับรับแสงนี้จะถูกทาให้เป็ นสี ดาซึ่ งจะดูดซับลมร้อนThe blackened cavity receivers are fitted with
heater windings which allow for absolute operation using the electrical substitution method,
which relates radiant power to electrical power in SI units. The forward cavity views the direct
beam through a precision aperture. The precision aperture area is nominally 50 mm2 and is
measured for each unit. The rear receiver views an ambient temperature blackbody. The HF
radiometer element with baffle tube and blackbody are fitted into an outer tube which acts as
the enclosure of the instrument. The Model AHF has an automatic shutter attached to the outer
tube.
Model HF Control The operation of the cavity radiometer, and the measurement of the required
parameters is performed using an appropriate control box. The control functions include setting
of the calibration heater power level, activation of the calibration heater, selection of the signals
to be measured and control of the meter measurement functions and ranges. The measured
ทีม่ า http://swera.unep.net/swera/index.php?id=34
[12]signal, the heater
ทีม่ าhttp://www.cmdl.noaa.gov/star/bodyframe.html
[13] is
parameters include the thermopile
voltage and the heater current which
measured as the voltage drop across a 10 Ohms precision resistor. The instrument temperature
may also be measured using an internally mounted thermistor. The meter resolution of 100 nV
allows for a thermopile signal equivalent in radiation of approximately 0.1 Wm-2.
Control boxes for manual or manual/automatic are available. The control box can operate either
one radiometer in the measurement mode or two radiometers in the comparison mode.
Automatic operation allows for computer control of shuttering, calibration heating and
measurement functions. Calculation operations and data storage are also possible under
Local Standard Pyrheliometer
Stability Check
Pyrheliometers รุ่ นแรกๆ
Sun photometer
ที่มาhttp://aeronet.gsfc.nasa.gov/Operational/pictures/cim_setup/Figure1.html [14]
•
A sunphotometer is a class of photometers designed for observing certain narrow spectral bands of sunlight. A typical instrument will produce a output signal proportional
to the solar irradiance within the intended spectral band. The instruments typically used by CMDL are intended to deduce spectral atmospheric transmission, or optical
depth, from which the contributions of various atmospheric constituents can be calculated, most commonly aerosol, but water vapor and ozone are also potentially
derived. The spectral discrimination of the sunphotometer is often accomplished with a narrowband interference glass filter which is the source of considerable uncertainty
in the typical measurement. There have been numerous commercial sources of sunphotometers but in most cases CMDL has designed and built their own for various field
programs. Calibration of the CMDL sunphtometers is accomplished by the common Langley technique at our field site at Mauna Loa. The filters used in past instruments
have proven to typically be too unstable for long-term measurements at remote sites. Therefore, CMDL has subsequently utilized sunphotometers for short-term
expeditionary programs or for ongoing observations at Mauna Loa where they are frequently calibrated. Techniques for obtaining, reducing and utilizing sunphotometer
observations, as practiced by CMDL are given in related papers .
Pyrgeometer
ทีม่ าwww.met.wau.nl/haarwegdata/ readme/pyrgeo.htm [15]
•
ทีม่ าsnrs.unl.edu/agmet/ 408/instruments/longrad.html [16]
A PIR is used to measure, hemispherically, the exchange of longwave radiation between a
horizontal blackened surface (the detector) and the target viewed (i.e. the sky or the ground).
The PIR has the same circular multi- junction thermopile (detector) as the Eppley PSP which is
used as a method of transducing the longwave radiation flux into a electrical response (Figure
1). The inner silicon dome is coated with a vacuum-deposited interference filter. Radiation at
wavelengths from 0.3-0.4 µm to approximately 50 µm is transmitted into the sensor. The
amount of radiation in the visible spectrum 0.3-4.0 µm is not significant; absorption and reemission effects are small and have been compensated for in the calibration.
Pyrradiometer
•
•
•
ที่มาhttp://www.novalynx.com/240-8111.html [17]
ที่มาhttp://www.middletonsolar.com/images/product_7_big.jpg [18]
Pyrradiometer is a total hemispherical radiometer, used for exact determination of net radiation in short-wave and long-wave
radiation range (0.3 to >30 µm) with two separately working receivers and with a built-in Pt-100 resistance thermometer to
determine reference temperature. Two black, radiation absorbing plates act as sensors, one facing upward and one facing
downward. Each transfers the energy absorbed to a separate 90-junction copper-constantan thermopile. Both of the two outputs
are approximately 15 µV/Wm², one representing downward total radiation and the other representing upward total radiation. The
difference between these two provides net radiation.
Lupolene domes shield the thermopiles from wind and moisture. Lupolene is essentially transparent to radiation from 0.3 to 60
microns. Two desiccant tubes are supplied to remove water vapor from inside the instrument housing. For long-term
applications, fittings permit attachment of a nitrogen source for continuous purging. Levels are embedded in both the top and
bottom faces of the pyrradiometer, and a 10" mounting arm is included.
Albedometer
•
Albedo is the measurement which quantifies how much the medium
(vegetation, buildings, mountains, soil, snow, etc.) reflects solar
radiation which falls onto it. Its value is calculated by dividing the total
solar radiation reflected by the medium by the global solar radiation
incident at the location. The Albedometer is an equipment that
measures both the global solar radiation as well as the reflected
radiation, giving as an answer the albedo value. To assure a more
precise measurement, it is generally installed several meters above the
surface.
Illuminance meter
•
•
•
•
ที่มา http://www.tfh-berlin.de/~marx/images/draufsicht.jpg [19]
Based on the mentioned conditions, the
digital illuminance-meter „Minilux“ was
developed at the University of Applied
Sciences, Berlin in cooperation with the
Technical University of Zhejiang, China.
Concrete, it is a newly developed, portable
illuminance-meter for universal applications
concerning the whole lighting technic
Accurate photometry of high-pressure
discharge lamps with pulsed current supply
calls for a special photocurrent amplifier,
which, in accordance with the TalbotPlateau-law, reliably estimate the linear
mean value of luminous flux.
Ordinary luxmeters are generally not des
igned to measure high pulsating light
sources . Therefore, to avoid errors, the
staff of photometric laboratories should heed
this recommendation before measuring such
light sources. Critical evaluation and
investigation of the suitability of the
photometer for measurements of pulsating
light is required.
The new measuring instrument avoids these
disadvantages and thereby closes a gap in
the market.
MULTIFILTER ROTATING
SHADOWBAND RADIOMETER
•
ทีม่ า www.cmdl.noaa.gov/ star/bodyframe.html [20]
The Multifilter Rotating
Shadowband Radiometer
(MFR-7) is a field instrument
that measures the global, direct,
and diffuse components of solar
irradiance at up to seven
wavelengths. A microprocessorcontrolled shadowband
alternately shades and exposes
the instrument diffuser, enabling
the system to measure all three
irradiance components with only
one detector.
Sunshine Recorder
ทีม่ า www.fairmountweather.com/ products_bottom.php?... [21,22]
เครื่ องบันทึกแดดชนิด แคมป์ เบลล์ -สโต๊ กส์
สามารถวัดช่ วงเวลาที่รังสี ตรงในแสงอาทิตย์
ที่ มี ค วามเข้ ม สู ง พอที่ จ ะกระตุ้ น ตั ว บั น ทึ ก
ช่ ว งเวลาสั้ น ที่ สุ ด ที่ วั ด ได้ คื อ 0.1 ชั่ ว โมง
การกระตุ้นอาจใช้ ความร้ อนจากการวมแสง
ใช้ ปฎิ ก ริ ย าเคมี ที่ เ กิ ด ขึ้น จากแสง หรื อ ใช้
ปรากฎการณโฟโตโวลตาอิก
SOLAR TRACKERS
ทีม่ าwww.solar-trackers.com/ [23]
•
The Eppley Laboratory manufactures two types of Solar Trackers to be used with the Normal Incidence Pyrheliometer and the
Cavity Radiometer.
The Automatic Solar Tracker, Model SMT-3 is a 2 axis, azimuth/elevation device programmed to align direct beam instruments
with the normal incidence of the sun from any position on the earth’s surface. Tracking is achieved using a computer program
which calculates the solar position for the time and location and transmits pulses to the drives, which then operate the 2
stepping motors. The stepping motors move the elevation and azimuth axes to the correct position. After initial installation, the
tracker will continue to track the sun and reset during darkness. Only periodic resetting of the system clock is required.
The Models ST-1 and ST-3, "green tracker" are electrically driven using a clock-based motor which makes one revolution every
24 hours. The ST-1 is designed for use with a single instrument while the ST-3 accommodates up to three. The ST-3 also
incorporates worm and gear fine adjustments for declination and equation of time.
Reference
http://soi.stanford.edu/~wso/gifs/bigcycle.jpeg รู ปหน้า 1
http://www.tmd.go.th/~ozone/solar%20page.htm
http://www.cmdl.noaa.gov/star/bodyframe.html
http://www.yesinc.com/products/data/uvb1/
http:// snrs.unl.edu/agmet/ 408/instruments/longrad.html
ศ.ดร. จงจิตร์ หิรัญลาภ,2541}”กระบวนการพลังงานรังสี อาทิตย์รูปความร้อน”บทที่1รังสี อาทิตย์และการวัด
หน้า 20-24
http://www.campbellsci.ca/CampbellScientific/Catalogue/prfull/CM21.jpg [1]
http://www.ictinternational.com.au/images/PyranometerDrawing-sm.gif [2]
http://www.cmdl.noaa.gov/star/bodyframe.html [4,9,13,20,24-26]
http:// www.risoe.dk/.../ instrumentation/calibration.htm [5]
http://www.yesinc.com/products/data/uvb1/ [6-8]
Reference
http://www.powerfromthesun.net/chapter2/Chapter2.htm [3,10]
http://www.middletonsolar.com/products/product13.htm [11]
http://swera.unep.net/swera/index.php?id=34 [12]
http://aeronet.gsfc.nasa.gov/Operational/pictures/cim_setup/Figure1.html [14]
http:// www.met.wau.nl/haarwegdata/ readme/pyrgeo.htm [15]
http:// snrs.unl.edu/agmet/ 408/instruments/longrad.html [16]
http://www.novalynx.com/240-8111.html [17]
http://www.middletonsolar.com/images/product_7_big.jpg [18]
http://www.tfh-berlin.de/~marx/images/draufsicht.jpg [19]
http:// www.fairmountweather.com/ products_bottom.php?... [21,22]
www.solar-trackers.com/ [23]