CNS 15032-2006 Solar energy - Calibration of field pyrheliometers by comparison to a reference pyrheliometer《太阳能－比较参考日射强度计校正各种场日射强度计》.pdf

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1、1 印月9510月 本標準非經本局同意得翻印 中華民國國家標準 CNS 總號 號 ICS 27.160 K802315032經濟部標準檢驗局印 公布日期 修訂公布日期 9510月31日 月日 (共10頁)太陽能比較參考日射強度計校正各種場日射強度計 Solar energy Calibration of field pyrheliometers by comparison to a reference pyrheliometer 目錄 節次 頁數 1. 適用範圍 . 2 2. 引用標準 . 2 3. 定義 . 2 4. 日射強度計之校正層級 3 5. 校正要求事項 3 6. 校正程序 . 5

2、7. 不確定度 . 7 8. 文件化 7 附件 A. 自直接太陽輻射中計算所含環日輻射百分比 . 9 B. 參考文獻 10 2 CNS 15032, K 8023 簡介 本標準係一系用以指定太陽射之測方法與儀器的國家標準之一。 日射強計(pyrheliometer)係用測直接太陽照射。所取得之據係使用： 測定集中式集熱器之效率。 測定集中式太陽能裝置之直接光源及決定其設置地點、大小等。 半球太陽輻射的準確量測即為直接太陽輻射與漫太陽輻射 (diffuse solar radiation)之量測總合。 本標準所指定之日射強度計 之校正層級 (calibration hierarchy)，係依據國

3、際氣象組織(WMO)所擬定之計畫，所使用之分級與規格係敘述於 CNS 15033 標準中。 1. 適用範圍 本標準敘述使用參考日 射強度計來進行場日射強度計之校正方式，並指出校正程序與移轉校正時之校正層級。 本標準主要是預期供校 正服務業與測試實驗室來使用，使能達成均一品質之準確校正因數 (calibration factor)。 2. 引用標準 下列標準中所包含之條 款，被引用作為本標準之部分條款。當本標準發行時，所標示之版本皆為有效版本 。由於所有標準皆會修改，故凡依據本標準訂定協議之當事者，應儘可能查明採用 下列標準之最新版本。未註明日期之引用，應查明採用其最新版本。 CNS 15033

4、太陽能量測半球太陽輻射與直接太陽輻射儀器之規格及分級。 3. 定義 本標準採用下列各項用詞與定義： 3.1 直接太陽射(direct solar radiation)：接收自太陽圓盤中心一指定的平面上的小體角(solid angle)之射。照CNS 15033第3.3節 3.2 日射強計(pyrheliometer)：一種設計用測太陽照射之射計。此種射係自與平面接收器表面成垂直之軸心呈現一個明確界定的體角之太陽射通(radiant flux)。 備考：依據此定義，日射強計係用測垂直入射之直接太陽射。一般典型日射強計視野角(field-of-view angle)範圍為510。與一般具窗口之儀器

5、同的是，場日射強計之光譜響應(spectral responsivity)限制於0.3 m3 m的範圍，並依據保護接收器表面之窗口(window)的光譜透射(spectral transmittance)而定。但是無窗口之儀器，在操作時之能損失低於1%。照CNS 15033第3.5節備考 3.3 場日射強度計 (field pyrheliometer)：乃設計使用於長期性量測野外的直接太陽輻射。這些日射強度計具有耐候保護 (weather-proofed)，即接收器使用石英製的窗口，以保護其不受風、灰塵、雨、 雪與昆蟲的侵害，或以能確保強勁空氣流通的系統替代。 3.4 考日射強度計 (refe

6、rence pyrheliometer)：可供校準程序之參考用的任何類型日3 CNS 15032, K 8023 射強度計。屬經完善測試而被選用之儀器照CNS 15033 之表 2，具備較低的響應率之年變化率，並且經常與其他參考日射強度計比較予以控制。 為達到前述響應之穩定性，考日射強計之使用須要限制僅使用於比較與校正活動。該儀器應該謹慎的儲存於一個具備適中週遭環境之實驗室中。 備考：一般，考日射強計使用時，經常具備保護性之窗口。 3.5 原級標準日射強度計 (primary standard pyrheliometer)：選擇自一群符合 CNS 15033 第 5.3.1 節要求事項之絕對日

7、射強度計 (亦稱為絕對輻射計 )的日射強度計。 3.6 次級標準日射強計(secondary standard pyrheliometer)：具有高精密與穩定性且其校正因係導自原級標準日射強計之日射強計。這一群射計包括符合CNS 15033第5.3.1節要求事項之原級標準日射強計、補償式日射強計與其他精確但過時之儀器，包括銀碟日射強計。照CNS 15033第5.3.2節 3.7 一級與二級日射強度計 (first class and second class pyrheliometer)：具有穩定性與準確性較次級標準日射強度計為低 之日射強度計。一般來說，場日射強度計屬於是這一群類型。照CNS

8、 15033第5.3.2節 備考： 此儀器有時使用所謂的“工作標準”，因為較於操作，且與較高級別之儀器比較，對氣候態之依賴性較低。此工作標準須盡可能地經常進與其他較高級別日射強計作比較。 4. 日射強計之校正層級(calibration hierarchy of pyrheliometers) 下日射強計之校正層級應被採用。 所有日射強計均應可與世界射考(World Radiometric Reference, WRR)進考比對照CNS 15033第3.6節)。 原級標準日射強計應藉著與被選定與維護好之原級標準日射強計進比較方式，與世界射考(WRR)進考比對照CNS 15033第5.3.1節。

9、 原級標準日射強計應被使用作為進次級標準日射強計校正時之考，並得被使用作為一級與二級日射強計之考。 對於任何屬於一級或二級級別之日射強計校正時使用之考，應該是一個屬於同一等級級別或是高等級之日射強計。 如果被校正之日射強計與考射計皆屬於同一級別時，者皆應自同一製造廠商，並具有相同之型號，同時考射計應該已經被使用一個屬於高層級之日射強計作為考校正過。 備考： 是使用同一等級級別之日射強計作為校正之考時，建議使用多於一個的考儀器。 5. 校正要求事項 使用一個參考日射強度計來進行另一個場日射強度計之校正方式，係將兩個儀器同時曝露於相同的輻射場中，並且比較其相對應的量測訊號。此項校正應符合下列有關要

10、求事項： 對於射源之選擇。 4 CNS 15032, K 8023 在校正程序期間，可接受之氣象變之限制。 測設備之選擇。 5.1 輻射源 (radiation source) 日射強度計應被曝露於包括直接太陽輻射與部分環日輻射 (circumsolar radiation)之輻射場。照射度 (irradiance)應不低於 300 W m-2，但是照射度值以超過 700 W m-2為佳。在環日部分之校正狀況，應儘可能接近場日射強度計所使用之日常量測狀況 (見第 5.2.3 節 )。 5.2 氣象變數 5.2.1 風速 校正期間之風速須低，特別是當風吹方向是自太陽方位角之方向(30)。 備考：

11、 因為校正期間之風吹卻效應，具備開放管式之日射強計將會產生具有較高標準偏差之較低測據。此效應之大小與日射強計之型態有關，特別與管內之隔膜設計相關。 風效應可以藉著安裝擋風屏減輕。如從陽台或是一扇打開的窗戶進測可能較為有。針對無防風保護之測況，並無法規定可以接受之最大風速。 5.2.2 環境空氣溫 未能取得實驗室測試據時，則為決定校正因(calibration factor)對於溫之依靠性，進校正時應涵蓋一個範圍之環境空氣溫，此範圍包括野外應用時之典型溫之大部分。 5.2.3 天空況 進校正時，雲層與太陽之角距應該超過15。一般，好的校正態存在於雲層覆蓋低於12.5%時。 備考 1. 有時若是飛

12、機之凝結尾氣處於太陽的 15範圍時，此時發生此種擾動之量測次數，與一系列未受 擾動之量測數據比較起來較少時 (見第6.3.2 節 )，依然可以被接受。 2. 處於凝結前態之大氣層水蒸氣，有時會造成大氣透射之變動。一般，因為此種雲層所造成據分散之情況乃是屬於可以接受者。 進行校正時大氣濁度 (atmospheric turbidity)，須與野外量測狀況之典型數據接近。一般來說，大氣濁度須限定在林克濁度因子 (Linke turbidity factor)小於 6 的狀況參照 CNS 15033 第 3.7 節。 3. 大氣濁度係因為大氣層中氣懸膠 (aerosol)微粒與包括水蒸氣等氣體，造成

13、對直接太陽輻射之散射與吸收作用所產生。 環日輻射 (circumsolar radiation)日暈 (aureole)係來自對直接太陽輻射之前方散射 (forward scattering)，其大小自太陽臨邊起直至與太陽成 15距離處，以成 10 倍數次方方式遞減，視氣懸膠之型式與濃度而定 (例如附件 B3、 4及 5)。在角度距離 5之內的環日輻射的典型數量，僅為直接太陽輻射之幾個百分點。如果標準日射 強度計與場日射強度計，具有不同之視野角5 CNS 15032, K 8023 (field-of-view angle)時，氣懸膠將會對於校正之準確性具有重大影響。對於不同之氣懸膠 型式與太

14、陽仰角 (見附件 B4)所計算得之直接太陽輻射中所含之環日輻射百分比資訊，提供於表 A.1 中。 5.3 量測儀器 5.3.1 參考日射強度計 (reference pyrheliometer) 參考日射強度計之選擇，須依據第 4 節所述之校正層級規定。此外該計須具備與場日射強度計類似之視野角 (field-of-view angle)與傾斜角 (slope angle)參照 CNS 15033 第 5.1 節。 5.3.2 太陽追蹤器 (sun tracker) 太陽追蹤器可在仰角與方位(azimuth)這方面作同移動方位儀座(azimuth mount)，亦可以使用旋轉日射強計以與太陽之赤

15、道平面互相平赤道或視差儀座(equatorial or parallactic mount)之追蹤器。 具有一個可旋轉非對稱感應器之日射強計，須在必使接收器繞著管軸旋轉之情況下追隨太陽。因而在此情況下，應僅使用方位追蹤器(azimuth tracker)。太陽追蹤器之可接受角偏差應低於日射強計之傾斜角減0.25。 5.3.3 據取得 日射強度計訊號之讀出，應該以 具備解析度至少為最大日射強度計讀數之0.05%的數位伏特計來進行。這些伏特計應具有至少在 1 年內穩定與包括溫度產生偏移下仍優於 0.1%之準確度。 數據記錄器 (data logger)系統須至少具有 4 個頻道，其中包括可以記錄溫

16、度者。日射強度計之訊號與其讀數，應該具有相差不超過 1 秒的同步讀出，且瞬時量測之速率應該介於每 30 秒 1 次與 120 秒 1 次之間。若數據記錄器可以提供日射強度計之積分訊號 (integrated signals)，則積分時間須不超過約 20 分鐘。 備考： 當在戶外操作一個位伏特計時，其準確可能被環境溫所影響。建議保護儀器使其免於遭受直接太陽照射。當在戶內操作位伏特計時，因為電纜之長較長，因此需要使用低雜訊之電纜。 6. 校正程序 校正程序包含設備之準備、據之取樣及學處等3部分。 6.1 設備之準備 6.1.1 安裝 將參考與場這兩種日射強度計在開始進行第一系列量測至少 30 分鐘

17、之前，即安裝及對準於一個或兩 個分開之太陽追蹤底座上 (這 30 分鐘時間可以讓儀器與環境空氣溫度 取得平衡 )。確保兩個底座分開的儀器之間的距離，不超過 20 公尺。 在開始記錄量測讀數之前的 30 分鐘，即連接與開啟數據取得系統，以便讓其暖機。遵循所有在使用說明手冊中所指定之安裝與操作程序。 6 CNS 15032, K 8023 若有必要時，在具備開放式遮光 板或隔膜管式日射強度計之周圍或前方裝設擋風屏，以避免高速陣風干擾量測工作。 備考 1. 這些太陽追蹤器得採用手動操作。 2. 各個儀器之間的間隔距過大，則因為大氣層之結構濁要項之影響，會造成直接照射之均勻性而影響到測結果。 6.1.

18、2 調整與測試 在開始進行校正量測之前，立即 直接進行已經架設於追蹤器上之日射強度計與其追蹤器之對準太陽的調整。使用屈光度計 (diopter)與其他瞄準機制來達成此目的。 依據適用之使用說明手冊之規定 ，來進行零點、極性、標稱訊號強度與參考電壓之檢查。 6.1.3 清潔 若使用包覆式 (enclosed)之日射強度計時，在開始量測之前需要清潔其窗口。 6.2 據之取樣 將測期間分為最少10個或最好20個據取得序(測系或測組群)，每段序之時間長至少為10分鐘20分鐘。針對每個系，標明其適用之平均太陽仰角、平均空氣溫與大氣濁之平均值。 在每段量測系之內，讀取與記錄至少 10 個瞬時讀數與至少一個

19、積分數據。 備考1. 如果有必要決定校正因與如溫、濁、太陽仰角等據之依靠性時，需要進比較上述規定多之測系。 2. 因為考日射強計之操作模式緣故，經常無法比較積分期間超過秒鐘時所獲得之值。此情況下積分據之至少須為10個。 在進行過每次測量系列之前與之後，立即測量零點及其他參考值。 決定參考與場這兩種日射強度計在 每個系列之內的各點量測數值與每個系列的平均數值之間的標準偏差 (standard deviations)，以決定所記錄數據之可靠性 (見第 6.3.3 節 )。 在紀錄冊中記錄下所有之作業問題與任何特殊之環境狀況與實驗安排事項。 6.3 學處 6.3.1 校正因數之決定 6.3.1.1

20、針對一個位於測系j中的i，計算 F(i, j) =),(),(jiVjiEFPSP(1) 此處： ESP(i, j)為由參考日射強度計處所取得之直接太陽輻射照射度數值； VFP(i, j)為場日射強度計之信號 (依據儀器之作業說明書規定減去歸零數值 )。 6.3.1.2 自第 j 量測系列的第 n 個讀數，可以使用下列公式來決定場日射強度計初步校正因數 F( j )： 7 CNS 15032, K 8023 F( j )=niFPniSPjiVjiE11),(),(2) 6.3.1.3 自總共 m 個系列中，使用下列公式來導出場日射強度計之最終校正因數 F 為： F = (1/m)=mj 1F

21、(j) (3) 6.3.2 數據之捨棄 若是在紀錄冊中已經註明數據具 備操作問題，則需要捨棄所有日射強度計中之相關數據。 此外若是 F(i, j)見公式 (1)偏離 F(j)超過 2%時，這些數據亦應被排除。見公式 (2)。 備考： 依據過去經驗，當偏差為2%時，代表是一個受到擾動之值(附件B6)。 使用 “過濾後 ”之數據來計算 F(j)之數值，且最終之校正因數 F使用公式 (3)來自 “過濾後 ”數據。 6.3.3 統計分析 依據 F(j)之數值來決定 F(i, j)數值之標準偏差，以作為一種衡量在一個量測系列之間校正狀況穩定性之方式。依據 F 數值來決定 F(j)數值之標準偏差；這些代表

22、儀器之穩定性與整個校正期間之狀況。 7. 確定 考日射強計是一個原始標準日射強計，則場日射強計之導出校正因之確定，尚額外被所使用考日射強計之校正因的確定所影響(此被稱為是移轉確定)。 原級標準日射強計之確定約為 0.3%(1)。移轉確定是視氣象況與日射強計之表現性能而定，特別是與環日射之分配與日射強計之視角有關。當在校正移轉鏈之所有日射強計皆具有相同之視角(與傾斜角)時，或是環日射較小且被強導向前方時，此確定最低。 一個次級標準日射強計在校正程序之平均確定，大約為 0.3%。 場日射強計之導出因的確定，視使用儀器之型式與校正時之況而定。 備考： 有關環日射對於Angstrm-Compensat

23、ion-Pyrheliometers結果之影響，於附件B7與8中討。 8. 文件化 8.1 校正證書 校正證書中至少應出下資訊： (a) 使用之校正方法(考)。 (b) 場日射強計之製造商、型式、機型及序號。 (c) 考日射強計之製造商、型式、機型及序號；應提出1份考日射強8 CNS 15032, K 8023 計之校正因，可被追溯至原始考日射強計之可追溯性之簡要明。 (d) 校正之況，亦即是平均空氣溫範圍、太陽仰角範圍、濁(如克濁因子)範圍、風速範圍與算術平均值和照射範圍等。 (e) 經過評估之單一測的與進測之天。 (f) 依據第6.3.1.3節方法所導出之校正結果，須被以一個適當單位，如瓦

24、特每平方公尺每毫伏(Wm-2mV-1)表示。對於某些同型式之日射強計，可能使用與前述同之表示方式。儘管如此，在特殊情況下，算術平均值可以成為氣象變之函方式提出。使用之刻須為世界射考(WRR)所使用者(附件B1)。 8.2 據儲存 校正時所取得之原始數據須至少保存 5 年，或是直至另一個成功之校正已經被完成時，但是最好是能在該儀器之使用壽命期間皆予保存。 9 CNS 15032, K 8023 附件 A (參考 ) 自直接太陽輻射中計算所含環日輻射百分比 藉著使用具有不同視野角 (field-of-view angle)參照 CNS 15033之日射強度計來量測的方法，表 A.1 中提出環日輻射

25、 Es,rel()之相對貢獻對於直接太陽照射的可能效應之概況。 4 種不同型式之氣懸膠 都會、大陸 (背景 )、海洋及沙漠 與 3 種對於氣懸膠總量處於低度、中等、高度等 3 種情況之光譜光學厚度 P(= 550 nm)的數值 (0.05、 0.2、 0.4)被納入考量；相對的光譜林克濁度因子 T(= 550 nm)約為 1.8、 3.4、 5.4。 以下所給定之環日輻射之百分比，係針對太陽仰角 = 60與 = 20。 表 A.1 不同大氣層狀況下之環日輻射值 氣懸膠 Es,rel() % 型式 p(=550 nm) T(=550 nm) Es(=32)Wm-2 太陽圓盤=5 =10 =20

26、0.05 1.8 985 0.1 0.2 0.5 0.2 3.4 872 0.3 0.7 1.7 0.4 5.4 60 746 0.5 1.3 3.1 0.05 1.8 736 0.1 0.5 1.2 0.2 3.4 555 0.5 2.6 3.9 都會 0.4 5.4 20 389 1.2 2.9 6.9 0.05 1.8 979 0.4 0.6 1.0 0.2 3.4 851 0.8 2.1 3.7 0.4 5.4 60 707 1.8 4.1 7.3 0.05 1.8 725 0.7 1.4 2.6 0.2 3.4 514 2.4 5.1 9.3 大陸 (背景 ) 0.4 5.4 20

27、328 4.1 9.8 17.6 0.05 1.8 972 0.7 1.2 1.8 0.2 3.4 826 2.8 4.6 6.8 0.4 5.4 60 668 5.2 9.1 13.4 0.05 1.8 711 1.6 2.9 4.5 0.2 3.4 473 6.6 11.5 17.1 海洋 0.4 5.4 20 275 12.9 22.7 33.6 0.05 1.8 979 0.4 0.9 0.2 3.4 852 1.4 3.1 0.4 5.4 60 708 2.7 6.1 0.05 1.8 724 0.9 2.2 0.2 3.4 511 3.4 7.7 沙漠 0.4 5.4 20 325

28、 6.5 14.5 10 CNS 15032, K 8023 附件 B (參考 ) 參考文獻 1 World Meteorological Organization, Guide to Meteorological Instruments and Methods of Observation, No. 8, 5thedition, WMO, Geneva, 1983. 2 ASTM 816-81, Method for calibration of secondary reference pyrheliometers and pyrheliometers for field use. 3 EI

29、DEN, R. Calculations and measurements of the spectral radiance of the solar aureole. Tellus, 1968, vol.20, No. 3, pp. 380-399. 4 THOMALLA, E., KPKE, P., MLLER, H. and QUENZEL, H. Circumsolar radiation calculated for various atmospheric conditions. Solar Energy, 1983, vol. 30, No. 6, pp. 575-587. 5 A

30、NGSTRM, A. and RODHE, B. Pyrheliometer measurements with special regard to the circumsolar sky radiation. Tellus, 1966, vol. 10, No. 1, pp. 25-32. 6 GRGOIRE, P. Pyrheliometer Comparison. Trappes: Mtorlogie Nationale S.E.T.I.M., 1984. 7 MAJOR, G. A method for determining the circumsolar sky function. Tellus, 1980, vol. 32, No. 4, pp. 340-347. 8 MAJOR, G.An effect of the circumsolar sky radiation on the Angstrm Pyrheliometer scale. Tellus, 1973, vol. 25, No. 4, pp. 396-399. 相對應國際標準：ISO 9059：1990 Solar energy Calibration of field pyrheliometers by comparison to a reference pyrheliometer