CNS 15033-2006 Solar energy - Specification and classification of instruments for measuring hemispherical solar and direct solar radiation《太阳能-量测半球太阳辐射与直接太阳辐射仪器之规格及分级》.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 K802415033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15頁)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 Solar energy Specification and classification of instruments for measuring hemispherical solar and direct solar radiation 目錄 節次 頁數 1. 適用範圍 . 2 2. 引用標準 . 2 3. 定義 . 2 4. 量測半
2、球太陽輻射之儀器全天空輻射計 . 3 5. 量測直接太陽輻射之儀器日射強度計 7 6. 最終註釋 . 9 附件 A. 對於表 1 所列規格之說明 11 A.1 響應時間 . 11 A.2 零點偏移 . 11 A.3 不穩定性 . 11 A.4 非線性 11 A.5 方向性響應 (對於光束輻射 ). 11 A.6 光譜選擇性 . 12 A.7 溫度響應 . 13 A.8 傾斜響應 . 13 B. WMO 之氣象儀器與觀察方法指引第 9.3.1.1 節摘要 (原級標準日射強度計 ) 14 C. 參考文獻 15 2 CNS 15033, K 8024 簡介 本標準係規定太陽輻射之量測方法與儀器,用以
3、支持太陽能利用的國家標準之一。 準確的太陽輻射數據被使用於氣象學中,且為發展太陽能器具與特別是在進行其性能測試、太陽輻射模擬與資源評估時所需要。 要決定太陽能器具之轉換效率時,需要進行太陽輻射之量測。為要能進行太陽輻射數據之全球性比較,需要有這些儀器之規格與分級。 本標準所規定之太陽輻射計之規格與分級,係依據類似世界氣象組織 (WMO)所使用之術語與方法。為符合太陽能利用與器具之特定要求,故規格與分級不同於 WMO 之文件。 本標準特別建立為實施本分級所必須之規則。 1. 適用範圍 本標準建立量測半球太 陽輻射與直接太陽輻射之儀器的分級與規格,以供使用於整體光譜介於 0.3 m 3 m 之範圍
4、。 量測半球太陽輻 射與直接太陽輻射之儀器分級係依據其室內與戶外之性能測試結果。屬於原級標準之直 接太陽輻射儀器,其分級基準係基於其在戶外測試狀況下取得量測可重複性的設計 與規格,且經過在戶外測試狀況下各日射強度計之間比較的定期驗證。 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。 世界氣象組織, “氣象儀器與觀測方法之指引 ”, No. 8,5th edition,WMO,Geneva, 198
5、3。 3. 定義 本標準採用下列各項用詞與定義 3.1 半球太陽輻射 (hemispherical solar radiation):一個平面表面接收來自 2 sr 立體角之太陽輻射量。 備考: 入射在地球表面之半球太陽輻射中,超過 99%均處於 0.3 m 3 m 的波長範圍內。一般來說,半球太陽輻射係由直接太陽輻射、漫太陽輻射 (在大氣中被散射之太陽輻射 )及被地面所反射之太陽輻射所組成。 3.2 全天空太陽輻射 (global solar radiation):一個水平平面所接收之半球太陽輻射。 3.3 直接太陽輻射 (direct solar radiation):在已知平面上,接收來
6、自太陽圓盤為中心的小立體角之輻射。 備考: 一般來說,直接太陽輻射係以視野角 (field-of-view angle)上限為 15的儀器來量測。因此環繞太陽圓盤 附近之散射輻射 (環日輻射 ),亦有一部分被納入 (見第 5.1 節 )。 在地面所接受之半球太陽輻射,超過 99%均處於 0.3 m 3 m 的波長範圍內。 3.4 全天空輻射計 (pyranometer):設計用來量測一個平面接收器表面照射度之輻射計,係由半球上方波長範圍從 0.3 m 3 m 入射之輻射通量 (radiant flux)獲得。 3 CNS 15033, K 8024備考: 所給予之光譜範圍僅屬於標稱性質。依據用
7、以保護全天空輻射計接收面之圓頂 (見第 4.1 節 )所使用之材料而定,其響應率之光譜限制大約接近上述之範圍。 設計類似於全天空輻射計,但是具備光譜響應率與表 1 所規定之光譜範圍 (見表1 參考編號 3d)並不一致之光電感應器的輻射計,通常依據其感應器來命名,例如稱為 “矽全天空輻射計 ”或簡稱 “Si-全天空輻射計 ”。 3.5 日射強度計 (pyrheliometer):一種設計用來量測照射 度之輻射計。此照射度係來自與平面接收器表面之垂直軸心呈現一個明確界 定立體角度之太陽輻射通量 (solar radiant flux)。 備考: 依據此定義,日射強度計係用來量測垂直入射 (norm
8、al incidence)之直接太陽輻射。一般典型日射強度計之視野角 (field-of-view angle)範圍為 510。與一般不具窗口之儀器不同的是,場日射強度計之光譜響應率(spectral responsivity)限制於 0.3 m 3 m 的範圍,並依據保護接收器表面之窗口 (window)的光譜透射率 (spectral transmittance)而定。但是無窗口之儀器,在操作時之能量損失低於 1%。 3.6 世界輻射參考 world radiometric reference (WRR):代表 SI 單位之照射度且具有低於 0.3%不確定度的量測標準 (見世界氣象組織之氣
9、象儀器與觀察方法之指引,1983 第 9.1.3 節 )。此標準係由世界氣象組織 (WMO)所採納,並自 1980 年 7 月 1 日起即開始生效。 為確保其長期穩定性, WRR 係由一群 (稱為世界標準群 )至少 4 個不同設計之日射強度計 (見第 5.2.1 節 )所組成,並由位於瑞士 Davos 的 WMO 世界輻射中心所維護。 3.7 林克濁度因子 (Linke turbidity factor):直接太陽輻射為總大氣層所衰減的相對量測值。僅與分子散射所形成之衰減有關。 林克濁度因子 可以被解釋為是穿透過一個乾淨且不具吸收性分子大氣層之路徑長度的一個假定乘數,被用以配合 所量測得之光束
10、衰減情況。有關數學之處理(見參考文獻 2)。 4. 量測半球太陽輻射之儀器全天空輻射計 4.1 一般結構設計 全天空輻射計係使用來量測半球太陽輻射的輻射計 (見第 3.1 節與第 3.4 節 )。 進行量測時由於受到光譜限制,僅 允許使用具備吸收表面之熱能感應器,方能達成全天空輻射計所要求之均勻光譜響應率 (見表 1 參考編號 3d)。 熱能感應器可以將輻射能量轉換成 熱能,並因此造成接收表面之溫度上升。此溫度上升量會受流至熱匯 (heat sinks)之各種熱損失所平衡 (例如全天空輻射計之本體與環境空氣 )。 一個全天空輻射計之熱能感應器通 常使用一個或兩個玻璃圓頂來保護,使其不至於遭受到
11、風、雨、灰塵之侵襲及 熱能輻射之交換所影響。因為這些圓頂之光譜透射率而限制其光譜響應率之範圍至大約為 0.3 m 3 m 之間。 4 CNS 15033, K 8024 一個全天空輻射計之主要部分包括: (a) 熱能感應器,其接收面漆成黑色或黑白交替顏色。 (b) (一個或兩個 )玻璃圓頂,與接受表面同心以遮蓋接收器。 (c) 一個通常被遮陽屏所遮蓋之本體,被使用作為一個熱能參考物體。 4.2 型式 最常用的一 種全天空輻射計,係屬於一種具備一個熱電堆 (thermopile)(有時亦稱為熱能電池 )用以量測塗黑的接收面主動接面 (active junctions)與本體被動接面 (passi
12、ve junctions)之溫度差異的 “熱電 ”型全天空輻射計。主動接面與被動接面之位置與數量,在不同全天空輻射計機型上具有極大差異。一般來說,這些感應器均係由兩個同心玻璃圓頂所遮蓋,以對於熱能輻射所產生之偏差達成強度之衰減作用。 一種特殊之設計係屬 “黑白全天空輻射計 ”。其被動接面 係與平均分布在面積頗大之接收面上的白色部分進行熱能 連接。一般來說,在黑白儀器上僅使用一個圓頂,因為此類儀器假設熱能輻射將可遭到白漆之等量吸收。 使用電力來取代輻射功率以進行自行檢查 (self-check)的全天空輻射計,已經可以商業取得。但是具有腔體接收器 (cavity receiver)(相當於絕對日
13、射強度計,見第 5.2.1 節 )之 “絕對全天空輻射計 ”,尚未能自市面上取得。 依據光電接收器 (使用矽光電電池 )且具有 2視野角 (field-of-view angle)之輻射計,已經以 “矽全天空輻射計 ”之名稱,在市面上銷售。 目前此種儀器尚無法符合進行分級 (見表 1)所需要之光譜響應率 (responsivity)一致性。 至於以上所述型式之外的其他全天 空輻射計設計,只要能符合對於太陽能應用之特定要求事項時,亦可以被使用。有關於不同型式全天空輻射計之詳細敘述,可見於參考文獻 1、 2、 3中。 4.3 分級 有關於全天空輻射計之分級,係完 全依據針對這些儀器之設計與製造品質
14、所做出之量測規格來進行。 備考: 由全天空輻射計所量測得之太陽輻射數據之準確性,不僅依靠儀器之級別,亦且依靠: (a) 校正程序。 (b) 量測狀況與維護。 (c) 環境狀況。 因此僅能在將所有相關因數與儀器 級別納入考量之後,方能針對個別儀器做出針對總體量測不確定度之陳述。 此分級方式係依據表 1 所示之不同規格與第 4.3.2 節之不同分級準則來提出。 定義 3 種不同級別之全天空輻射計如下: (a) 次級標準全天空輻射計。 (b) 一級全天空輻射計 (包括使用於太陽能測試器具之一級全天空輻射計之特別群組 )。 5 CNS 15033, K 8024(c) 二級全天空輻射計。 備考: 此處
15、未做出原級標準之分級,因為有關全天空照射度 (global irradiance)之最準確測定,一般認為是由一個絕對日射強度計所做出之直接輻射數據,再加上依據以一個遮光圓盤遮住太陽之次級標準全天空輻射計所量測出之漫太陽照射度數據這兩項數據之相加總和。 4.3.1 全天空輻射計規格之限制值 全天空輻射計之規格可以做出下列分組: (a) 響應時間 (對於取得最終讀數穩定期間之固有熱慣性之量測 )。 (b) 零點偏移 (zero off-set)(針對熱能輻射與瞬時溫度效應所規定歸零點之穩定性之量測 )。 (c) 響應率依賴下述之結果: (1) 老化效應 (對於長期穩定性之量測 )。 (2) 照射度
16、水準 (對於非線性之量測 )。 (3) 照射度之方向 (對於偏離理想 “餘弦行為 ”與其方位變異之量測 )。 (4) 照射度之光譜分布 (對於光譜響應率之光譜選擇性之量測 )。 (5) 全天空輻射計本體之溫度。 (6) 接收面之傾斜角度。 如果一個個別測試結果之平均數值,不超過表 1 所列出針對特定級別儀器之規格的相對限制數值,則該項規格就算被符合。 表 1 所列出之規格應該經過測試來驗證。有關於這些規格項目之額外資訊,提供於附件 A 中。 備考 1. 表 1 係依據 WMO 相對應分級 (見第 2 節 )之基礎來擬定。該項 WMO分級制度定義 3 個全天空輻射計之分級,亦即是次級標準、一級全
17、天空輻射計與二級全天空輻射計等 3 種。因為太陽能測試應用之要求事項與在量測技術上之最近改善等緣故,表 1 所列之限制數值有時比在相對應 WMO 表上所列出之數值更為嚴格。 2. 使用於太陽能測試應用之一級全天空輻射計,係如第 4.3.2 節所定義者。 3. 一項有關於測試全天空輻射計特性之國際標準,目前正在研擬中。 如果表 1 所列之 8 項規格全部符合,且其分級亦符合第 4.3.2 節與第 4.3.3節所述之分級時,則一個全天空輻射計被視為是屬於一個特定級別 (specific category)。 6 CNS 15033, K 8024 表 1 全天空輻射計之規格清單 全天空輻射計級別
18、參考編號 規格 次級標準 一級 二級 1 響應時間: 達到 95%響應之時間 15 s 30 s 60 s 2 零點偏移: a. 對 200W m-2 凈熱輻射之響應 (通風下 ) b. 對 5 K h-1環 境溫度變化之響應 + 7 W m-2 2 W m-2+ 15W m-2 4W m-2+ 30 W m-2 8 W m-23a 不穩定性: 響應率之年變化百分比 0.8% 1.5% 3% 3b 非線性: 因為照射度發生在 100 1000 W m-2範圍內之改 變時,在 500W m-2時響應率之偏差百分比 0.5% 1% 3% 3c 方向性響應 (對於光束輻射 ):因為假設垂直入 射響應
19、對在所有方向進行量 測均屬有效時,所造成誤差之範圍。該量測係針對來自任 何方向之光束輻射,其垂直入射照射度為1000 W m-2 10 W m-2 20 W m-2 30W m-23d 光譜選擇性: 一個產品針對相 對平均值介於 0.35 m 1.5 m光線的光譜吸收度與光譜 透射率之偏差百分比 3% 5% 10% 3e 溫度響應: 因為環 境 溫度發生區間為 50 K之改變時所產生 之偏差百分比 2% 4% 8 % 3f 傾斜響應: 因為傾斜角發生在 1000 Wm-2 照射度下 0 90之改變時,在 0傾斜下 (水平時 )響應率之偏差百分比 0.5% 2% 5% 7 CNS 15033,
20、K 80244.3.2 分級準則 依據其級別之不同,全天空輻射 計之分級得被應用於個別儀器或是一整群(特別型式 )儀器上。 如果符合表 1 所列之個別規格時,一個次級標準全天空輻射計之分級,僅能被使用於個別儀器上。 如果符合表 1 所列之個別規格時,一級或二級全天空輻射計之分級,得以被使用於個別儀器或特別型式 (相同設計之儀器 )之全天空輻射計上。一個類型之全天空輻射計如果適當之級別品質控制獲得確認,且每個全天空輻射計皆符合個別之規格時,則可以被稱為是屬於一個特別級別 (particular category)。 如果個別儀器能夠符合表 1 所列之方位與餘弦響應規格時,則該全天空輻射計可以被分
21、級為作為太陽能測試應用之一級全天空輻射計。 4.3.3 分級之識別 一個特別全天空輻射計之分級, 應以儀器上之適當標示與授證測試實驗室所頒發之測試證 書方式來加以識別。頒發證書之測試實驗室應該取得 ISO之授權。 5. 量測直接太陽輻射之儀器日射強度計 5.1 一般結構設計 一個日射強度計之主要部分如下所列: (a) 熱能感應器,係一個被漆成黑色之接收平面或有一個吸收入射輻射之腔體。 (b) 視線限制管 (或隔膜管,或稱天空閉塞管 ),用以定義幾何視野角 (field-of-view geometry)由管子長度 l,開口之半徑 a 與接收面之半徑 r,可以決定中央視野角 (field-of-
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