Yazar: Emre Seymenler - Tarih: 27 Ocak 2023 17:34 - Kategori: Enerji

---

Güneş enerji sistemlerinde kullanılan cihazlardan olan piranometreler, söz konusu güneş ışınımı ölçümü olduğunda başvurulan cihazlardan birisidir. Bir piranometre, düz bir yüzeye gelen direkt ve yayılı güneş ışınımını ölçmeye yarayan bir cihazdır. SI ışınım birimi metre kare başına watt'tır (W/m²). Geleneksel olarak piranometreler çoğunlukla klimatolojik araştırmalar ve hava durumu izleme amacıyla kullanılmaktaydı, ancak son zamanlarda dünya çapında güneş enerjisine olan ilgi piranometrelere olan ilginin de artmasına neden olmuştur.

Bu yazımızda piranometrelerin temel yönlerini inceleyeceğiz; neyi ölçer; ne işe yarar; ve nasıl çalışır?

Piranometreler küresel ışınımı ölçer; yarı küresel bir görüş alanından (2π sr) yayılan belirli bir yönelimdeki bir yüzeye gelen birim zaman başına birim alana düşen güneş enerjisi miktarı, Eg↓ olarak gösterilir. Küresel ışınım, aşağıdaki şekilde görülebileceği gibi doğrudan güneş ışığını ve dağınık güneş ışığını içerir. Doğrudan güneş ışığından gelen katkı E⋅cos(θ) ile verilir; burada θ yüzey normali ile güneşin gökyüzündeki konumu arasındaki açıdır ve E doğrudan güneş ışığının maksimum miktarıdır. O halde küresel ışınım şöyledir:

Eg↓ = E⋅cos(θ) + Ed

Burada Ed dağınık güneş ışığını hesaba katar.

Birçok durumda ilgilenilen yüzey yataydır, öyle ki yarım küre görüş alanı gök kubbeye karşılık gelir. Bu durumda ölçülen miktar, Eg↓h olarak gösterilen küresel yatay ışınımdır (GHI) (bkz. Şekil 2 sol). Bazı durumlarda yüzey eğiktir, örneğin yüzeyin genellikle güneş panellerinin dizi düzlemine (POA) karşılık geldiği fotovoltaik uygulamalarda (bkz. örneğin Şekil 2 sağ). Bu durumda ölçülen büyüklük, Eg↓t olarak gösterilen küresel eğik ışınımdır (GTI).
Özel bir durum da yüzeyin yatay olduğu, ancak piranometrenin gökyüzü yerine aşağıya baktığı durumdur. Bu durumda ölçülen miktar, Er↑ olarak gösterilen dünya yüzeyinden gelen dağınık yansımadır.

Şekil 2 Solda: küresel yatay ışınımı (GHI) ölçen yatay olarak hizalanmış bir piranometre ve sağda: küresel eğik ışınımı (GTI) ölçen eğik bir piranometre.
Küresel ışınım, güneşin gökyüzündeki yüksekliğine (ve dolayısıyla yeryüzündeki konumuna, günün saatine ve yılın zamanına) ve bulutlar, aerosoller, duman, sis, yağış ve diğerleri gibi meteorolojik ve çevresel faktörlere bağlı olarak büyük ölçüde değişebilir. Küresel yatay ışınım için tipik değerler 0 ila 1400 W/m² aralığındadır. Bazı durumlarda, örneğin binalardan veya kardan gelen yansımalar nedeniyle veya daha egzotik bir örnekte bir güneş yoğunlaştırıcının merkezinde daha büyük olabilir.

Piranometreler ne için kullanılır?
Güneş, dünyanın ana dünya dışı enerji kaynağıdır. Bunun iki alanda önemli etkileri vardır: bir yandan hava durumu ve iklim, diğer yandan da güneş enerjisinden yararlanarak enerji üretimi.

Güneş radyasyonu, dünyanın hava durumu modellerinin arkasındaki itici güçlerden biridir ve bu nedenle hava durumu ve iklim çalışmalarında önemli bir faktördür. Bu tür çalışmalarda piranometreler çoğunlukla dünya yüzeyine gelen ışınımı belirlemek amacıyla GSİ'yi ölçmek için kullanılır. Dünya atmosferinin hemen dışında ölçülen GSİ oldukça tahmin edilebilirdir, ancak dünya yüzeyinde ışınım bulut örtüsü, aerosol konsantrasyonu, sis ve duman gibi faktörlere büyük ölçüde bağlıdır. Bir başka ilginç ölçüm de net ışınım E*=Eg↓-Er↑ veya albedo A=Er↑/Eg↓'dir. Bu durumda yatay olarak hizalanmış iki piranometre kullanılır: biri yere diğeri gökyüzüne bakar.

Güneş enerjisi endüstrisinde piranometreler fotovoltaik (PV) enerji santrallerinin performansını izlemek için kullanılır. FV enerji santralinden elde edilen gerçek güç çıkışı ile piranometre okumasına dayalı olarak beklenen çıkış karşılaştırılarak FV enerji santralinin verimliliği belirlenebilir. Verimlilikteki düşüşler PV santralinin bakımının gerekli olduğunu gösterebilir. Piranometreler, FV enerji santralleri için potansiyel sahaların uygunluğunu belirlemek için de kullanılabilir. Bu durumda piranometreler bir PV tesisinin beklenen çıktısını belirlemek için kullanılır.

Bina otomasyonu veya tarım gibi başka uygulama alanları da mevcuttur.

Bir piranometre nasıl çalışır?

Piranometreler, Seebeck- veya termoelektrik etkiye dayanan ışınım sensörleridir. Bir piranometrenin ana bileşenleri bir veya iki kubbe, bir siyah soğurucu, bir termopil, piranometre gövdesi ve bazı durumlarda ek elektronik aksamdır.
Piranometre üzerindeki kubbe, dalga boyları kabaca 0,3 ila yaklaşık 3 x 10-⁶ m arasında olan güneş radyasyonunu ileten bir filtre görevi görür (bu, yakın kızılötesi, görünür, UV-A ve UV-B radyasyonunun bir kısmını içerir, bkz. Şekil 3), ancak dalga boyları 3 μm'den uzun olan termal radyasyonu engeller. Piranometre performansını artırmak için bazen ikinci bir kubbe kullanılır. Piranometre kubbeleri tipik olarak Schott N-BK7 cam veya Schott WG295 camdan yapılır, ancak bazı durumlarda safir veya erimiş silika (Spectrosil veya Infrasil) kubbeler kullanılır. Güneş radyasyonunun bir kubbeden geçişi ideal olarak % 100'e yakındır, ancak pratikte % 92'ye daha yakındır. Kubbe aynı zamanda siyah emiciyi ve termopili dış etkenlerden (yağmur, kar, vs.) korumaya yarar.

Filtrelenen radyasyon piranometre üzerindeki siyah yüzey tarafından emilir ve ısıya dönüştürülür. Eğer kubbe(ler)den geçen iletim τ, siyah yüzeyin alanı A ve siyah yüzeyin soğurma katsayısı α ise, ısı soğurma aşağıdaki gibi hesaplanabilir:

Pabsorpsiyon=α⋅τ⋅A⋅ Eg↓

Bu, siyah yüzeyden termopil aracılığıyla soğutucu görevi gören piranometre gövdesine doğru bir sıcaklık gradyanı oluşturur. Sıcaklık farkı şu şekilde verilir:

ΔT=Rtermal ⋅ Emilim

Burada Rthermal, termopil sensörün termal direncidir. Bu termal direnç, termopil sensörün özel bileşimine ve geometrisine bağlıdır. Bir termopil, seri olarak bağlanmış bir dizi termokupldan oluşur. Her bir termokupl, siyah yüzey ile gövde arasındaki sıcaklık farkıyla orantılı bir voltaj üretecektir:

u = ς⋅ΔT

Burada ς Seebeck katsayısıdır. Örneğin, bakır konstantan termokuplun Seebeck katsayısı 41 x 10-⁶ V/K'dır.

Sınıflandırma
Tepki süresi, termal ofsetler, kararlı olmama, doğrusal olmama, yönsel tepki, spektral tepki, sıcaklık tepkisi ve eğim tepkisi gibi piranometre özelliklerine ve kalibrasyon yöntemine bağlı olarak, bir piranometre ISO 9060 standardına uygun olarak Sınıf A, Sınıf B veya Sınıf C piranometre olarak sınıflandırılabilir.

Piranometrelerin nasıl çalıştığına dair daha ayrıntılı bir tartışma Vignola ve arkadaşlarının kitabında bulunabilir.⁴

Spektral olarak düz
ISO 9060, A, B ve C piranometre sınıflarını tanımlar. Standart ayrıca "spektral olarak düz" adı verilen yeni bir alt sınıf ekler.

Kullanıcıların büyük çoğunluğunun spektral olarak düz alt sınıftaki cihazları kullanması gerekir; yalnızca spektral olarak düz cihazlar, bir bulut güneşi gizlediğinde veya ışınım yansıyan radyasyonu içerdiğinde de yüksek doğrulukla ölçüm yapar. Bu durumlar, örneğin kısmen veya tamamen bulutlu gökyüzü altında Küresel Yatay Işınım (GHI) ölçtüğünüzde, Dizi Düzlemi (POA), albedo veya net ışınım ölçtüğünüzde ortaya çıkar. Sadece A, B veya C sınıfı olan ve spektral olarak düz olmayan normal cihazlar, sadece açık güneşli gökyüzü altında doğru ölçüm yapar. 

"Spektral olarak düz" aletleri kullanmak kolaydır çünkü bu şunları sağlar: aynı kalibrasyonla aynı aleti kullanarak sadece açık mavi gökyüzü altında yatay olarak değil, aynı zamanda genel GHI, POA, albedo ve net radyasyonu da doğru bir şekilde ölçebilirsiniz.

Kaynaklar:

https://www.hukseflux.com/applications/solar-energy-pv-system-performance-monitoring/what-is-a-pyranometer