المزدوجة الحرارية مقابل مقياس الإشعاع الشمسي من نوع السيليكون: الإيجابيات والسلبيات

مقدمة

عند اختيار مقياس الإشعاع الشمسي لمحطة طاقة شمسية كهروضوئية، أو محطة أرصاد جوية، أو أي نظام آخر لمراقبة الطاقة الشمسية، غالباً ما يواجه المشترون سؤالاً عملياً: هل يجب أن يستخدم المشروع مقياس إشعاع شمسي من نوع المزدوجة الحرارية أم من نوع السيليكون؟ كلا التقنيتين تقيسان الإشعاع الشمسي، لكن مبادئ الكشف المختلفة تؤثر على الاستجابة الطيفية، وأداء القياس، وزمن الاستجابة، والتكلفة.

بالنسبة لقرار الشراء، يُعد هذا الاختلاف مهماً لأن المستشعر الذي يعمل بشكل جيد في نظام مراقبة موزع ومدمج قد لا يكون الخيار المناسب لتقييم موارد الطاقة الشمسية على المدى الطويل أو مراقبة الأنظمة الكهروضوئية بدقة أعلى. يُفضَّل عموماً مقياس الإشعاع الشمسي من نوع المزدوجة الحرارية لقياس الإشعاع الشمسي واسع النطاق، بينما يمكن أن يكون مقياس الإشعاع الشمسي من نوع السيليكون أكثر عملية عندما تكون الاستجابة السريعة والحجم المدمج وتكلفة النشر من الأولويات.

في الأقسام التالية، نقارن بين التقنيتين من حيث مبادئ القياس، والاستجابة الطيفية، والدقة، وزمن الاستجابة، والتكلفة، والتطبيقات النموذجية، ثم ننظر في ما يجب على المشترين التحقق منه عند اختيار مقياس الإشعاع الشمسي، وخيارات مراقبة الإشعاع الشمسي التي قد تناسب متطلبات المشاريع المختلفة.

المزدوجة الحرارية مقابل مقياس الإشعاع الشمسي من نوع السيليكون: ما الفرق؟

للوهلة الأولى، يبدو أن مقياس الإشعاع الحراري و مقياس الإشعاع الشمسي السيليكوني يقومان بالوظيفة نفسها: قياس الإشعاع الشمسي. يصبح الفرق واضحاً عند النظر في كيفية اكتشافهما لضوء الشمس. يقيس مقياس الإشعاع الحراري الحرارة الناتجة عن الإشعاع الممتص، بينما يستخدم مقياس الإشعاع الشمسي السيليكوني ثنائي ضوئي سيليكوني لاكتشاف الضوء وتوليد إشارة كهربائية. يؤثر هذا الاختلاف على الاستجابة الطيفية للمستشعر، وزمن الاستجابة، والسعر، ونوع أعمال المراقبة التي يناسبها بشكل أفضل.

الميزة	بيرانومتر ثيرموبيل	مقياس الإشعاع الشمسي السيليكوني (Silicon Pyranometer)
مبدأ الكشف	التأثير الكهروحراري	ثنائي ضوئي سيليكوني
الاستجابة الطيفية	طيف شمسي واسع النطاق	استجابة طيفية أكثر انتقائية
سرعة الاستجابة	أبطأ عموماً	أسرع عموماً
قياس واسع النطاق	مناسب تمامًا	أكثر اعتماداً على الاستجابة الطيفية
التكلفة النموذجية	أعلى عمومًا	أقل عمومًا
التطبيقات النموذجية	المراقبة الأرصاد الجوية، تقييم موارد الطاقة الشمسية، مراقبة الأنظمة الكهروضوئية	مراقبة الأنظمة الكهروضوئية، محطات الأرصاد الجوية المدمجة، الاستشعار الموزع

من الناحية العملية، يعود الاختيار إلى ما تتوقع أن تمثله بيانات المستشعر. عادةً ما يُنظر إلى المزدوجة الحرارية عندما يكون الإشعاع الشمسي واسع النطاق والقياسات المستقرة طويلة المدى مهمين. غالباً ما يكون مستشعر السيليكون أكثر ملاءمة عندما تكون الاستجابة السريعة والحجم المدمج والتكلفة المنخفضة من الأولويات الأعلى. لا تُعد أي من التقنيتين الخيار الصحيح تلقائياً لكل مشروع؛ يجب أن يأتي هدف القياس وظروف الموقع في المقام الأول.

كيف يقيس مقياس الإشعاع الشمسي من نوع المزدوجة الحرارية ومقياس الإشعاع الشمسي من نوع السيليكون الإشعاع الشمسي؟

يبدأ الفرق بين مقياس الإشعاع الشمسي من نوع المزدوجة الحرارية ومقياس الإشعاع الشمسي من نوع السيليكون من كيفية استجابة الكاشف لضوء الشمس. أحدهما يقيس التأثير الحراري للإشعاع الممتص، بينما يحوّل الآخر الضوء مباشرة إلى إشارة كهربائية. فهم هذا الاختلاف الأساسي يسهّل رؤية سبب تصرف التقنيتين بشكل مختلف في الاستجابة الطيفية والسرعة والمراقبة العملية للإشعاع الشمسي.

بيرانومتر ثيرموبيل

يقيس مقياس الإشعاع الشمسي من نوع المزدوجة الحرارية الإشعاع الشمسي عن طريق تحويل الإشعاع الممتص إلى حرارة ثم إلى إشارة كهربائية. يمتص سطح الاستشعار الإشعاع الوارد، مما يخلق فرقاً في درجة الحرارة بين الوصلات الساخنة والباردة للمزدوجة الحرارية. ينتج عن هذا الفرق في درجة الحرارة جهد صغير يمكن ربطه بالإشعاع الشمسي الساقط.

الميزة الرئيسية هي استجابته الطيفية الواسعة. فبدلاً من الاعتماد على خصائص استجابة كاشف أشباه الموصلات، صُمم عنصر استشعار المزدوجة الحرارية للاستجابة لجزء واسع من الطيف الشمسي. لهذا السبب تُستخدم مقاييس الإشعاع الشمسي من نوع المزدوجة الحرارية عادةً للقياس المستمر للإشعاع الشمسي، والرصد الأرصاد الجوي، والتطبيقات التي تكون فيها بيانات الإشعاع واسع النطاق مهمة.

على سبيل المثال،, TBQ-2C من YanTai Sensor يستخدم مزدوجة حرارية ملفوفة بسلك وغطاء زجاجي كوارتزي مزدوج الطبقة. نطاقه الطيفي المنشور هو 0.3–3.2 ميكرومتر، مع زمن استجابة 99% أقل من 35 ثانية واستقرار سنوي ≤±2%. توفر هذه المواصفات مثالاً عملياً على كيفية تطبيق بناء المزدوجة الحرارية في مستشعر الإشعاع الشمسي الميداني.

مقياس الإشعاع الشمسي السيليكوني (Silicon Pyranometer)

يعمل مقياس الإشعاع الشمسي من نوع السيليكون بشكل مختلف. يستخدم ثنائي ضوئي سيليكوني لتحويل الضوء الوارد إلى إشارة كهربائية مباشرة، لذا لا توجد عملية حرارية مماثلة لمسار قياس المزدوجة الحرارية. نتيجة لذلك، يمكن لكواشف السيليكون الاستجابة بسرعة كبيرة للتغيرات في الإشعاع ويمكن دمجها في أجهزة مراقبة مدمجة نسبياً.

القيد هو الاستجابة الطيفية. كواشف السيليكون أكثر انتقائية بطبيعتها من كواشف المزدوجة الحرارية واسعة النطاق، لذا تعتمد الإشارة المقاسة بشكل أقوى على طيف ضوء الشمس الوارد. هذا مهم عندما تتغير الظروف، مثل أثناء الغطاء السحابي أو عندما يُستخدم المستشعر مع وحدات كهروضوئية ذات استجابة طيفية معينة. لهذا السبب، يجب اختيار مقياس الإشعاع الشمسي من نوع السيليكون وفقاً لهدف المراقبة الفعلي والمعايرة وأداء القياس المطلوب وليس سرعة الاستجابة وحدها.

المزدوجة الحرارية مقابل مقياس الإشعاع الشمسي من نوع السيليكون: الإيجابيات والسلبيات

يصبح الحكم على الفرق أسهل بمجرد الانتقال من مبدأ المستشعر إلى المهمة الفعلية التي يحتاج إلى أدائها. من الناحية العملية، لا تصلح أي من التقنيتين لكل نظام مراقبة. عادةً ما يكون المزدوجة الحرارية أكثر منطقية عندما تكون بيانات الإشعاع واسع النطاق والقياس طويل المدى من الأولويات، بينما يمكن أن يكون مستشعر السيليكون أكثر عملية عندما تكون الاستجابة السريعة والتركيب المدمج وتكلفة النشر ذات وزن أكبر.

المزدوجة الحرارية: أين تتمتع بميزة

يُستخدم مقياس الإشعاع الشمسي من نوع المزدوجة الحرارية عموماً كأداة مخصصة للإشعاع الشمسي. صُمم لالتقاط جزء واسع من الطيف الشمسي الوارد وتوفير بيانات إشعاع مستمرة، ولهذا السبب يوجد غالباً في محطات الأرصاد الجوية، وأنظمة قياس موارد الطاقة الشمسية، والمنشآت البحثية، ومعدات مراقبة الأنظمة الكهروضوئية.

تكمن قوته في الاتساق عبر ظروف ضوء الشمس المتغيرة. عندما يكون الغرض هو بناء سجل إشعاعي طويل الأمد أو استخدام بيانات شدة الإشعاع لتحليل شمسي أكثر تفصيلاً، فإن الاستجابة الأوسع للعمود الحراري غالبًا ما تستحق التكلفة الإضافية. المقايضة واضحة: يستغرق الكشف الحراري وقتًا أطول للاستجابة، وتتطلب الأجهزة عالية الأداء معايرة أكثر دقة وعادةً ما تكون أكثر تكلفة.

السيليكون: أين تكمن مزاياه

مقياس الإشعاع الشمسي السيليكوني هو نوع أكثر إحكامًا من أجهزة استشعار الإشعاع الشمسي المبني حول صمام ضوئي سيليكوني. يستجيب مباشرة للضوء الساقط، لذا يمكنه اكتشاف التغيرات السريعة في شدة الإشعاع دون انتظار تسخين العنصر الحراري. هذا يجعل التقنية مفيدة حيث تحتاج أجهزة الاستشعار إلى أن تكون صغيرة وسريعة الاستجابة وسهلة النشر في مواقع متعددة.

المقايضة هي أن الكاشف له استجابة طيفية أكثر انتقائية. بالنسبة لنظام مراقبة بسيط، قد لا يكون هذا مشكلة كبيرة، لكنه يصبح مهمًا عندما تحتاج القيمة المقاسة إلى تمثيل الإشعاع الشمسي واسع النطاق تحت ظروف جوية أو طيفية مختلفة. في تلك الحالات، يجب فحص الخصائص الطيفية الفعلية للمستشعر والمعايرة قبل اتخاذ قرار الشراء.

لماذا تهم الاستجابة الطيفية؟

ضوء الشمس الواصل إلى المستشعر ليس ثابتًا طيفيًا. يمكن أن يغير الارتفاع الشمسي، وكتلة الهواء، والغطاء السحابي، والرطوبة الجوية، والهباء الجوي توزيع الأطوال الموجية الواصلة إلى الأرض. نظرًا لأن كواشف العمود الحراري والسيليكون تستجيب لهذه الأطوال الموجية بشكل مختلف، يمكن لمستشعرين معايرين بشكل صحيح أن ينتجا قراءات مختلفة لشدة الإشعاع تحت نفس الظروف الخارجية.

لهذا السبب يجب النظر في الاستجابة الطيفية جنبًا إلى جنب مع الدقة والمعايرة ومتطلبات التطبيق عند اختيار مقياس الإشعاع الشمسي.

كيف يختلف مستشعرا العمود الحراري والسيليكون طيفيًا؟

يستخدم مقياس الإشعاع الشمسي السيليكوني صمامًا ضوئيًا ذا استجابة طيفية محددة، لذا يتأثر خرجه بكمية الضوء الساقط وتوزيع أطواله الموجية. يمكن تصميم مقياس الإشعاع الشمسي بالعمود الحراري للاستجابة عبر جزء أوسع بكثير من الطيف الشمسي. على سبيل المثال، يتمتع TBQ-2C من Yantai Sensor بنطاق طيفي منشور يتراوح من 0.3 إلى 3.2 ميكرومتر، ويغطي الأجزاء فوق البنفسجية والمرئية وتحت الحمراء من الإشعاع الشمسي الساقط.

التمييز المهم ليس ببساطة أن أحد المستشعرين يقيس ضوء شمس أكثر من الآخر. بل إن الكاشفين يزنان الأطوال الموجية المختلفة بشكل مختلف. عندما يتغير الطيف الشمسي خلال اليوم أو مع الظروف الجوية، يمكن أن يؤثر هذا الاختلاف أيضًا على العلاقة بين قراءاتهما.

لماذا يهم ذلك لمراقبة الطاقة الكهروضوئية؟

بالنسبة لمراقبة الطاقة الكهروضوئية، تهم الاستجابة الطيفية لأن قياس الإشعاع المرجعي غالبًا ما يُستخدم لتقييم أداء النظام الشمسي. تمتلك الألواح الكهروضوئية أيضًا استجابتها الطيفية الخاصة، لذا قد لا يتتبع المستشعر الذي تختلف خصائصه الطيفية بشكل كبير عن اللوح المدخل الشمسي القابل للاستخدام بنفس الطريقة تمامًا تحت الظروف المتغيرة.

هذا لا يعني أن المستشعر السيليكوني غير مناسب تلقائيًا لتطبيقات الطاقة الكهروضوئية. يمكن أن يكون خيارًا عمليًا عندما تكون خصائصه الطيفية ومعايرته مناسبة لغرض المراقبة. لتقييم موارد الطاقة الشمسية واسع النطاق أو التطبيقات التي تتطلب تمثيلاً أوسع للإشعاع الساقط، غالبًا ما يكون مقياس الإشعاع الشمسي بالعمود الحراري الخيار الأكثر ملاءمة.

هل مقياس الإشعاع الشمسي بالعمود الحراري دائمًا أكثر دقة؟

ليس دائمًا. غالبًا ما يُفضل العمود الحراري عندما يحتاج القياس إلى تغطية طيف شمسي واسع، لكن هذا لا يجعل تلقائيًا كل مقياس إشعاع شمسي بالعمود الحراري أكثر دقة من كل طراز سيليكوني. تؤثر جودة التصميم البصري والكاشف وتعويض درجة الحرارة والمعايرة والبناء الميكانيكي جميعها على القياس النهائي.

هذه نقطة مهمة عند مقارنة الموردين. يمكن لمقياسي إشعاع شمسي يستخدمان نفس تقنية الكاشف أن يكون لهما مواصفات وأداء ميداني مختلفان بشكل ملحوظ. بدلاً من الحكم على المستشعر بمجرد كونه “عمود حراري” أو “سيليكون”، انظر إلى المعلمات التي تصف كيفية أداء الجهاز الكامل.

ما الذي يجب أن تتحقق منه في ورقة البيانات؟

المعلمة	ما الذي يجب البحث عنه
الاستجابة الطيفية	تحقق مما إذا كان نطاق الطول الموجي يتطابق مع الإشعاع الذي تحتاج فعلاً إلى قياسه.
فئة الدقة / الأداء	قارن فئة الأداء المعلنة أو دقة القياس بدلاً من الاعتماد على نوع الكاشف.
استجابة جيب التمام	مهم للقياسات الخارجية لأن زاوية سقوط ضوء الشمس تتغير على مدار اليوم.
الاعتماد على درجة الحرارة	يوضح مدى احتمال تغير خرج المستشعر مع تغير درجة حرارة التركيب.
الاستقرار السنوي	مفيد لتقييم ما إذا كان المستشعر قادراً على الحفاظ على قراءات متسقة أثناء النشر طويل الأمد.
وقت الاستجابة	يستحق التحقق عندما يحتاج النظام إلى التقاط التغيرات السريعة الناتجة عن السحب المتحركة أو تغير شدة الإشعاع.
المعايرة	تحقق من طريقة المعايرة والشهادة وإمكانية التتبع المتاحة للقياس قبل الشراء.

أي مقياس إشعاع شمسي أفضل للطاقة الشمسية الكهروضوئية؟

بالنسبة لمشروع الطاقة الشمسية الكهروضوئية، يعتمد مقياس الإشعاع الشمسي المناسب على ما يُتوقع من بيانات الإشعاع أن تحققه. المستشعر المستخدم لتقييم الموارد الشمسية أو دعم اختبارات الأداء له متطلبات مختلفة عن المستشعر المثبت عند عشرات نقاط المراقبة حول محطة. لذلك يجب أن يبدأ الاختيار من مهمة القياس، وليس من اسم المستشعر.

متطلبات الطاقة الشمسية الكهروضوئية	الاتجاه الموصى به
تقييم الموارد الشمسية	المرجل الحراري
قياس مرجعي واسع النطاق	المرجل الحراري
سجلات الإشعاع طويلة الأمد	المرجل الحراري
نقاط المراقبة الموزعة	يمكن أن يكون السيليكون عملياً
التغيرات السريعة في الإشعاع	السيليكون
محطة أرصاد جوية مدمجة	السيليكون أو مقياس الإشعاع الحراري المدمج
قياس أداء الطاقة الشمسية الكهروضوئية	اختر وفقاً للمعيار المطلوب وفئة الأداء

متى يكون مقياس الإشعاع الحراري أكثر منطقية للطاقة الشمسية الكهروضوئية؟

إذا ستُستخدم بيانات الإشعاع كمرجع لتقييم المورد الشمسي أو أداء نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية، فغالباً ما يكون مقياس الإشعاع الحراري نقطة البداية الأكثر أماناً. تجعله استجابته الطيفية الواسعة مناسباً للقياسات التي يكون هدفها توصيف الإشعاع الشمسي الوارد بدلاً من مجرد اكتشاف التغيرات في شدة الضوء. وهذا مهم بشكل خاص للمراقبة طويلة الأمد وقياسات الأداء عالية الجودة.

لا يزال يتعين اختيار المستشعر وفقاً للمتطلبات الفعلية للمشروع. يمكن أن تؤثر فئة الأداء، والاستجابة لجيب التمام، والاعتماد على درجة الحرارة، والمعايرة، وزاوية التركيب، وظروف الصيانة على البيانات النهائية. دفع المزيد مقابل مقياس إشعاع حراري لا يحل هذه المشكلات تلقائياً.

متى يمكن أن يكون السيليكون خياراً عملياً؟

يمكن أن تكون مقاييس الإشعاع الشمسي السيليكونية أكثر منطقية عندما يحتاج نظام المراقبة إلى عدد كبير من المستشعرات وتكون الأولوية للاستجابة السريعة أو التركيب المدمج أو إبقاء تكلفة كل نقطة قياس تحت السيطرة. وهي مناسبة للعديد من تطبيقات مراقبة الطاقة الشمسية الكهروضوئية الروتينية، بشرط أن تكون الخصائص الطيفية للكاشف والمعايرة مناسبة للاستخدام المقصود.

بالنسبة لفريق الشراء، هذا التمييز مفيد: إذا كان المستشعر جزءاً من المرجع القياسي، فركز على أداء القياس أولاً؛ وإذا كان أحد نقاط المراقبة الموزعة العديدة، فقد تصبح الاستجابة والتكامل واستهلاك الطاقة والتكلفة أكثر أهمية. يجب أن يعتمد الاختيار النهائي على دور المستشعر في نظام الطاقة الشمسية الكهروضوئية والمواصفات التي يتطلبها المشروع.

مقياس الإشعاع الحراري أم مقياس الإشعاع الشمسي السيليكوني: ما الذي يجب أن يتحقق منه المشترون؟

يجب أن يبدأ الاختيار بين مقياس الإشعاع الحراري ومقياس الإشعاع الشمسي السيليكوني من متطلبات المشروع بدلاً من نوع الكاشف. قبل طلب عرض الأسعار، يجب على المشترين تأكيد ما يجب قياسه، وجودة البيانات المطلوبة، وبيئة التركيب، وكيفية اتصال المستشعر بنظام المراقبة الحالي.

ما الذي تقيسه فعلياً؟

حدد هدف القياس أولاً: الإشعاع الشامل، أو مستوى مصفوفة الألواح (POA)، أو الأشعة فوق البنفسجية، أو الإشعاع النشط للتمثيل الضوئي (PAR)، أو كمية إشعاع أخرى. بالنسبة لمشاريع الطاقة الشمسية الكهروضوئية، وضح أيضاً ما إذا كان المستشعر للمراقبة الروتينية أو تقييم الأداء أو القياس المرجعي، لأن كل تطبيق قد يكون له متطلبات مختلفة للاستجابة الطيفية وأداء القياس.

ما أداء القياس المطلوب؟

لا تحكم على مقياس الإشعاع الشمسي بالدقة المعلنة وحدها. تحقق من فئة الأداء، والاستجابة الطيفية، والاستجابة لجيب التمام، والاعتماد على درجة الحرارة، والاستقرار السنوي، ومعلومات المعايرة معاً، خاصة إذا ستُستخدم البيانات للاختبار أو إعداد التقارير أو تحليل الأداء طويل الأمد.

ما مدى سرعة استجابة المستشعر المطلوبة؟

يصبح زمن الاستجابة مهماً عندما يحتاج النظام إلى التقاط التغيرات السريعة في الإشعاع، مثل تلك الناتجة عن السحب المتحركة. إذا كان التطبيق يتتبع بشكل أساسي الاتجاهات الشمسية طويلة الأمد، فقد توفر الاستجابة السريعة جداً فائدة عملية ضئيلة، لذا حدد أولاً تردد أخذ العينات والمراقبة المطلوب.

أين سيتم تركيب المستشعر؟

ضع في الاعتبار الظروف الخارجية الفعلية، بما في ذلك درجة الحرارة والرطوبة والمطر والغبار والثلوج وزاوية التركيب والوصول للصيانة. يستحق التحقق من درجة حرارة التشغيل وتصنيف IP وتكوين الكابل ومتطلبات التنظيف قبل الشراء، خاصة للمستشعرات التي ستبقى في الخارج لسنوات.

كيف سيتصل المستشعر بنظامك؟

أكد توافق RS485/Modbus المتاح، أو الخرج التناظري، أو جهد التغذية، أو الكابل، أو الموصل، أو مسجل البيانات قبل الطلب. قد يلبي المستشعر متطلبات القياس لكنه يظل يخلق مشكلات في التكامل إذا لم تتطابق واجهة الاتصال أو متطلبات الطاقة مع نظام المراقبة الحالي.

خيارات مستشعر الإشعاع الشمسي من YanTai Sensor

توفر YanTai Sensor خيارات مختلفة لقياس الإشعاع الشمسي اعتماداً على ما إذا كان المشروع يتطلب مقياس إشعاع شمسي مستقل، أو مراقبة جوية متكاملة، أو قياساً آلياً للإشعاع الشمسي.

الخاتمة

مقاييس الإشعاع الشمسي من نوع المزدوجة الحرارية والسيليكون ليست ببساطة بدائل “عالية الدقة” و“منخفضة التكلفة”. تؤثر تقنيات الكشف المختلفة بينهما على الاستجابة الطيفية وزمن الاستجابة والتكلفة وملاءمة التطبيق. لقياس الإشعاع الشمسي واسع النطاق بشكل مستقل، غالباً ما يكون المزدوجة الحرارية الخيار الأكثر أماناً، بينما يمكن أن يكون السيليكون عملياً للمراقبة المدمجة والسريعة والحساسة للتكلفة. يجب أن يعتمد الاختيار النهائي على أداء القياس المطلوب وبيئة التركيب وتكوين النظام الإجمالي.

هل لديك مشروع لمراقبة الإشعاع الشمسي؟ أرسل لنا هدف القياس وبيئة التركيب والدقة المطلوبة وواجهة الاتصال وعدد نقاط المراقبة. تواصل مع YanTai Sensor لمناقشة متطلباتك والحصول على تكوين مناسب لمستشعر الإشعاع الشمسي لمشروعك.

الأسئلة الشائعة