Способ измерения характеристик солнечного излучения многоэлементным датчиком Российский патент 2019 года по МПК G01W1/12 G01J1/42 

Изобретение относится к метеорологии и позволяет измерять прямую, рассеянную и суммарную солнечную радиацию и продолжительность солнечного сияния.

Известен способ измерения прямой, рассеянной и суммарной солнечной радиации и продолжительности солнечного сияния с использованием актинометра, пиранометра(-ов) и гелиографа [1], заключающийся в том, что с помощью специальных устройств или вручную нацеливают актинометр и затеняющий экран пиранометра на Солнце и измеряют прямую и рассеянную радиацию, незатененным пиранометром определяют суммарную радиацию, а продолжительность солнечного сияния определяют с помощью гелиографа. Недостатком такого способа является необходимость использования следящей за Солнцем системы или присутствия оператора.

Наиболее близким к предлагаемому способу является принятый за прототип способ измерения суммарной, прямой и рассеянной радиации и продолжительности солнечного сияния с помощью датчика солнечной радиации [2]. Сущность способа заключается в том, что датчик имеет как минимум два, а в типовом варианте семь светочувствительных элементов, расположенных равномерно и равноудалено от центра датчика (причем седьмой датчик расположен в центре) таким образом, что благодаря специальному маскирующему элементу полусферической формы, имеющему равные по общей площади прозрачные и непрозрачные для солнечного излучения области, форма и расположение которых тесно связана с количеством и расположением светочувствительных элементов, не зависимо от азимутальной ориентации датчика и положения Солнца по крайней мере один светочувствительный элемент полностью открыт для прямой солнечной радиации через прозрачные области затеняющего элемента и измеряет максимальное значение солнечной радиации Q_max, а по крайней мере один полностью закрыт для прямой солнечной радиации непрозрачными областями затеняющего элемента и измеряет минимальное значение солнечной радиации Q_min, кроме того, каждый светочувствительный элемент получает по существу половину рассеянной солнечной радиации D. Таким образом, имеются следующие соотношения:

где S' - прямая солнечная радиация на горизонтальную поверхность;

D - рассеянная солнечная радиация;

ΔD_close - часть рассеянной радиации, не поступающая на светочувствительные элементы через непрозрачные для солнечного излучения области маскирующего элемента.

Значения рассеянной D прямой на горизонтальную поверхность S', суммарной Q радиации и продолжительности солнечного сияния T_SS определяются как

где Threshold - некоторое пороговое значение прямой солнечной радиации.

Признаки прототипа, которые совпадают с признаками заявляемого способа, следующие: датчик имеет как минимум два измерительных элемента для измерения суммарной солнечной радиации, расположенных под маскирующим элементом таким образом, что благодаря его специальной форме не зависимо от азимутальной ориентации датчика и положения Солнца в момент измерения по крайней мере один измерительный элемент полностью открыт для прямой солнечной радиации и измеряет максимальное значение солнечной радиации Q_max, а по крайней мере один измерительный элемент полностью закрыт для прямой солнечной радиации и измеряет минимальное значение солнечной радиации Q_mim а прямая радиация на горизонтальную поверхность определяется как S'=Q_max - Q_min.

Недостатком такого способа является то, что половина общей площади маскирующего элемента содержит непрозрачные для солнечного излучения области и определение полной величины рассеянной радиации проводится в предположении, что величины рассеянной радиации, поступающие от открытых и закрытых участков небосвода, равны, что может быть справедливо только в случае равномерно распределенной по всему небосводу (и особенно в зенитной области) однородной облачности или при полном ее отсутствии, что снижает точность определения величины реальной рассеянной радиации и, как следствие этого, приводит к снижению точности определения величины суммарной радиации.

Задачей, на решение которой направлено данное изобретение, является устранение влияния маскирующего элемента на точность измерения величин суммарной и рассеянной радиации путем введения дополнительно измерительного элемента.

Технический результат - повышение точности измерения суммарной и рассеянной радиации.

Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе дополнительный измерительный элемент располагается над какой-либо непрозрачной для солнечного излучения областью маскирующего элемента таким образом, что он непосредственно измеряет суммарную солнечную радиацию и при этом не влияет на форму и не увеличивает общую площадь непрозрачных для солнечного излучения областей маскирующего элемента.

В отличие от известного, в предлагаемом способе суммарная радиация Q измеряется непосредственно дополнительным измерительным элементом, а рассеянная D и прямая радиация на нормальную поверхность S и продолжительность солнечного сияния T_SS определяются как

где h - высота Солнца над горизонтом.

Предлагаемый способ может быть реализован с помощью устройства (фиг.). На фиг. приведен вариант расположения дополнительного измерительного элемента над непрозрачной для солнечного излучения областью маскирующего элемента, позволяющий непосредственно измерять суммарную солнечную радиацию не влияя при этом на величину рассеянной радиации, получаемой каждым измерительным элементом, расположенным под маскирующим элементом.

Устройство состоит: 1 - измерительные элементы; 2 - маскирующий элемент полусферической формы; 3 - непрозрачные для солнечного излучения области маскирующего элемента; 4 - прозрачные для солнечного излучения области маскирующего элемента; 5 - дополнительный измерительный элемент.

Устройство, имеющие как минимум два измерительных элемента 1 и маскирующий элемент полусферической формы 2 с прозрачными 4 и непрозрачными 3 для солнечного излучения областями располагают таким образом, что в момент измерения, не зависимо от азимутальной ориентации датчика и положения Солнца, по крайней мере, один измерительный элемент полностью открыт для прямой солнечной радиации, а один измерительный элемент полностью закрыт для прямой солнечной. С помощью датчика измеряют максимальное значение солнечной радиации (измерительный элемент полностью открыт для прямой солнечной радиации) и минимальное значение солнечной радиации (измерительный элемент полностью открыт для прямой солнечной радиации), Значения прямой радиации измеряют дополнительным измерительным элементом 5, который располагается над какой-либо непрозрачной для солнечного излучения областью маскирующего элемента таким образом, что он непосредственно измеряет суммарную солнечную радиацию Q и при этом не влияет на форму и не увеличивает общую площадь непрозрачных для солнечного излучения областей маскирующего элемента, а рассеянная D и прямая радиация на нормальную поверхность S и продолжительность солнечного сияния T_SS определяются как

,

,

.

Таким образом, если вынести один измерительный элемент за пределы маскирующего элемента, то тогда становится неважным отношения прозрачных и непрозрачных зон маскирующего элемента, т.к. на измерение прямой радиации на горизонталь это никак не влияет, а суммарная радиация измеряется напрямую. В прототипе точность определения рассеянной D и суммарной Q радиации зависит от точности соблюдения равенства прозрачных и непрозрачных участков экрана (в идеале для каждой его зоны), а также от того, чтобы облачность была однородной и равномерно распределена по небосводу, т.е., предполагается, что рассеянная радиация от прозрачных участков экрана равна половине рассеянной радиации от всего небосвода.

Использованные источники

1. РД 52.04.562-96. Наставление гидрометеорологическим станциям и постам. Выпуск 5. Актинометрические наблюдения. Часть 1. Актинометрические наблюдения на станциях. - ГГО им. А.И. Воейкова. -1996.- 191 с.

2. Патент EP 1012633 В1. Solar radiation sensor. - 2002. - 15 с.

Изобретение относится к области метеорологии и касается способа измерения характеристик солнечного излучения. Способ основан на измерении максимальных и минимальных значений солнечной радиации с помощью датчика, имеющего как минимум два измерительных элемента, находящихся под маскирующим элементом полусферической формы с прозрачными и непрозрачными для солнечного излучения областями. Прозрачные и непрозрачные области расположены таким образом, что в момент измерения, независимо от азимутальной ориентации датчика и положения Солнца, по крайней мере один измерительный элемент полностью открыт для прямой солнечной радиации и измеряет максимальное значение солнечной радиации, а другой по крайней мере один измерительный элемент полностью закрыт для прямой солнечной радиации и измеряет минимальное значение солнечной радиации. Кроме того, датчик включает в себя дополнительный измерительный элемент, расположенный над непрозрачной для солнечного излучения областью маскирующего элемента таким образом, что он непосредственно измеряет суммарную солнечную радиацию. При этом он не влияет на форму и не увеличивает общую площадь непрозрачных для солнечного излучения областей маскирующего элемента. Технический результат заключается в повышении точности измерений. 1 ил.

Способ измерения характеристик солнечного излучения, основанный на измерении максимальных и минимальных значений солнечной радиации с помощью датчика, имеющего как минимум два измерительных элемента, находящихся под маскирующим элементом полусферической формы с прозрачными и непрозрачными для солнечного излучения областями, расположенными таким образом, что в момент измерения, независимо от азимутальной ориентации датчика и положения Солнца, по крайней мере один измерительный элемент полностью открыт для прямой солнечной радиации и измеряет максимальное значение солнечной радиации и по крайней мере один измерительный элемент полностью закрыт для прямой солнечной радиации и измеряет минимальное значение солнечной радиации, а значения прямой радиации на горизонтальную поверхность определяются как S'=Q_max-Q_min, отличающийся тем, что располагают дополнительный измерительный элемент над какой-либо непрозрачной для солнечного излучения областью маскирующего элемента таким образом, что он непосредственно измеряет суммарную солнечную радиацию Q и при этом не влияет на форму и не увеличивает общую площадь непрозрачных для солнечного излучения областей маскирующего элемента, а рассеянная D и прямая радиация на нормальную поверхность S и продолжительность солнечного сияния T_SS определяются как

D=Q-S',

,

.