일사계

일사계(pyranometer, )는 평면에서 태양 복사조도를 측정하는 데 사용되는 방사계의 일종으로, 0.3μm에서 3μm까지의 파장 범위 내에서 위쪽 반구에서 오는 태양 복사 플럭스 밀도(W/m2)를 측정하도록 설계되었다.

일반적인 일사계는 작동에 전력이 필요하지 않다. 그러나 최근 기술 개발에는 (낮은) 외부 전력이 필요한 일사계에 전자 장치를 사용하는 것이 포함된다(열 플럭스 센서 참조).

 설명 
454x454px|right|스펙트럼 및 스펙트럼 반응
지구 표면에 도달하는 태양 복사 스펙트럼은 약 300nm에서 2800nm까지 파장이 확장된다. 사용되는 일사계의 유형에 따라 스펙트럼 감도 정도가 다른 복사조도 측정이 얻어진다.

복사조도를 측정하려면 정의상 "빔" 방사에 대한 반응이 입사각의 코사인에 따라 달라져야 한다. 이렇게 하면 태양 복사가 센서에 수직으로 부딪힐 때(표면에 수직, 태양 정점, 입사각 0°) 완전한 반응을 보이고, 태양이 지평선에 있을 때(입사각 90°, 천정각 90°)는 반응이 없으며, 입사각 60°에서는 0.5의 반응을 보인다. 따라서 일사계는 이상적인 코사인 특성에 최대한 가까운 소위 "방향 반응" 또는 "코사인 반응"을 가져야 한다.

 유형 
ISO 9060에 명시된 정의에 따라 세 가지 유형의 일사계를 식별할 수 있으며, 두 가지 다른 기술로 분류된다: 열전퇴 기술과 실리콘 반도체 기술.

스펙트럼 반응으로 알려진 빛 감도는 일사계의 유형에 따라 달라진다. 위 그림은 태양 복사 스펙트럼과 관련하여 세 가지 유형의 일사계의 스펙트럼 반응을 보여준다. 태양 복사 스펙트럼은 정오에 해수면에서 A.M. (대기 질량) = 1.5일 때 지구 표면에 도달하는 햇빛의 스펙트럼을 나타낸다.

위도와 고도는 이 스펙트럼에 영향을 미친다. 이 스펙트럼은 또한 연무질과 오염에 의해서도 영향을 받는다.

 열전퇴 일사계 
열전퇴 일사계(또는 열전 일사계)는 180° 시야각에서 넓은 대역의 태양 복사 플럭스 밀도를 측정하도록 설계된 열전퇴 기반 센서이다. 따라서 열전퇴 일사계는 일반적으로 300nm에서 2800nm까지의 넓은 대역을 주로 평평한 스펙트럼 감도(스펙트럼 반응 그래프 참조)로 측정한다. 1세대 열전퇴 일사계는 센서의 활성 부분이 검은색과 흰색 섹터로 균등하게 나뉘어 있었다. 조사량은 태양에 노출된 검은색 섹터의 온도와 태양에 노출되지 않은 흰색 섹터, 즉 그늘진 섹터의 온도 간의 차동 측정으로부터 계산되었다.

모든 열전퇴 기술에서 조사량은 태양 노출 영역의 온도와 그림자 영역의 온도 차이에 비례한다.

 설계 
섬네일|229x229px|일사계의 선 그림으로, 필수 부품을 보여준다: (1) 케이블, (3) 일사계 및 (5) 유리 돔, (4) 검은색 검출기 표면, (6) 햇빛 차단막, (7) 건조제 표시기, (9) 수평 조절 발, (10) 기포 수준기, (11) 커넥터
적절한 방향 및 스펙트럼 특성을 얻기 위해 열전퇴 일사계는 다음 주요 구성 요소로 구성된다:
 검은색 코팅이 된 열전퇴 센서. 모든 태양 복사를 흡수하며, 300에서 50,000나노미터 범위의 평탄한 스펙트럼을 가지고 거의 완벽한 코사인 응답을 보인다.
 유리 돔. 300에서 2,800나노미터(2,800나노미터 이상 부분 차단)까지의 스펙트럼 응답을 제한하는 동시에 180° 시야각을 유지한다. 또한 대류로부터 열전퇴 센서를 보호한다. 많은, 그러나 전부는 아닌, 1등급 및 2등급 표준 일사계(열전퇴 일사계의 ISO 9060 분류 참조)는 추가적인 "복사 차폐"로 두 번째 유리 돔을 포함하여 동일 제조업체의 일부 단일 돔 모델에 비해 센서와 내부 돔 사이의 더 나은 열 평형을 이룬다. 이러한 경우 두 번째 돔을 갖는 효과는 기기 오프셋의 강력한 감소이다. 낮은 제로 오프셋(+/ - 1 W/m2)을 가진 클래스 A, 단일 돔 모델도 사용할 수 있다.

현대 열전퇴 일사계에서 열전퇴의 활성(고온) 접합부는 검은색 코팅 표면 아래에 위치하며 검은색 코팅에서 흡수된 복사에 의해 가열된다. 열전퇴의 수동(저온) 접합부는 태양 복사로부터 완전히 보호되며 방열판 역할을 하는 일사계 하우징과 열 접촉을 이룬다. 이는 그늘에서 온도를 측정할 때 황변이나 부패로 인한 변화를 방지하여 태양 복사조도 측정의 정확성을 저해하는 것을 막는다.

열전퇴는 검은색 코팅 표면과 기기 하우징 간의 온도 차이에 비례하는 작은 전압을 생성한다. 이는 W/m2당 약 10 μV(마이크로볼트)이므로, 화창한 날에는 출력이 약 10 mV(밀리볼트)가 된다. 각 일사계는 신호 교정을 위한 전자 장치를 갖추지 않는 한 고유한 감도를 가진다.

 사용법 
섬네일|left|기상 관측소의 일부인 열전퇴 일사계

열전퇴 일사계는 기상학, 기후학, 기후 변화 연구, 건축 공학 물리, 태양광 발전 시스템, 태양광 발전소 모니터링에 자주 사용된다.

태양 에너지 산업은 2017년 표준인 IEC 61724-1:2017에 따라 태양광 발전소의 규모와 범주에 따라 사용해야 할 일사계의 유형과 수를 정의했다. 이 표준은 성능 비율 계산의 정확도를 높이기 위해 열전퇴 일사계를 수평으로(GHI, Global Horizontal Irradiation) 설치하고, 태양광 일사계를 PV 모듈 평면(POA, Plane Of Array)에 설치할 것을 권장한다.

일사계로 측정된 데이터(수평 또는 평면 내)를 사용하려면 원시 측정 데이터의 품질 평가(QA)가 필요하다. 이는 일사계 측정이 일반적으로 환경 유발 오류뿐만 아니라 다음과 같은 취급 및 부주의 오류로 인해 발생하기 때문이다.

 유리 돔의 오염(예: 대기 중 먼지 침착, 새 배설물, 강설), 측정된 복사조도 감소
 위치 지정 문제로 인해 예상과 다른 평면(즉, 수평이 아니거나 PV 모듈과 같은 평면이 아닌)에서 측정
 데이터 로거 오류로 인해 정적 값, 진동 또는 특정 값으로 제한된 데이터 발생
 주변 물체로부터의 반사 및 음영으로 인해 부정확한 측정(즉, 태양 복사조도와 일치하지 않음)
 기기 보정 문제로 인한 측정 오류, 오프셋 또는 시간 경과에 따른 드리프트
 가열 장치가 없는 저가형 일사계의 유리 돔에 이슬, 눈 또는 서리 발생

위의 각 문제는 측정된 시계열에서 특정 패턴으로 나타난다. 이 덕분에 문제를 식별하고, 오류가 있는 기록을 표시하며, 데이터 세트에서 제외할 수 있다. 데이터 QA에 사용되는 방법은 패턴을 식별하기 위해 전문가에게 의존하는 수동 방식이거나 알고리즘이 작업을 수행하는 자동 방식일 수 있다. 많은 패턴이 복잡하고 쉽게 설명되지 않으며 특정 컨텍스트를 요구하므로 수동 QA가 매우 일반적이다. QA를 수행하려면 적절한 도구를 갖춘 전문 소프트웨어가 필요하다.

QA 절차 후, 남아있는 '정리된' 데이터 세트는 측정 현장의 태양 복사조도를 기기 측정 불확실성 범위 내에서 반영한다. '정리된' 측정 데이터 세트는 위성 기반 태양 복사조도 모델의 데이터로 선택적으로 향상될 수 있다. 이 데이터는 일사계로 측정된 데이터보다 훨씬 더 긴 기간(일반적으로 수십 년 전) 동안 전 세계적으로 사용할 수 있다. 위성 모델 데이터는 일사계로 측정된 데이터와 상관 관계를 가지거나(또는 현장에 맞게 조정) 특정 현장에 대해 정확하고 정의된 불확실성을 가진 장기간의 데이터 세트를 생성할 수 있다. 이러한 데이터는 신뢰할 수 있는 태양 에너지 자원 연구를 수행하거나 태양 잠재력 지도를 생성하는 데 사용될 수 있다.

운영 중인 PV 발전소의 모니터링을 위해 일사계는 특정 시간 또는 특정 기간 동안 사용 가능한 태양 복사조도를 검증하는 데 필수적인 역할을 한다. 날씨 변동성, 이중성, 그리고 현대 태양광 발전소(100MWp 이상)의 공간적 규모로 인해 PV 발전소의 각 섹션에 정확한 태양 복사조도를 제공하기 위해 여러 일사계가 설치된다. 예를 들어 IEC 61724-1:2017 국제 표준은 100MWp PV 발전소에 최소 4개의 Class A 열전퇴 일사계를 항상 설치할 것을 요구한다.

QA 처리된 태양광 측정값은 자산 상태 모니터링 또는 생산된 에너지(청구) 또는 자산 관리(예: O&M)와 관련된 다양한 계약 시나리오에서 사용되는 지표인 성능 비율*과 같은 핵심 성과 지표(KPI)를 도출하는 데 사용될 수 있다. 이 계산에서 특정 기간 동안의 평면 내 복사조도 측정 합계는 정규화된 생산 PV 전력과 비교되는 결정 요인으로 사용된다. 특히 운영 중인 발전소에서 신뢰할 수 있는 평면 내 측정값을 얻기 어렵기 때문에, 오래된 성능 비율 측정값 대신 에너지 성능 지수가 점점 더 많이 사용되고 있다.

일부 보조 표준 일사계는 센서에 이슬, 서리 또는 눈이 쌓여 발생하는 측정 오류를 줄이기 위해 설계된 통합 돔 가열 시스템을 갖추고 있다. 이러한 가열 메커니즘은 춥거나 습한 환경에서 돔 표면의 광학적 선명도를 유지하여 중단 없는 정확한 태양 복사조도 판독값을 보장한다. 예를 들어 EKO 인스트루먼트의 MS-80SH 모델은 ISO 9060:2018 Class A 표준을 준수하는 이러한 가열 시스템을 통합하고 있으며, 서리 관련 간섭이 흔한 고위도 또는 고산 지역에서 사용된다. 

 태양광 일사계 – 실리콘 광다이오드 
ISO 9060에서 광전 일사계라고도 알려진 광다이오드 기반 일사계는 400 nm에서 1100 nm 사이의 태양 스펙트럼 부분을 감지할 수 있다. 광다이오드는 광전 효과 덕분에 앞서 언급된 태양 스펙트럼 주파수를 고속으로 전류로 변환한다. 이 변환은 온도의 영향을 받으며, 온도 상승에 따라 전류가 증가한다 (약 0.1% • °C).

 디자인 
300x300px|섬네일|광다이오드 일사계, 모델 퀀텀
광다이오드 기반 일사계는 하우징 돔, 광다이오드, 디퓨저 또는 광학 필터로 구성된다. 광다이오드는 작은 표면적을 가지며 센서 역할을 한다. 광다이오드에 의해 생성된 전류는 복사조도에 비례한다; 트랜스임피던스 증폭기와 같은 출력 회로는 광전류에 직접 비례하는 전압을 생성한다. 출력은 일반적으로 밀리볼트 단위이며, 열전퇴형 일사계와 같은 크기이다.

 용도 
광다이오드 기반 일사계는 가시 태양 스펙트럼의 복사조도 양 또는 UV, IR 또는 PAR(광합성 유효방사)와 같은 특정 부분의 양을 계산해야 하는 곳에 사용된다. 이는 특정 스펙트럼 응답을 가진 다이오드를 사용하여 이루어진다.
광다이오드 기반 일사계는 사진, 영화 및 조명 기술에 사용되는 노출계의 핵심이다. 때로는 태양광 발전 시스템의 모듈 근처에 설치되기도 한다.

 태양광 일사계 – 태양광 전지 
2000년대 태양광 발전 시스템의 확산과 함께 개발된 태양광 일사계는 광다이오드 일사계의 진화형이다. 이는 전지와 태양광 모듈의 전력을 측정할 때 단일 기준 태양광 전지의 필요성에 부응했다. 특히, 각 전지와 모듈은 각 제조업체에 의해 플래시 테스트를 통해 테스트되며, 열전퇴 일사계는 적절한 응답 속도나 전지와 동일한 스펙트럼 응답을 가지고 있지 않다. 이는 전력 측정 시 명확한 불일치를 초래하며, 이를 정량화해야 한다. 기술 문서에서 이 일사계는 "기준 전지"라고도 불린다.
300x300px|섬네일|태양광 일사계, SM1
센서의 활성 부분은 거의 단락 상태로 작동하는 태양광 전지로 구성된다. 따라서 생성된 전류는 350 nm에서 1150 nm 범위에서 전지에 도달하는 태양 복사조도에 직접 비례한다. 언급된 범위의 빛 복사조도를 받을 때 광기전력 효과의 결과로 전류를 생성한다. 그 감도는 평탄하지 않지만 실리콘 태양광 전지의 감도와 동일하다. 스펙트럼 응답 그래프를 참조하라.

 디자인 
태양광 일사계는 본질적으로 다음 부분으로 조립된다:
 고정 스태프가 있는 금속 용기
 작은 태양광 전지
 신호 조절 전자 장치
광다이오드 및 태양광 전지와 같은 실리콘 센서는 온도에 따라 출력을 변경한다. 최신 모델에서는 전자 장치가 온도에 따라 신호를 보상하여 태양 복사조도 값에서 온도의 영향을 제거한다. 여러 모델 내에서 케이스는 신호 증폭 및 신호 조절을 위한 보드를 수용한다.

 용도 
300px|섬네일|태양 복사조도 센서, 모델: 세븐 센서
태양광 일사계는 태양 시뮬레이터와 태양광 발전 시스템과 함께 태양광 모듈의 유효 전력 및 시스템 성능을 계산하는 데 사용된다. 태양광 일사계의 스펙트럼 응답이 태양광 모듈의 스펙트럼 응답과 유사하기 때문에 태양광 발전 시스템의 오작동에 대한 예비 진단에도 사용될 수 있다.

기준 PV 전지 또는 태양 복사조도 센서는 모듈 온도 센서, 주변 온도 센서, 풍속 센서, 풍향 센서, 상대 습도 연결을 보장하는 최대 5개의 입력과 데이터 로거에 직접 연결되는 단 하나의 Modbus RTU 출력을 가질 수 있다. 이 조합을 "기상 관측소"라고 부르며 태양광 발전소 모니터링에 적합하다. 이 기능은 열전퇴 일사계와 기준 전지 태양 복사조도 센서의 주요 차이점 중 하나이다.
섬네일|PV 기준 전지

 표준화 및 교정 
열전퇴형 및 태양광 일사계 모두 표준에 따라 제조된다.

 열전퇴 일사계 
섬네일|MS-80 Class A 빠른 응답 및 스펙트럼 평탄 일사계
열전퇴 일사계는 세계기상기구(WMO)가 채택한 ISO 9060 표준을 따른다. 이 표준은 세 가지 등급을 구분한다.

2018년 최신 ISO 9060 버전은 Class A가 최고 성능이며 Class B 및 Class C가 그 뒤를 잇는 분류를 사용하는 반면, 1990년 구 ISO 9060 표준은 "보조 표준", "1등급" 및 "2등급"과 같은 모호한 용어를 사용했다.

등급의 차이는 센서의 여러 특성(응답 시간, 열 오프셋, 온도 의존성, 방향 오차, 비안정성, 비선형성, 스펙트럼 선택성 및 기울기 응답) 때문이다. 이들은 모두 ISO 9060에 정의되어 있다. 센서가 특정 범주로 분류되려면 이러한 특성에 대한 모든 최소 요구 사항을 충족해야 한다.

'빠른 응답'과 '스펙트럼 평탄'은 ISO 9060:2018에 포함된 두 가지 하위 분류이다. 이들은 센서를 더욱 구별하고 분류하는 데 도움이 된다. '빠른 응답' 분류를 얻으려면 판독값의 95%에 대한 응답 시간이 0.5초 미만이어야 하며, '스펙트럼 평탄'은 0.35~1.5 μm 스펙트럼 범위에서 스펙트럼 선택성이 3% 미만인 센서에 적용될 수 있다. 대부분의 Class A 일사계는 '스펙트럼 평탄'이지만, '빠른 응답' 하위 분류의 센서는 훨씬 드물다. 대부분의 Class A 일사계는 5초 이상의 응답 시간을 갖는다.

교정은 일반적으로 세계복사기준(WRR)을 절대 기준으로 삼아 이루어진다. 이는 스위스 다보스의 PMOD에서 유지 관리된다. 세계복사기준 외에도 ISO-Cal North America와 같은 민간 연구소는 이러한 고유한 교정에 대한 인정을 받았다. Class A 일사계의 경우, 교정은 ASTM G167, ISO 9847 또는 ISO 9846에 따라 이루어진다. Class B 및 Class C 일사계는 일반적으로 ASTM E824 및 ISO 9847에 따라 교정된다.
섬네일|SEVEN Class A 열전퇴 일사계

 태양광 일사계 
태양광 일사계는 1차 기준 샘플의 경우 IEC 60904-4에 따라, 2차 기준 샘플 및 판매용 기기의 경우 IEC 60904-2에 따라 표준화 및 교정된다.

두 표준 모두에서 각 추적성 체인은 세계복사기준(WRR)에 의한 공동 복사계 그룹으로 알려진 1차 표준으로 시작한다.

 신호 조절 
이러한 일사계의 자연 출력 값은 일반적으로 수십 밀리볼트(mV)를 초과하지 않는다. 이는 "약한" 신호로 간주되며, 특히 케이블이 수십 미터에 걸쳐 있거나 태양광 발전 시스템에 있는 경우 전자파장애에 취약하다. 따라서 이러한 센서에는 종종 신호 조절 전자 장치가 장착되어 4-20mA 또는 0-1V의 출력을 제공한다.

또 다른 해결책은 중대형 태양광 발전소의 전자기 간섭에 적합한 RS-485를 통한 모드버스와 같이 잡음에 대한 더 큰 내성을 의미하거나, 센서가 저전력 기상 관측소의 일부인 경우 SDI-12 출력을 의미한다. 장착된 전자 장치는 종종 시스템의 스카다에 쉽게 통합되도록 돕는다.

교정 기록, 일련 번호와 같은 추가 정보도 센서의 전자 장치에 저장할 수 있다.

 같이 보기 
 방사계
 광다이오드
 열유속 센서
 순복사계
 피르게오미터
 피르헬리오미터
 방사계
 햇빛
 태양 상수
 태양 경로

 각주 

 외부 링크 

 Meteo-Technology 계측기 웹사이트
 북극권 북쪽에서 열전퇴 일사계를 사용하여 측정된 데이터를 보여주는 웹사이트

분류:계측기
분류:기상 계측기