[發明專利]光譜型太陽輻射照度測量儀

有效

• 申請號: 201210590678.0
• 申請日: 2012-12-30
• 公開（公告）號: CN103207016A
• 公開（公告）日: 2013-07-17
• 發明（設計）人: 曹彥波;呂文華;于愛民;費強;宋大千;陳保衛;曹博成
• 申請（專利權）人: 吉林大學
• 主分類號: G01J3/30
• 分類號: G01J3/30
• 代理公司: 長春吉大專利代理有限責任公司 22201
• 代理人: 王恩遠

技術領域

本發明涉及一種照度測量技術與信息處理的技術領域，具體為太陽光譜輻射照度測量儀器，可分別用于測量紫外、可見、近紅外和紅外等四個波段的太陽光譜輻射照度。

背景技術

太陽輻射是地球能量的最主要來源，是大氣和海洋變化的原動力。近年來，科學家們發現了越來越多的太陽輻射周期變化與地球氣候變化相關聯的證據。太陽照度的微小變化，能夠對我們星球的氣候產生巨大影響。研究太陽輻射與全球氣候變化的關系，需要長期、精確的太陽輻射觀測數據，因而對太陽輻射照度的觀測顯然具有特別重要的意義。

另一方面，隨著石油、煤炭、天然氣等化石能源的逐漸緊缺和生態環境的日益惡化，太陽能作為一種取之不盡的清潔能源，已被公認為是未來最有競爭力的能源之一，其有效開發利用對于解決全球能源危機、應對氣候變化具有十分重要的意義。例如，對于太陽能光熱應用，光譜范圍大約為305～2800nm的直接輻射和散射輻射能量均可被利用；對于太陽能光伏應用，光譜范圍大約為400～1100nm的可見光均可被吸收；因此，針對不同的利用方式對太陽光譜輻射能量分布情況進行觀測、評價是太陽能資源高效開發利用的前提和關鍵。另外，為了開發高效率的太陽能電池，準確、快速測量太陽輻射與太陽能電池的轉換效率和輸出性能之間的關系就成為不可或缺的關鍵技術，特別需要具有波長分辨功能的、高分辨率的太陽輻射觀測儀器。

不僅如此，目前在大氣污染檢測、大氣光學研究、現代農業研究、環境污染監測、生態安全研究等領域，均對太陽光譜輻射測量提出了更加量化、細化、精確化的要求，這都有賴于高分辨率、高靈敏度和高速響應的太陽輻射測量儀器。

市場上常見的太陽輻射測量儀基本上以積分型輻射表居多，其中大致可分為熱電型、光電型和分光型三類。其中熱電型輻射表常用的熱電轉換元件為熱電偶等，缺點是靈敏度隨著使用時間變化，響應速度慢、無波長分辨功能。光電型輻射表常用的光電傳感器有光電二極管、光電三極管、硅太陽電池、光伏傳感器和光電倍增管等，不足之處是波長范圍窄，光譜靈敏度不均勻，并且傳感器的光譜特性與太陽輻射光譜分布不相吻合，測量誤差大。如專利CN101122522A（一種紫外輻射表），采用硅光探測器。專利CN2643297Y（高精度光譜輻射亮度計）采用3片平面型硅光電二極管檢測器。分光型輻射表采用干涉濾光片選擇波段，觀測某一特定波長范圍內的太陽輻射總量，其結果僅僅局限于幾個分立波長上的細節，不能反映太陽輻射的光譜特征。這三類輻射表由于光學系統沒有色散元件，檢測器只有一個測量通道（單元），不具備波長分辨功能，測量的信號為某一時刻儀器有效波長范圍內太陽輻射能量的積分值，這種積分型輻射表因為數據包含的信息量少，無法獲得太陽光譜的總體分布情況信息，遠遠不能滿足目前各領域對太陽輻射量化與細化測量的需要。

近年來出現了采用色散元件的光譜型太陽輻射測量儀，但大多采用光電倍增管（簡稱PMT）作為光電探測器。例如，專利CN201637488U（太陽光譜測量系統），其光電檢測器采用光電倍增管，儀器內部利用精密機械傳動機構實現波長掃描，獲得光譜分布信息，實時性差，系統復雜，體積龐大，需要計算機實現數據采集、控制和顯示，很難適合戶外應用場合。專利CN101504314A（大氣紫外輻射通量測量裝置及其測量方法），利用PMT或電荷耦合器件（簡稱CCD）實現紫外輻射測量，其光學接收部分放置在室外，光譜儀等測量部分放置在室內，由計算機控制儀器的測量過程，測量系統體積大。其不足之處是用PMT時，同樣需要機械掃描機構獲得波長信息，測量速度慢；用光纖束將紫外光譜信號傳輸至室內時，需要很長的光纖，使得紫外光信號損失嚴重，且光纖的長距離鋪設也存在安全隱患，要特別的防護措施。該專利采用的光纖束使用多條光纖進行組合，其輸入端面呈圓形分布，輸出端面呈直線型分布，難以標準化，成本也很高。專利CN101358878A（瞬態紫外多光譜輻射儀）公開了一種采用計算機經USB接口將卡塞格林光學成像系統獲得的光譜信號用CCD探測單次閃光或穩態光源的紫外光譜儀。該儀器配置了插拔式瞄準鏡頭和計算機，主要側重于閃光光源的紫外光譜測量，并不適合在室外進行移動的太陽整個光譜區域的快速測量，且只能采集單方向的光源信號。專利CN101943603A（一種基于電荷耦合器件的太陽能光譜輻射測量儀）公開的儀器中，雖然采用了CCD檢測器，但其光學耦合系統采用傳統的光學元件實現，存在體積大、裝調工藝復雜、一致性難以保證等困難。該儀器采用遮光筒，使得入射光的角度受到限制，所測量的波段僅限于紫外區域。且光學部分沒有防護用的快門，使用過程中存在安全隱患。