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일사계(pyranometer)를 사용할 필요가 있다면 일사계에 관해서 알아야 할 것들이 많습니다. 일사계가 어떻게 동작하는 지도 알 필요가 있습니다. 이런 정보를 알고 있으면 목적에 맞는 일사계를 선택하는데 도움이 될 것입니다. 

 

 전천 일사량(global solar radiation)이란 뭘까?

태양은 150 부터 4,000nm 파장 대역에서 복사에너지를 방출합니다. 이것을 태양의 스펙트럼이라고 합니다. 태양의 복사에너지가 지면에 도달하는 것을 측정한 값을 전천 일사량이라고 합니다. 어떤 때에는 단파 복사라고 부르기도 합니다. 전천 일사량은 직달 일사량과 산란 일사량으로 구성됩니다.​

 

누가, 왜 전천 일사량을 측정할까요?

전천 일사량 측정값은 주로 아래와 같은 목적으로 여러 분야에 사용됩니다.​ 

태양전지판이 태양 에너지를 전기로 얼마나 효과적으로 변환시키는지를 판단하거나 언제 태양전지판을 청소할 필요가 있는지 알기 위해서 입니다. 이 목적에 사용되는 센서는 태양전지판의 면에 도달하는 복사에너지를 측정하기위한 것입니다.

 

가스나 전기 에너지 사용량을 예측하기 위한 용도입니다.

 

나무의 성장과 생산량을 예측하기위한 하나의 변수가 됩니다.

 

농업이나 골프장, 공원의 관리를 위해 물의 사용량과 관수량을 예측하기 위한 하나의 변수가 됩니다.

 

날씨 예보 모델에서 하나의 변수로 기상학에 사용됩니다. 

 

전천 일사계는 무엇이고 무슨 일을 할 수 있을까요?

 

일사계는 전천 일사량을 측정 가능한 전기 신호로 변환시켜주는 센서입니다. 일사계는 태양 스펙트럼의 한 부분을 측정합니다. 예를 들어, CMP21 일사계는 285 에서 2,800nm 파장 대역을 측정합니다. 하지만, 장파 복사 영역에는 반응하지 않습니다. 대신, 지구복사계(pyrgeometer)가 장파 복사를 측정합니다.(4,000 ~ 100,000nm)

 

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일사계는 또한 코사인 반응(cosine response)이라고 부르는 태양복사의 각도를 설명할 수 있어야 합니다. 예를 들어, 1000 W/m2 의 태양 복사량이 센서에 수직(즉, 천정각 0도)으로 도달했다면 측정 값은 1000 W/m2 입니다. 하지만, 1000 W/m2 가 천정각 60도에서 도달했다면 500 W/m2 로 측정됩니다. 유리돔 대신 산광기(diffusor)를 가진 일사계는 정확한 코사인 반응을 제공하기 위해서 정밀한 산광기(diffusor)가 필요합니다.

 

 

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A pyranometer with a diffusor

 

A pyranometer with a glass dome

 

전천 일사계와 직달 일사계, 순복사계와 차이는 무엇일까요?

 

태양복사 센서들은 몇가지 다른 종류가 있습니다. 전천 일사계, 직달 일사계, 순복사계 등이 있습니다.

 

순복사계는 2개의 써모파일(thermopile) 전천 일사계를 이용하여 지표면으로 들어오고 나가는 단파 복사량을 측정하고 2개의 지구 복사계를 이용하여 지표면으로 들어오고 나가는 장파 복사량을 측정합니다. 4개의 복사량 측정치는 에너지 수지를 이해하는데 도움이 됩니다. 에너지 수지의 측정치는 태양 에너지가 지면에 저장되고 지면에서 우주로 사라지거나 반사, 방출되거나 물을 증발시키는 것에 사용되는 에너지량을 이해하는데 이용됩니다.

 

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net radiometer​

 

 

직달 일사계는 대기중의 구름이나 입자에 산란된 태양 복사에너지는 감지하지 않도록 조준 튜브(collimation tube) 속 끝에 감지 소자가 삽입된 형태의 센서입니다. 결국, 산란된 에너지를 제외하고 직접 도달하는 태양 복사에너지만 감지한다. 직달 일사량을 관측하기 위해서는 센서 외에 하루 동안 태양의 위치를 정확하게 추작할 수 있는 장치인 트랙커가 필요합니다.  

 

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pyrheliometer

 

전천 일사계는 어떻게 전천 일사량을 측정할까요?

 

가장 보편적으로 사용되는 전천 일사계는 2가지 종류가 있고 써모파일(thermopile)과 실리콘 포토셀(photocell, photodiode) 방식입니다. 그들은 아래와 같은 특징을 가지고 있습니다.

 

써모파일 형식의 전천 일사계

 

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써모파일 일사계의 감지 소자는 써모커플(2가지 서로 다른 금속을 묶어서 교차시킨 것)을 모아서 결합시킨 것(thermoelectric junctions)의 집합체 입니다. 이것은 검은색의 흡수 표면과 기준 사이의 온도차에 비례하는 µV/W/m2 전압을 발생시킵니다. 그 기준은 흰색 반사면이나 내부 센서 베이스의 일부입니다. 써모파일 일사계의 검은 표면은 태양 스펙트럼에 대해서 일정하게 복사량을 흡수합니다. 이 감지 소자는 복사 에너지를 일정하게 투과시키는 하나 또는 두개의 유리 돔에 덮여 있습니다. 써모파일 일사계가 반응하는 단파 복사 범위는 보통 280 에서 2800nm 인데 상대적으로 실리콘 포토셀 일사계보다 넓습니다..

 

써모파일 일사계의 장점은 광범위하게 사용되고 있다는 점과 정확성에 있다. 가장 정확하게 단파 복사 에너지를 측정할 수 있는 센서이지만 일반적으로 실리콘 포토셀보다 많이 비싸다는 단점이 있다.

 

 

실리콘 포토셀 형식의 전천 일사계

 

 

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실리콘 포토셀 일사계는 태양전지판이 태양 에너지를 전기로 변환시키는 것과 비슷한 원리로 전류(µA)를 생산합니다. 여기에 저항(shunt)를 붙여서 전압으로 변환시킵니다. 플라스틱 산광기(diffusor)가 변화하는 태양의 각도에 일정한 코사인 반응을 보이도록 하는데 사용됩니다.

 

실리콘 포토셀 일사계의 스펙트럼 반응은 태양 스펙트럼의 일부인 400 ~ 1,100nm 로 제한되어 있습니다. 이 일사계가 단파 복사량의 일부만 측정함에도 불구하고 구름 없이 맑은 날에 써모파일 일사계와 비슷하게 값이 나오도록 교정(calibration)이 되어 있습니다. 따라서, 실리콘 포토셀 일사계는 모든 날씨 조건에 사용되지만 구름이 존재할 때는 측정 오차는 더 커집니다. 그 오차는 보통 ±3%이고 최대 ±10%까지 발생합니다.

 

실리콘 포토셀 일사계는 써모파일 일사계보다 훨씬 가격이 저렴하다는 장점이 있습니다. 연구자들의 목적에 실리콘 포토셀 일사계의 오차가 고려할만한 수준이라면 문제가 되지 않을 것입니다. 하지만, 이 일사계를 식생 내부나 온실 내부, 반사되는 단파 복사를 측정하는 목적으로는 사용해서는 안됩니다.  

 

#2 에서 계속됩니다.