Metode de măsurare a radiației solare folosind pireliometru și piranometru

Știm cu toții că viața este susținută pe pământ din cauza soarelui, deoarece oferă suficientă energie termică pentru a menține pământul cald. Această energie este livrată de soare sub formă de radiație electromagnetică care se numește de obicei radiație solară. O parte din radiații este benefică pentru oameni, în timp ce o altă radiație este dăunătoare vieții.

Pentru a ajunge la radiația solară la suprafața pământului, trebuie să treacă prin atmosferă unde este absorbită, împrăștiată, reflectată și transmisă, ceea ce duce la reducerea densității fluxului de energie. Această reducere este foarte semnificativă, deoarece pierderea a peste 30% are loc într-o zi însorită, iar într-o zi înnorată ajunge la 90%. Deci radiația maximă care ajunge la suprafața pământului prin atmosferă nu va fi niciodată mai mare de 80%.

Fluxul solar este foarte important de măsurat, deoarece este baza vieții pe pământ și este utilizat la construirea multor produse, indiferent dacă este legat de electronică, culturi, medicamente, produse cosmetice etc. În acest tutorial, vom afla despre radiația solară și de măsurare și va afla, de asemenea, despre cele mai populare două instrumente de măsurare a energiei solare - Pireliometru și Piranometru.

Radiația fasciculului și radiația difuză

Radiația pe care o percepem la suprafață este atât radiație directă, cât și radiație indirectă a soarelui. Radiația care vine direct de la soare este radiație directă și se numește radiație cu fascicul. Radiația împrăștiată și reflectată care este trimisă la suprafața pământului din toate direcțiile (reflectată de molecule, particule, corpuri de animale etc.) este radiație indirectă și se numește radiație difuză. Iar suma ambelor, fasciculul și radiația difuză, este definită ca radiație globală sau radiație totală.

Este important să se facă diferența între radiația fasciculului și radiația difuză, deoarece radiația fasciculului poate fi concentrată, în timp ce radiația difuză nu. Există multe instrumente de măsurare a radiației solare care sunt utilizate pentru a măsura radiația fasciculului și radiația difuză.

Acum, să aruncăm o privire asupra spectrului radiației electromagnetice din diagrama de mai jos.

În întregul spectru, luăm în considerare numai lungimile de undă de la razele UV la razele IR pentru a calcula fluxul solar, deoarece majoritatea undelor de înaltă frecvență de la soare nu ajung la suprafață, iar radiațiile de joasă frecvență după IR nu sunt fiabile. Deci radiația solară sau fluxul sunt de obicei măsurate de la razele UV la razele IR și instrumentele sunt, de asemenea, concepute astfel.

Instrumentele de măsurare a radiației solare sunt de două tipuri:

1. Pireliometru
2. Piranometru

Înainte de a intra în funcționarea acestor instrumente, trebuie să înțelegeți câteva concepte care sunt utilizate în timpul proiectării dispozitivelor. Deci, acum să analizăm aceste concepte.

Radiații ale corpului negru

Un corp negru absoarbe de obicei toate radiațiile fără a emite nimic înapoi în atmosferă și corpul negru este mai pur, absorbția este mai perfectă. Faptul este că nu există un corp negru perfect până acum, așa că, de obicei, ne mulțumim cu al doilea cel mai bun. După ce corpul negru absoarbe radiația, acesta se încălzește, deoarece radiația în sine este energie și, după absorbție, atomii din corp ies. Acest corp negru este utilizat ca componentă centrală în instrumentele de măsurare a radiației solare. Opus corpului negru, un corp alb reflectă toată radiația care cade pe el înapoi în atmosferă, motiv pentru care ne vom simți mai confortabil purtând haine albe în timpul verii.

Termocuplu

Termocuplul este un dispozitiv simplu construit folosind doi conductori din material diferit așa cum se arată în figură.

Aici două fire sunt conectate pentru a forma o buclă cu două joncțiuni și aceste joncțiuni sunt denumite „A” și „B”. Acum o lumânare este adusă aproape de joncțiunea „A” în timp ce joncțiunea „B” este lăsată singură. Când lumânarea este prezentă joncțiune la „A” temperatura sa crește considerabil în timp ce joncțiunea B rămâne rece la temperatura camerei. Din cauza acestei diferențe de temperatură, apare o tensiune (diferență de potențial) la joncțiuni în conformitate cu „ efectul Seebeck”. Deoarece circuitul este închis, un curent „I” circulă prin circuit așa cum se arată în figură și pentru a măsura acest curent vom conecta un ampermetru în serie. Este important să ne amintim că magnitudinea curentului „I” în buclă este direct proporțională cu diferența de temperaturăla joncțiuni, deci diferențe mai mari de temperatură duc la o magnitudine mai mare a curentului. Deci, obținând citirea ampermetrului, putem calcula diferența de temperatură la joncțiuni.

Acum, după ce elementele de bază sunt acoperite, să analizăm construcția și funcționarea instrumentelor de măsurare a radiației solare.

Lucrul și construcția pireliometrului

Pireliometrul este un dispozitiv utilizat pentru măsurarea radiației directe a fasciculului la incidență normală. Structura sa exterioară arată ca un tub lung care proiectează imaginea unui telescop și trebuie să îndreptăm lentila către soare pentru a măsura strălucirea. Aici vom învăța principiul de funcționare al pireliometrului și construcția acestuia.

Pentru a înțelege structura de bază a pireliometrului, uitați-vă la diagrama prezentată mai jos.

Aici obiectivul este îndreptat spre soare și radiația va trece prin lentilă, tub și la sfârșit cade pe obiectul negru prezent în partea de jos. Acum, dacă redesenăm întreaga structură internă și circuitul într-o manieră mai simplă, va arăta ceva mai jos.

În circuit, se poate observa că corpul negru absoarbe radiația care cade de pe lentilă și, așa cum s-a discutat mai devreme, un corp negru perfect absoarbe complet orice radiație care cade pe el, astfel încât radiația care cade în tub este absorbită în totalitate de obiectul negru. Odată ce radiația este absorbită, atomii din corp se excită din cauza temperaturii în creștere a întregului corp. Această creștere a temperaturii va fi, de asemenea, experimentată de joncțiunea termocuplului „A”. Acum, cu joncțiunea „A” a termocuplului la temperatură ridicată și joncțiunea „B” la temperatura scăzută, are loc un flux de curent în bucla sa, așa cum este discutat în principiul de funcționare al termocuplului. Acest curent din buclă va curge, de asemenea, prin galvanometrul care este în serie și, prin urmare, va provoca o abatere în acesta. Acestdeviația este proporțională cu curentul, care la rândul său este proporțional cu diferența de temperatură la joncțiuni.

Abatere α curent în buclă α Diferența de temperatură la intersecții.

Acum vom încerca să anulăm această abatere în galvanometru cu ajutorul circuitului. Procesul complet pentru anularea abaterii este explicat pas cu pas mai jos.

• Mai întâi, închideți comutatorul din circuit pentru a porni curentul curent.
• Curentul curge ca,

Baterie -> Comutator -> Conductor metalic -> Amperometru -> Rezistor variabil -> Baterie.

• Odată ce acest curent curge prin conductorul metalic, temperatura crește într-un anumit grad.
• Fiind în contact cu conductorul metalic, temperatura joncțiunii „B” crește, de asemenea. Aceasta reduce diferența de temperatură între joncțiunea „A” și joncțiunea „B”.
• Datorită reducerii diferenței de temperatură, de asemenea scade debitul de curent în termocuplu.
• Deoarece deviația este proporțională cu curentul, deviația galvanometrului scade, de asemenea.
• În rezumat, putem spune - Abaterea din galvanometru poate fi redusă prin reglarea reostatului pentru a schimba curentul în conductorul metalic.

Acum continuați să reglați reostatul până când deviația galvanometrului devine complet nulă. Odată ce acest lucru se întâmplă, putem obține citiri de tensiune și curent de la contoare și putem face un calcul simplu pentru a determina căldura absorbită de corpul negru. Această valoare calculată poate fi utilizată pentru a determina radiația, deoarece căldura generată de corpul negru este direct proporțională cu radiația. Această valoare a radiației nu este alta decât radiația solară cu fascicul direct pe care dorim să o măsurăm de la început. Și cu aceasta, putem concluziona funcționarea pireliometrului.

Lucrul și construcția piranometrului

Piranometrul este un dispozitiv care poate fi utilizat pentru a măsura atât radiația fasciculului, cât și radiația difuză. Cu alte cuvinte, este folosit pentru a măsura radiația emisferică totală (fascicul plus difuz pe o suprafață orizontală). Aici vom afla despre principiul de funcționare al Piranometrului și construcția acestuia.

Dispozitivul arată ca o farfurioară OZN, care este cea mai bună formă potrivită scopului său. Acest dispozitiv este mai popular decât celelalte și majoritatea datelor despre resurse solare în prezent măsurate folosindu-l. Puteți vedea imaginea originală și structura internă a Piranometrului de mai jos.

(…)

Aici radiația din atmosfera înconjurătoare trece prin cupola de sticlă și cade pe corpul negru situat în centrul instrumentului. La fel ca înainte, temperatura corpului crește după ce a absorbit toată radiația și această creștere va fi experimentată și de lanțul de termocupluri sau modulul de termocuplu prezent direct sub corpul negru. Deci, o parte a modulului va fi fierbinte și alta va fi rece din cauza radiatorului. Modulul de termocuplu generează o tensiune și acest lucru poate fi văzut la bornele de ieșire. Această tensiune recepționată la bornele de ieșire este direct proporțională cu diferența de temperatură conform principiului unui termocuplu.

Deoarece știm că diferența de temperatură este legată de radiația absorbită de corpul negru, putem spune că tensiunea de ieșire este liniar proporțională cu radiația.

Similar cu calculul anterior, valoarea radiației totale poate fi ușor obținută din această valoare a tensiunii. De asemenea, utilizând nuanța și urmând aceeași procedură, putem obține și radiații difuze. Cu radiația totală și valoarea radiației difuze, se poate calcula și valoarea radiației fasciculului. Prin urmare, putem calcula atât radiația solară difuză, cât și radiația totală utilizând Piranometrul.