Metódy merania slnečného žiarenia pomocou pyrheliometra a pyranometra

Všetci vieme, že na Zemi sa udržiava život vďaka slnku, pretože poskytuje dostatok tepelnej energie na udržanie tepla v zemi. Túto energiu dodáva slnko vo forme elektromagnetického žiarenia, ktoré sa zvyčajne nazýva slnečné žiarenie. Niektoré žiarenie je prospešné pre ľudí, iné žiarenie je škodlivé pre celý život.

Aby dosiahol slnečné žiarenie na zemský povrch, musí prechádzať atmosférou, kde sa absorbuje, rozptýli, odráža a prenáša, čo vedie k zníženiu hustoty energetického toku. Toto zníženie je veľmi významné, pretože k viac ako 30% strate dochádza za slnečného dňa a za oblačného dňa dosahuje až 90%. Takže maximálne žiarenie, ktoré sa dostane na zemský povrch cez atmosféru, nikdy nebude vyššie ako 80%.

Solárny tok je veľmi dôležité merať, pretože predstavuje základ života na Zemi a používa sa pri stavbe mnohých výrobkov, či už sa jedná o elektroniku, plodiny, lieky, kozmetiku atď. V tomto výučbe sa dozvieme o slnečnom žiarení a jeho vlastnostiach. merania a tiež sa dozviete o dvoch najpopulárnejších prístrojoch na meranie solárnej energie - Pyrheliometer a Pyranometer.

Lúčové a difúzne žiarenie

Žiarenie, ktoré vnímame na povrchu, je priame žiarenie aj nepriame žiarenie slnka. Žiarenie, ktoré pochádza priamo zo slnka, je priame žiarenie a nazýva sa to lúčové žiarenie. Rozptýlené a odrazené žiarenie, ktoré je vysielané na zemský povrch zo všetkých smerov (odráža sa od molekúl, častíc, tiel zvierat atď.), Je nepriame žiarenie a nazýva sa difúzne žiarenie. A súčet lúča aj difúzneho žiarenia je definovaný ako globálne žiarenie alebo celkové žiarenie.

Je dôležité rozlišovať medzi lúčovým lúčom a difúznym žiarením, pretože lúčové lúče môžu byť koncentrované, zatiaľ čo difúzne žiarenie nie. Existuje veľa prístrojov na meranie slnečného žiarenia, ktoré sa používajú na meranie lúča a difúzneho žiarenia.

Teraz sa pozrime na spektrum elektromagnetického žiarenia na nižšie uvedenom diagrame.

V celom spektre berieme do úvahy iba vlnové dĺžky od UV lúčov po IR lúče, aby sme vypočítali slnečný tok, pretože väčšina vysokofrekvenčných vĺn zo slnka nedosahuje povrch a nízkofrekvenčné žiarenie po IR nie je spoľahlivé. Takže slnečné žiarenie alebo tok sa zvyčajne meria od UV lúčov po IR lúče a prístroje sú tiež navrhnuté tak.

Prístroje na meranie slnečného žiarenia sú dvoch typov:

Pyrheliometer
Pyranometer

Predtým, ako sa pustíte do práce na týchto prístrojoch, musíte pochopiť niekoľko konceptov, ktoré sa používajú pri navrhovaní prístrojov. Poďme sa teda teraz pozrieť na tieto pojmy.

Žiarenie čierneho tela

Čierne teleso zvyčajne absorbuje všetky žiarenia bez toho, aby niečo vypúšťalo späť do atmosféry, a vďaka tomu je dokonalejšie absorbované. Faktom je, že až doteraz nie je k dispozícii žiadne dokonalé čierne telo, takže sa zvyčajne uspokojíme s druhým najlepším. Potom, čo čierne teleso absorbuje žiarenie, sa zohreje, pretože samotné žiarenie je energia a po absorpcii sa atómy v tele vylučujú. Toto čierne telo sa používa ako základná súčasť prístrojov na meranie slnečného žiarenia. Oproti čiernemu telu biele telo odráža všetko žiarenie, ktoré na neho dopadá, späť do atmosféry, a preto sa v lete budeme cítiť pohodlnejšie v bielom oblečení.

Termočlánok

Termočlánok je jednoduché zariadenie skonštruované pomocou dvoch vodičov vyrobených z iného materiálu, ako je znázornené na obrázku.

Tu sú dva vodiče spojené tak, aby vytvorili slučku s dvoma spojmi, ktoré sú označené ako „A“ a „B“. Teraz je sviečka prinesená blízko križovatky „A“, zatiaľ čo križovatka „B“ zostáva sama. Ak je sviečka v mieste spojenia „A“, jeho teplota značne stúpa, zatiaľ čo spoj B zostáva chladný pri izbovej teplote. Kvôli tomuto teplotnému rozdielu sa na križovatkách objavuje napätie (potenciálny rozdiel) podľa „ Seebeckovho javu“. Pretože je obvod uzavretý, prúdi prúdom „I“ obvodom, ako je to znázornené na obrázku, a na meranie tohto prúdu zapojíme do série ampérmeter. Je dôležité mať na pamäti, že veľkosť prúdu „I“ v slučke je priamo úmerná teplotnému rozdieluna križovatkách, takže vyššie teplotné rozdiely majú za následok vyššiu veľkosť prúdu. Získaním odčítania ampérmetra teda môžeme vypočítať teplotný rozdiel na križovatkách.

Teraz, keď sa dozvieme základné informácie, pozrime sa na konštrukciu a prácu prístrojov na meranie slnečného žiarenia.

Pyrheliometer, práca a konštrukcia

Pyrheliometer je zariadenie používané na meranie priameho lúča pri normálnom dopade. Jeho vonkajšia štruktúra vyzerá ako dlhá trubica premietajúca obraz ďalekohľadu a na zmeranie žiarenia musíme šošovku nasmerovať na slnko. Tu sa naučíme princíp fungovania Pyrheliometra a jeho konštrukcie.

Aby ste pochopili základnú štruktúru pyrheliometra, pozrite sa na diagram zobrazený nižšie.

Tu je šošovka nasmerovaná na slnko a žiarenie bude prechádzať cez šošovku, trubicu a na konci dopadne na čierny predmet v spodnej časti. Ak teraz prekreslíme celú vnútornú štruktúru a obvod jednoduchším spôsobom, bude to vyzerať asi takto.

V obvode je vidieť, že čierne teleso absorbuje žiarenie dopadajúce z šošovky a ako už bolo spomenuté, dokonalé čierne teleso úplne absorbuje akékoľvek dopadajúce žiarenie, takže žiarenie dopadajúce na tubu je úplne absorbované čiernym predmetom. Akonáhle sa žiarenie absorbuje, atómy v tele sa vzrušia kvôli zvyšujúcej sa teplote celého tela. Toto zvýšenie teploty zaznamená aj spoj termočlánku „A“. Teraz so spojkou „A“ termočlánku pri vysokej teplote a spojkou „B“ pri nízkej teplote prebieha prúdenie prúdu v jeho slučke, ako je uvedené v pracovnom princípe termočlánku. Tento prúd v slučke bude tiecť tiež galvanometrom, ktorý je zapojený do série, a tým spôsobí jeho odchýlku. Totoodchýlka je úmerná prúdu, ktorý je zase úmerný teplotnému rozdielu v križovatkách.

Odchýlka α prúd v slučke alfa rozdielu teploty na križovatkách.

Teraz sa pokúsime anulovať túto odchýlku v galvanometri pomocou obvodu. Celý postup na zrušenie odchýlky je vysvetlený krok za krokom nižšie.

Najskôr zatvorte spínač v obvode na spustenie toku prúdu.
Prúd tečie ako,

Batéria -> Spínač -> Kovový vodič -> Ampérmeter -> Variabilný rezistor -> Batéria.

S týmto prúdom pretekajúcim kovovým vodičom jeho teplota do istej miery stúpa.
Pri kontakte s kovovým vodičom tiež stúpa teplota spoja „B“. To znižuje teplotný rozdiel medzi križovatkou „A“ a križovatkou „B“.
Z dôvodu zníženia teplotného rozdielu sa tiež zníži prúdový tok v termočlánku.
Pretože odchýlka je úmerná prúdu, odchýlka galvanometra sa tiež zmenšuje.
V súhrne môžeme povedať- Odchýlku v galvanometri je možné znížiť úpravou reostatu tak, aby sa zmenil prúd v kovovom vodiči.

Teraz pokračujte v nastavovaní reostatu, kým sa odchýlka galvanometra nestane úplne neplatnou. Len čo sa to stane, môžeme z meračov získať údaje o napätí a prúde a urobiť jednoduchý výpočet na určenie tepla absorbovaného čiernym telesom. Táto vypočítaná hodnota sa môže použiť na určenie žiarenia, pretože teplo generované čiernym telesom je priamo úmerné žiareniu. Táto hodnota žiarenia nie je nič iné ako priame slnečné žiarenie, ktoré máme od začiatku merať. A s týmto môžeme uzavrieť prácu pyrheliometra.

Práce a konštrukcia pyranometra

Pyranometer je zariadenie, ktoré možno použiť na meranie lúčového aj difúzneho žiarenia. Inými slovami sa používa na meranie celkového hemisférického žiarenia (lúč plus difúzny na vodorovnom povrchu). Tu sa dozvieme o princípe fungovania Pyranometra a jeho konštrukcii.

Zariadenie vyzerá ako tanier UFO, ktorý je najlepším tvarom vhodným na tento účel. Toto zariadenie je populárnejšie ako ostatné a väčšina údajov o solárnych zdrojoch sa dnes meria pomocou neho. Nižšie vidíte pôvodný obrázok a vnútornú štruktúru pyranometra.

Zloženie: 100% bavlna.

Tu žiarenie z okolitej atmosféry prechádza sklenenou kupolou a padá na čierne telo umiestnené v strede prístroja. Rovnako ako predtým, teplota tela stúpa po absorpcii všetkého žiarenia a tento nárast pocíti aj termočlánkový reťazec alebo termočlánkový modul prítomný priamo pod čiernym telom. Jedna strana modulu bude preto horúca a druhá studená kvôli chladiču. Modul termočlánku generuje napätie a je to vidieť na výstupných svorkách. Toto napätie prijaté na výstupných svorkách je priamo úmerné teplotnému rozdielu podľa princípu termočlánku.

Pretože vieme, že teplotný rozdiel súvisí so žiarením absorbovaným čiernym telesom, môžeme povedať, že výstupné napätie je lineárne úmerné žiareniu.

Podobne ako v predchádzajúcom výpočte možno z tejto hodnoty napätia ľahko získať hodnotu celkového žiarenia. Rovnako použitím tienidla a rovnakého postupu môžeme získať aj difúzne žiarenie. S celkovou hodnotou žiarenia a hodnotou difúzneho žiarenia možno vypočítať aj hodnotu žiarenia lúča. Preto môžeme vypočítať difúzne slnečné žiarenie aj celkové žiarenie pomocou Pyranometra.