Методи за измерване на слънчева радиация с използване на пирелиометър и пиранометър

Всички знаем, че животът се поддържа на земята благодарение на слънцето, тъй като осигурява достатъчно топлинна енергия, за да поддържа земята топла. Тази енергия се доставя от слънцето под формата на електромагнитна радиация, която обикновено се нарича слънчева радиация. Част от лъчението е полезно за хората, докато друго лъчение е вредно за целия живот.

За да достигне слънчевата радиация до земната повърхност, тя трябва да премине през атмосферата, където тя се абсорбира, разсейва, отразява и предава, което води до намаляване на плътността на енергийния поток. Това намаление е много значително, тъй като повече от 30% загуба се случва в слънчев ден, а в облачен ден достига до 90%. Така че максималната радиация, която достига земната повърхност през атмосферата, никога няма да бъде по-висока от 80%.

Слънчевият поток е много важен за измерване, тъй като той е в основата на живота на земята и се използва при изграждането на много продукти, независимо дали е свързан с електроника, култури, лекарства, козметика и др. В този урок ще научим за слънчевата радиация и нейните измерване и също така ще научи за двата най- популярни инструмента за измерване на слънчевата енергия - пирелиометър и пиранометър.

Излъчване на лъчи и дифузно излъчване

Излъчването, което възприемаме на повърхността, е както пряко, така и косвено излъчване на слънцето. Радиацията, която идва директно от слънцето, е директна радиация и тя се нарича лъчева радиация. Разпръснатото и отразено лъчение, което се изпраща на земната повърхност от всички посоки (отразено от молекули, частици, животински тела и т.н.), е косвено и се нарича дифузно лъчение. И сумата от двете, лъчът и дифузното излъчване, се определя като глобално излъчване или общо излъчване.

Важно е да се прави разлика между лъчевото лъчение и дифузното лъчение, тъй като лъчевото лъчение може да бъде концентрирано, докато дифузното лъчение не може. Има много инструменти за измерване на слънчева радиация, които се използват за измерване на лъчева радиация и дифузна радиация.

Сега нека да разгледаме спектъра на електромагнитното излъчване в диаграмата по-долу.

В целия спектър ние разглеждаме само дължините на вълните от UV лъчи до IR лъчи, за да изчислим слънчевия поток, тъй като повечето високочестотни вълни от слънцето не достигат до повърхността и нискочестотното излъчване след IR не е надеждно. Така че слънчевата радиация или поток обикновено се измерват от UV лъчи към IR лъчи и инструментите също са проектирани така.

Уредите за измерване на слънчева радиация са два вида:

Пирелиометър
Пиранометър

Преди да влезете в работата на тези инструменти, трябва да разберете няколко концепции, които се използват при проектирането на устройствата. И така, нека сега разгледаме тези понятия.

Излъчване на черното тяло

Черното тяло обикновено поглъща всички лъчения, без да излъчва нищо обратно в атмосферата и по-чистото черно тяло по-перфектно поглъща. Факт е, че досега няма идеално черно тяло, така че обикновено се задоволяваме с второто най-добро. След като черното тяло абсорбира радиацията, то се нагрява, тъй като самото лъчение е енергия и след абсорбирането атомите в тялото излизат. Това черно тяло се използва като основен компонент в уредите за измерване на слънчева радиация. За разлика от черното тяло, бялото тяло отразява цялото излъчване, което пада върху него, обратно към атмосферата, поради което ще се чувстваме по-удобно да носим бели дрехи през лятото.

Термодвойка

Термодвойката е просто устройство, конструирано с помощта на два проводника, изработени от различен материал, както е показано на фигурата.

Тук два проводника са свързани, за да образуват контур с два кръстовища и тези кръстовища са обозначени като „A“ и „B“. Сега свещта се донася близо до кръстовище „А“, докато кръстовище „Б“ остава само. Тъй като свещта присъства на кръстовище при „А“, температурата й се повишава значително, докато кръстовището Б остава студено при стайна температура. Поради тази температурна разлика, в кръстовищата се появява напрежение (потенциална разлика) съгласно „ ефекта на Seebeck“. Тъй като веригата е затворена, през веригата протича ток "I", както е показано на фигурата и за измерване на този ток ще свържем последователно амперметър. Важно е да запомните, че големината на тока "I" в контура е право пропорционална на температурната разликав кръстовищата, така че по-високите температурни разлики водят до по-голяма сила на тока. Така че като получаваме отчитането на амперметъра, можем да изчислим температурната разлика в кръстовищата.

След като са разгледани основите, нека разгледаме конструкцията и работата на уредите за измерване на слънчева радиация.

Работа и строителство на пирелиометър

Пирелиометърът е устройство, използвано за измерване на лъчение с пряк лъч при нормална честота. Външната му структура прилича на дълга тръба, прожектираща образа на телескоп и ние трябва да насочим лещата към слънцето, за да измерим сиянието. Тук ще научим принципа на работа на пирелиометъра и неговата конструкция.

За да разберете основната структура на пирелиометъра, погледнете диаграмата, показана по-долу.

Тук лещата е насочена към слънцето и лъчението ще премине през лещата, тръбата и в края пада върху черния предмет, намиращ се отдолу. Сега, ако преначертаем цялата вътрешна структура и верига по-опростено, това ще изглежда нещо като по-долу.

Във веригата може да се види, че черното тяло поглъща лъчението, падащо от лещата и както беше обсъдено по-рано, перфектното черно тяло напълно поглъща всякакви лъчения, попаднали върху него, така че лъчението, попадащо в тръбата, се абсорбира изцяло от черния предмет. След като радиацията се абсорбира, атомите в тялото се възбуждат поради нарастващата температура на цялото тяло. Това повишаване на температурата ще се наблюдава и от кръстовището на термодвойката „A“. Сега с кръстовище „А“ на термодвойката при висока температура и кръстовище „В“ при ниска температура, в нейната верига се осъществява токов поток, както е обсъдено в принципа на работа на термодвойката. Този ток в контура ще тече и през галванометъра, който е последователно и по този начин причинява отклонение в него. Товаотклонението е пропорционално на тока, който от своя страна е пропорционален на температурната разлика в кръстовищата.

Отклонение ∝ Ток в контура ∝ Температурна разлика в кръстовищата.

Сега ще се опитаме да премахнем това отклонение в галванометъра с помощта на веригата. Пълният процес за обезсилване на отклонението е обяснен в стъпка по стъпка по-долу.

Първо затворете ключа във веригата за стартиране на текущия поток.
Токът тече като,

Батерия -> Превключвател -> Метален проводник -> Амперметър -> Променлив резистор -> Батерия.

С този ток, протичащ през металния проводник, температурата му се повишава до определена степен.
В контакт с металния проводник температурата на кръстовището "B" също се повишава. Това намалява температурната разлика между кръстовището „A“ и кръстовището „B“.
Поради намаляването на температурната разлика, текущият поток в термодвойката също намалява.
Тъй като отклонението е пропорционално на тока, отклонението на галванометъра също намалява.
В обобщение можем да кажем - Отклонението в галванометъра може да бъде намалено чрез регулиране на реостата за промяна на тока в металния проводник.

Сега продължете да регулирате реостата, докато отклонението на галванометъра стане напълно невалидно. След като това се случи, можем да получим показания за напрежение и ток от измервателните уреди и да направим просто изчисление, за да определим топлината, погълната от черното тяло. Тази изчислена стойност може да се използва за определяне на радиацията, тъй като топлината, генерирана от черното тяло, е право пропорционална на радиацията. Тази радиационна стойност не е нищо друго освен слънчева радиация с пряк лъч, която искаме да измерим от самото начало. И с това можем да заключим работата на пирелиометъра.

Работа и строителство на пиранометър

Пиранометърът е устройство, което може да се използва за измерване както на лъчево лъчение, така и на дифузно лъчение. С други думи, той се използва за измерване на общото полусферично лъчение (лъч плюс дифузно върху хоризонтална повърхност). Тук ще научим за принципа на работа на пиранометъра и неговата конструкция.

Устройството изглежда като чиния за НЛО, която е най-подходящата форма, подходяща за целта си. Това устройство е по-популярно от останалите и повечето данни за слънчевите ресурси в наши дни се измерват с него. Можете да видите оригиналната картина и вътрешната структура на пиранометъра по-долу.

Тук излъчването от околната атмосфера преминава през стъкления купол и пада върху черното тяло, разположено в центъра на инструмента. Както и преди, температурата на тялото се повишава след поглъщане на цялата радиация и това покачване ще се почувства и от веригата на термодвойката или модула на термодвойката, намираща се непосредствено под черното тяло. Така че едната страна на модула ще бъде гореща, а другата ще бъде студена поради радиатора. Модулът на термодвойката генерира напрежение и това може да се види на изходните клеми. Това напрежение, получено на изходните клеми, е право пропорционално на температурната разлика според принципа на термодвойка.

Тъй като знаем, че температурната разлика е свързана с радиация, погълната от черното тяло, можем да кажем, че изходното напрежение е линейно пропорционално на лъчението.

Подобно на предишното изчисление, стойността на общото излъчване може лесно да бъде получена от тази стойност на напрежението. Също така, като използваме сянката и следваме същата процедура, можем също така да получим дифузното лъчение. С общата стойност на излъчване и дифузно излъчване може да се изчисли и стойността на лъчевото лъчение. Следователно можем да изчислим както дифузната слънчева радиация, така и общата радиация, използвайки пиранометър.