Saulės spinduliuotės matavimo metodai naudojant pireliometrą ir piranometrą

Visi žinome, kad žemėje gyvybė palaikoma dėl saulės, nes ji suteikia pakankamai šilumos energijos, kad žemė būtų šilta. Šią energiją saulė tiekia elektromagnetinės spinduliuotės forma, kuri paprastai vadinama saulės spinduliuote. Dalis radiacijos yra naudinga žmonėms, o kita - kenksminga visai gyvybei.

Norėdami pasiekti saulės spinduliuotę į žemės paviršių, ji turi praeiti per atmosferą, kur ji absorbuojama, išsisklaido, atsispindi ir perduodama, o tai sumažina energijos srauto tankį. Šis sumažėjimas yra labai reikšmingas, nes daugiau nei 30% nuostolių patenka saulėtą dieną, o debesuotą dieną jis siekia net 90%. Taigi didžiausia radiacija, pasiekianti žemės paviršių per atmosferą, niekada nebus didesnė nei 80%.

Saulės srautas yra labai svarbus matuojant, nes jis yra gyvenimo žemėje pagrindas ir naudojamas kuriant daugybę produktų, nesvarbu, ar jis susijęs su elektronika, pasėliais, vaistais, kosmetika ir kt. Šioje pamokoje sužinosime apie saulės spinduliavimą ir jo matavimo ir taip pat sužinos apie du populiariausius saulės energijos matavimo prietaisus - pirheliometrą ir piranometrą.

Spindulinis ir difuzinis spinduliavimas

Radiacija, kurią suvokiame paviršiuje, yra ir tiesioginė, ir netiesioginė saulės spinduliuotė. Tiesiogiai iš saulės sklindanti radiacija yra tiesioginė spinduliuotė ir ji vadinama pluošto spinduliuote. Išsklaidyta ir atspindėta spinduliuotė, siunčiama į žemės paviršių iš visų pusių (atspindėta nuo molekulių, dalelių, gyvūnų kūnų ir kt.), Yra netiesioginė spinduliuotė ir ji vadinama difuzine spinduliuote. Abiejų, pluošto ir difuzinės spinduliuotės, suma apibrėžiama kaip visuotinė arba bendra spinduliuotė.

Svarbu atskirti spindulių spinduliuotę nuo difuzinės spinduliuotės, nes spindulių spinduliuotė gali būti sutelkta, o difuzinė - ne. Yra daug saulės spinduliuotės matavimo prietaisų, kurie naudojami spindulių ir difuzinei spinduliuotei matuoti.

Dabar pažvelkime į žemiau pateiktoje diagramoje pateiktą elektromagnetinės spinduliuotės spektrą.

Apskaičiuodami saulės srautą, visame spektre atsižvelgiame tik į bangos ilgius nuo UV spindulių iki IR spindulių, nes dauguma saulės aukšto dažnio bangų nepasiekia paviršiaus, o žemo dažnio spinduliuotė po IR nėra patikima. Taigi saulės spinduliuotė arba srautas paprastai matuojamas iš UV spindulių į IR spindulius, o prietaisai taip pat yra sukurti.

Saulės spinduliuotės matavimo prietaisai yra dviejų tipų:

Pirheliometras
Piranometras

Prieš pradėdami dirbti su šiais prietaisais, turite suprasti keletą sąvokų, kurios naudojamos projektuojant prietaisus. Taigi dabar panagrinėkime šias sąvokas.

Juodojo kūno spinduliuotė

Juodas kūnas paprastai sugeria visas spinduliuotes, nieko neišskirdamas į atmosferą, ir grynesnis juodasis kūnas sugeria geriau. Faktas yra tai, kad iki šiol nėra tobulo juodo kūno, todėl paprastai mes patenkiname antrą geriausią. Po to, kai juodasis kūnas sugeria radiaciją, jis įkaista, nes pati spinduliuotė yra energija, o absorbavus - kūno atomai. Šis juodasis kūnas naudojamas kaip pagrindinis saulės spinduliuotės matavimo prietaisų komponentas. Priešais juodą kūną baltas kūnas atspindi visą ant jo patekusią radiaciją atgal į atmosferą, todėl vasarą jausimės patogiau dėvėdami baltus drabužius.

Termoelementas

Termoelementas yra paprastas įtaisas, sukonstruotas naudojant du laidininkus, pagamintus iš skirtingos medžiagos, kaip parodyta paveikslėlyje.

Čia sujungiami du laidai, sudarantys kilpą su dviem sankryžomis, ir šios sankryžos žymimos kaip „A“ ir „B“. Dabar žvakė priartinama prie sankryžos „A“, o jungtis „B“ paliekama viena. Kai žvakė yra „A“ sankryžoje, jos temperatūra žymiai pakyla, o jungtis B kambario temperatūroje išlieka šalta. Dėl šio temperatūrų skirtumo sankryžose atsiranda įtampa (potencialų skirtumas) pagal „ Seebeck efektą“. Kadangi grandinė yra uždara, srovė „I“ teka per grandinę, kaip parodyta paveiksle, ir, norėdami išmatuoti šią srovę, mes sujungsime ampermetrą nuosekliai. Svarbu atsiminti, kad srovės „I“ dydis kilpoje yra tiesiogiai proporcingas temperatūros skirtumuisandūrose, todėl dėl didesnių temperatūrų skirtumų didesnis srovės stipris. Taigi, gavę ampermetro rodmenį, galime apskaičiuoti temperatūros skirtumą sankryžose.

Dabar, kai bus aptarti pagrindai, panagrinėkime saulės spinduliuotės matavimo prietaisų konstrukciją ir veikimą.

Pirheliometro darbas ir statyba

Pirheliometras yra prietaisas, naudojamas matuoti tiesioginį pluošto spinduliavimą įprastu dažniu. Jo išorinė struktūra atrodo kaip ilgas vamzdis, rodantis teleskopo vaizdą, ir mes turime nukreipti objektyvą į saulę, kad pamatuotume spinduliavimą. Čia sužinosime pirheliometro veikimo principą ir jo konstrukciją.

Norėdami suprasti pagrindinę pirheliometro struktūrą, žiūrėkite žemiau pateiktą diagramą.

Objektyvas nukreiptas į saulės pusę, o spinduliuotė praeis pro lęšį, vamzdelį ir pabaigoje nukris į juodą daiktą, esantį apačioje. Dabar, jei paprasčiau nupiešsime visą vidinę struktūrą ir grandinę, tai atrodys panašiai kaip žemiau.

Kontūre galima pastebėti, kad juodas kūnas sugeria nuo objektyvo krintančią spinduliuotę, ir, kaip jau buvo aptarta anksčiau, tobulas juodas kūnas visiškai sugeria bet kokią ant jo patekusią spinduliuotę, todėl į vamzdelį patenkanti spinduliuotė visiškai absorbuojama juodo objekto. Kai radiacija absorbuojasi, atomai kūne jaudinasi dėl kylančios viso kūno temperatūros. Šį temperatūros padidėjimą taip pat patirs termoelementų jungtis „A“. Dabar su sandūros "a" aukštoje temperatūroje ir sandūros "B" žemoje temperatūroje termopora, srovės srautas vyksta jo kilpa kaip aptarta darbo principas termoelementas. Ši srovė kilpoje taip pat tekės per nuosekliai galvanometrą ir sukels joje nuokrypį. Tainuokrypis yra proporcingas srovei, o tai savo ruožtu yra proporcingas temperatūros skirtumui sankryžose.

Nuokrypis ∝ srovė kilpoje ∝ temperatūrų skirtumas sandūrose.

Dabar bandysime panaikinti šį galvanometro nuokrypį grandinės pagalba. Visas nuokrypio panaikinimo procesas paaiškinamas toliau.

Pirmiausia uždarykite grandinės jungiklį, kad pradėtumėte srovės srautą.
Srovė teka kaip,

Baterija -> jungiklis -> metalinis laidininkas -> ampermetras -> kintamasis rezistorius -> akumuliatorius.

Kai ši srovė teka metaliniu laidininku, jo temperatūra tam tikru laipsniu pakyla.
Kontaktas su metaliniu laidininku jungties „B“ temperatūra taip pat pakyla. Tai sumažina sankryžos „A“ ir sankryžos „B“ temperatūrų skirtumą.
Dėl temperatūros skirtumo sumažėjimo srovės srautas termoporoje taip pat sumažėja.
Kadangi nuokrypis yra proporcingas srovei, galvanometro nuokrypis taip pat mažėja.
Apibendrinant galime pasakyti - nuokrypį galvanometre galima sumažinti reguliuojant reostatą, kad būtų pakeista srovė metaliniame laidininke.

Dabar reguliuokite reostatą tol, kol galvanometro nuokrypis taps visiškai tuščias. Kai tai atsitiks, galime gauti įtampos ir srovės rodmenis iš skaitiklių ir atlikti paprastą skaičiavimą, kad nustatytume juodojo kūno absorbuotą šilumą. Ši apskaičiuota vertė gali būti naudojama radiacijai nustatyti, nes juodo kūno sukurta šiluma yra tiesiogiai proporcinga spinduliuotei. Ši spinduliuotės vertė yra ne kas kita, o tiesioginė saulės spinduliuotė, kurią mes norime išmatuoti nuo pat pradžių. Tuo galime užbaigti Pirheliometro veikimą.

Piranometro darbas ir statyba

Piranometras yra prietaisas, kuriuo galima matuoti tiek spindulių, tiek difuzinę spinduliuotę. Kitaip tariant, jis naudojamas matuoti bendrą pusrutulio spinduliavimą (pluoštas plius difuzinis ant horizontalaus paviršiaus). Čia sužinosime apie piranometro veikimo principą ir jo konstrukciją.

Prietaisas atrodo kaip NSO lėkštė, kuri geriausiai tinka jo paskirčiai. Šis prietaisas yra populiaresnis už kitus ir šiuo metu dauguma saulės išteklių duomenų matuojami jį naudojant. Piranometro originalų vaizdą ir vidinę struktūrą galite pamatyti žemiau.

Čia aplinkinės atmosferos spinduliuotė praeina per stiklinį kupolą ir patenka į juodaodį, esantį instrumento centre. Kaip ir anksčiau, kūno temperatūra pakyla absorbavus visą spinduliuotę, ir šį kilimą patirs tiesiai po juoduoju kūnu esanti termoporos grandinė arba termoelemento modulis. Taigi viena modulio pusė bus karšta, o kita bus šalta dėl radiatoriaus. Termoelemento modulis sukuria įtampą, ir tai galima pamatyti išėjimo gnybtuose. Ši išėjimo gnybtų gauta įtampa yra tiesiogiai proporcinga temperatūros skirtumui pagal termoporos principą.

Kadangi žinome, kad temperatūrų skirtumas yra susijęs su juodojo kūno absorbuota spinduliuote, galime sakyti, kad išėjimo įtampa yra tiesiškai proporcinga spinduliuotei.

Panašiai kaip ankstesniame skaičiavime, iš šios įtampos vertės galima lengvai gauti bendros spinduliuotės vertę. Taip pat naudodami šešėlį ir atlikdami tą pačią procedūrą, mes taip pat galime gauti difuzinę spinduliuotę. Naudojant bendrą spinduliuotės ir difuzinės spinduliuotės vertę, taip pat galima apskaičiuoti pluošto spinduliuotės vertę. Taigi, naudojant piranometrą, galime apskaičiuoti tiek difuzinę saulės spinduliuotę, tiek bendrą spinduliuotę.