Metody pomiaru promieniowania słonecznego z wykorzystaniem pirheliometru i piranometru

Wszyscy wiemy, że życie na ziemi jest podtrzymywane dzięki słońcu, ponieważ dostarcza ono energii cieplnej wystarczającej do utrzymania ciepła na ziemi. Energia ta jest dostarczana przez słońce w postaci promieniowania elektromagnetycznego, które jest zwykle nazywane promieniowaniem słonecznym. Część promieniowania jest korzystna dla ludzi, podczas gdy inne jest szkodliwe dla całego życia.

Aby dotrzeć do powierzchni ziemi, promieniowanie słoneczne musi przejść przez atmosferę, gdzie jest pochłaniane, rozpraszane, odbijane i przepuszczane, co powoduje zmniejszenie gęstości strumienia energii. Ta redukcja jest bardzo znacząca, ponieważ ponad 30% strat występuje w słoneczny dzień, a w pochmurny dzień dochodzi do 90%. Zatem maksymalne promieniowanie, które dociera do powierzchni ziemi przez atmosferę, nigdy nie przekroczy 80%.

Strumień słoneczny jest bardzo ważny do zmierzenia, ponieważ jest podstawą życia na Ziemi i jest używany do budowy wielu produktów, czy to związanych z elektroniką, uprawami, lekarstwami, kosmetykami itp. W tym samouczku dowiemy się o promieniowaniu słonecznym i jego pomiaru, a także pozna dwa najpopularniejsze przyrządy do pomiaru energii słonecznej - pirheliometr i piranometr.

Promieniowanie wiązki i promieniowanie rozproszone

Promieniowanie, które odbieramy na powierzchni, jest zarówno bezpośrednim, jak i pośrednim promieniowaniem słonecznym. Promieniowanie, które pochodzi bezpośrednio ze słońca, jest promieniowaniem bezpośrednim i nazywane jest promieniowaniem wiązkowym. Promieniowanie rozproszone i odbite, które jest wysyłane na powierzchnię Ziemi ze wszystkich kierunków (odbite od cząsteczek, cząstek, ciał zwierząt itp.) Jest promieniowaniem pośrednim i nazywane jest promieniowaniem rozproszonym. A suma obu, wiązki i promieniowania rozproszonego, jest definiowana jako promieniowanie globalne lub promieniowanie całkowite.

Ważne jest, aby odróżnić promieniowanie wiązki od promieniowania rozproszonego, ponieważ promieniowanie wiązki może być skoncentrowane, podczas gdy promieniowanie rozproszone nie. Istnieje wiele przyrządów do pomiaru promieniowania słonecznego, które służą do pomiaru promieniowania wiązki i promieniowania rozproszonego.

Spójrzmy teraz na widmo promieniowania elektromagnetycznego na poniższym diagramie.

W całym widmie bierzemy pod uwagę tylko długości fal od promieni UV do promieni podczerwonych w celu obliczenia strumienia słonecznego, ponieważ większość fal o wysokiej częstotliwości ze słońca nie dociera do powierzchni, a promieniowanie o niskiej częstotliwości po IR nie jest wiarygodne. Tak więc promieniowanie słoneczne lub strumień są zwykle mierzone od promieni UV do promieni IR, a przyrządy są również zaprojektowane w ten sposób.

Przyrządy do pomiaru promieniowania słonecznego są dwojakiego rodzaju:

Pirheliometr
Pyranometer

Przed przystąpieniem do pracy z tymi instrumentami musisz zrozumieć kilka pojęć, które są używane podczas projektowania urządzeń. Przyjrzyjmy się teraz tym koncepcjom.

Promieniowanie ciała doskonale czarnego

Ciało czarne zwykle pochłania wszystkie promieniowanie, nie emitując niczego z powrotem do atmosfery, a czystsze ciało czarne doskonali absorpcję. Faktem jest, że do tej pory nie było idealnego czarnego ciała, więc zwykle zadowalamy się drugim najlepszym. Po zaabsorbowaniu promieniowania przez czarne ciało zostaje ono podgrzane, ponieważ samo promieniowanie jest energią, a po absorpcji atomy w ciele wychodzą. To ciało czarne jest używane jako rdzeń w przyrządach do pomiaru promieniowania słonecznego. W przeciwieństwie do czarnego korpusu, białe ciało odbija całe promieniowanie, które na nie pada z powrotem do atmosfery, dlatego latem wygodniej będzie nam nosić białe ubrania.

Termoelement

Termopara jest prostym urządzeniem zbudowanym z dwóch przewodów wykonanych z różnych materiałów, jak pokazano na rysunku.

Tutaj dwa przewody są połączone, tworząc pętlę z dwoma połączeniami, a te złącza są oznaczone jako „A” i „B”. Teraz w pobliżu skrzyżowania „A” znajduje się świeca, podczas gdy skrzyżowanie „B” pozostaje samo. Gdy świeca jest obecna na złączu „A”, jej temperatura znacznie wzrasta, podczas gdy złącze B pozostaje zimne w temperaturze pokojowej. Z powodu tej różnicy temperatur na złączach pojawia się napięcie (różnica potencjałów) zgodnie z „ efektem Seebecka”. Ponieważ obwód jest zamknięty, przez obwód przepływa prąd „I”, jak pokazano na rysunku i aby zmierzyć ten prąd, połączymy szeregowo amperomierz. Należy pamiętać, że wielkość prądu „I” w pętli jest wprost proporcjonalna do różnicy temperaturna skrzyżowaniach, więc większe różnice temperatur skutkują wyższą wielkością prądu. Zatem uzyskując odczyt amperomierza, możemy obliczyć różnicę temperatur na złączach.

Po omówieniu podstaw przyjrzyjmy się budowie i działaniu przyrządów do pomiaru promieniowania słonecznego.

Budowa i działanie pirheliometru

Pirheliometr to urządzenie służące do pomiaru promieniowania wiązki bezpośredniej o normalnym padaniu. Jego zewnętrzna struktura wygląda jak długa tuba wyświetlająca obraz teleskopu i aby zmierzyć jasność, musimy skierować soczewkę na słońce. Tutaj poznamy zasadę działania pirheliometru i jego budowę.

Aby zrozumieć podstawową strukturę pirheliometru, spójrz na poniższy diagram.

Tutaj soczewka jest skierowana w stronę słońca, a promieniowanie przechodzi przez soczewkę, rurkę i na końcu pada na czarny obiekt znajdujący się na dole. Jeśli teraz przerysujemy całą wewnętrzną strukturę i obwód w prostszy sposób, będzie wyglądał jak poniżej.

W obwodzie można zauważyć, że ciało doskonale czarne absorbuje promieniowanie padające z soczewki i jak wspomniano wcześniej, ciało doskonale czarne całkowicie pochłania wszelkie promieniowanie padające na nie, tak więc promieniowanie wpadające do tuby jest całkowicie absorbowane przez czarny obiekt. Gdy promieniowanie zostanie wchłonięte, atomy w organizmie ulegają podnieceniu z powodu wzrostu temperatury całego ciała. Ten wzrost temperatury będzie również odczuwalny przez złącze termopary „A”. Teraz, gdy złącze „A” termoelementu jest w wysokiej temperaturze i złącze „B” w niskiej temperaturze, w jego pętli następuje przepływ prądu, jak omówiono w zasadzie działania termopary. Ten prąd w pętli będzie również przepływał przez galwanometr, który jest połączony szeregowo, powodując w ten sposób odchylenie w nim. Toodchylenie jest proporcjonalne do prądu, który z kolei jest proporcjonalny do różnicy temperatur na złączach.

Odchylenie ∝ Prąd w pętli ∝ Różnica temperatur na skrzyżowaniach.

Teraz spróbujemy zlikwidować to odchylenie w galwanometrze za pomocą obwodu. Pełny proces anulowania odchylenia wyjaśniono krok po kroku poniżej.

Najpierw zamknij przełącznik w obwodzie, aby uruchomić przepływ prądu.
Prąd płynie jak

Bateria -> Przełącznik -> Metalowy przewodnik -> Amperomierz -> Rezystor zmienny -> Bateria.

Wraz z przepływem tego prądu przez metalowy przewodnik jego temperatura wzrasta do pewnego stopnia.
W kontakcie z przewodem metalowym wzrasta również temperatura złącza „B”. Zmniejsza to różnicę temperatur między łącznikiem „A” i łącznikiem „B”.
Ze względu na zmniejszenie różnicy temperatur zmniejsza się również przepływ prądu w termoparach.
Ponieważ odchylenie jest proporcjonalne do prądu, odchylenie galwanometru również maleje.
Podsumowując, możemy powiedzieć - Odchylenie w galwanometrze można zmniejszyć, dostosowując opornik, aby zmienić prąd w przewodniku metalowym.

Teraz kontynuuj regulację reostatu, aż odchylenie galwanometru stanie się całkowicie puste. Gdy to nastąpi, możemy uzyskać odczyty napięcia i prądu z mierników i wykonać proste obliczenia, aby określić ciepło pochłonięte przez czarne ciało. Ta obliczona wartość może być wykorzystana do określenia promieniowania, ponieważ ciepło wytwarzane przez ciało doskonale czarne jest wprost proporcjonalne do promieniowania. Ta wartość promieniowania to nic innego jak bezpośrednie wiązki promieniowania słonecznego, które chcemy mierzyć od początku. I na tym możemy zakończyć działanie pirheliometru.

Praca i budowa pirometru

Pyranometr to urządzenie, które można wykorzystać do pomiaru zarówno promieniowania wiązki, jak i promieniowania rozproszonego. Innymi słowy, służy do pomiaru całkowitego promieniowania półkulistego (wiązka plus rozproszenie na poziomej powierzchni). Tutaj dowiemy się o zasadzie działania pirometru i jego budowie.

Urządzenie wygląda jak spodek UFO, który jest najlepiej dopasowany do jego przeznaczenia. To urządzenie jest bardziej popularne niż inne i większość danych o zasobach słonecznych obecnie mierzy się za jego pomocą. Możesz zobaczyć oryginalne zdjęcie i wewnętrzną strukturę pirometru poniżej.

Wcześniejsze

Tutaj promieniowanie z otaczającej atmosfery przechodzi przez szklaną kopułę i pada na ciało czarne umieszczone w środku instrumentu. Podobnie jak poprzednio, temperatura ciała wzrasta po pochłonięciu całego promieniowania, a wzrost ten będzie również odczuwany przez łańcuch termopary lub moduł termopary znajdujący się bezpośrednio pod ciałem czarnym. Więc jedna strona modułu będzie gorąca, a druga zimna z powodu radiatora. Moduł termopary generuje napięcie, co można zobaczyć na zaciskach wyjściowych. To napięcie odbierane na zaciskach wyjściowych jest wprost proporcjonalne do różnicy temperatur zgodnie z zasadą termopary.

Ponieważ wiemy, że różnica temperatur jest związana z promieniowaniem pochłanianym przez ciało doskonale czarne, możemy powiedzieć, że napięcie wyjściowe jest liniowo proporcjonalne do promieniowania.

Podobnie jak w poprzednich obliczeniach, wartość całkowitego promieniowania można łatwo uzyskać z tej wartości napięcia. Również stosując cienie i postępując zgodnie z tą samą procedurą, możemy również uzyskać promieniowanie rozproszone. Przy wartości promieniowania całkowitego i promieniowania rozproszonego można również obliczyć wartość promieniowania wiązki. Dlatego możemy obliczyć zarówno rozproszone promieniowanie słoneczne, jak i całkowite promieniowanie za pomocą pirometru.