Saules starojuma mērīšanas metodes, izmantojot pirheliometru un piranometru

Mēs visi zinām, ka uz zemes dzīvība tiek uzturēta saules dēļ, jo tā nodrošina pietiekamu siltuma enerģiju, lai zeme būtu silta. Šo enerģiju saule piegādā elektromagnētiskā starojuma veidā, ko parasti sauc par saules starojumu. Daļa no starojuma ir labvēlīga cilvēkiem, savukārt cita radiācija ir kaitīga visai dzīvībai.

Lai sasniegtu saules starojumu līdz zemes virsmai, tam jāiet cauri atmosfērai, kur tas absorbējas, izkliedējas, atspoguļojas un pārnests, kā rezultātā samazinās enerģijas plūsmas blīvums. Šis samazinājums ir ļoti nozīmīgs, jo vairāk nekā 30% zaudējumu rodas saulainā dienā un mākoņainā dienā tas sasniedz pat 90%. Tātad maksimālais starojums, kas caur zemes atmosfēru sasniedz zemes virsmu, nekad nebūs lielāks par 80%.

Saules plūsma ir ļoti svarīga, lai izmērītu, jo tā ir dzīvības pamats uz zemes un tiek izmantota, veidojot daudzus produktus, neatkarīgi no tā, vai tā ir saistīta ar elektroniku, kultūrām, zālēm, kosmētiku utt. Šajā apmācībā mēs uzzināsim par saules starojumu un tā mērīšana un arī uzzināt par divām visvairāk populārs saules enerģijas mērīšanas instruments- Pyrheliometer un Pyranometer.

Stara starojums un difūzais starojums

Starojums, ko mēs uztveram uz virsmas, ir gan tiešais, gan netiešais saules starojums. Starojums, kas nāk tieši no saules, ir tiešs starojums, un to sauc par staru starojumu. Izkliedētais un atstarotais starojums, kas tiek virzīts uz zemes virsmu no visiem virzieniem (atstarots no molekulām, daļiņām, dzīvnieku ķermeņiem utt.), Ir netiešais starojums, un to sauc par difūzo starojumu. Abu, stara un izkliedētā starojuma summa tiek definēta kā globālais starojums vai kopējais starojums.

Ir svarīgi nošķirt staru starojumu no difūzā starojuma, jo staru starojumu var koncentrēt, savukārt difūzo starojumu nevar. Ir daudz saules starojuma mērinstrumentu, kurus izmanto staru un difūzā starojuma mērīšanai.

Tagad aplūkosim zemāk redzamajā diagrammā redzamo elektromagnētiskā starojuma spektru.

Lai aprēķinātu saules plūsmu, visā spektrā mēs ņemam vērā tikai viļņu garumus no UV stariem līdz IR stariem, jo lielākā daļa saules augstfrekvences viļņu nesasniedz virsmu un zemfrekvences starojums pēc IR nav ticami. Tātad saules starojumu vai plūsmu parasti mēra no UV stariem uz IR stariem, un arī instrumenti tiek veidoti tā.

Saules radiācijas mērinstrumenti ir divu veidu:

Pirheliometrs
Piranometrs

Pirms sākat strādāt ar šiem instrumentiem, jums ir jāsaprot pāris jēdzieni, kas tiek izmantoti, izstrādājot ierīces. Tāpēc tagad apskatīsim šos jēdzienus.

Melnā ķermeņa starojums

Melns korpuss parasti absorbē visus starojumus, neko neatstājot atpakaļ atmosfērā, un melnais korpuss ir tīrāks, lai absorbcija būtu pilnīgāka. Patiesībā līdz šim nav neviena perfekta melnā ķermeņa, tāpēc mēs parasti samierināmies ar otro labāko. Pēc tam, kad melnais ķermenis absorbē starojumu, tas sakarst, jo pats starojums ir enerģija, un pēc absorbcijas ķermeņa atomi izkļūst. Šis melnais korpuss tiek izmantots kā galvenā sastāvdaļa saules starojuma mērinstrumentos. Pretstatā melnajam ķermenim, balts ķermenis atspoguļo visu starojumu, kas uz tā nokrīt, atpakaļ atmosfērā, tāpēc vasarā mēs jutīsimies ērtāk, valkājot baltas drēbes.

Termopāra

Termopāra ir vienkārša ierīce, kas izgatavota, izmantojot divus vadītājus, kas izgatavoti no atšķirīga materiāla, kā parādīts attēlā.

Šeit divi vadi ir savienoti, lai izveidotu cilpu ar diviem krustojumiem, un šie krustojumi tiek apzīmēti kā 'A' un 'B'. Tagad svece ir nogādāta pie krustojuma “A”, bet krustojums “B” paliek viens. Svecei atrodoties krustojumā pie “A”, tā temperatūra ievērojami paaugstinās, kamēr krustojums B istabas temperatūrā paliek auksts. Šīs temperatūras starpības dēļ krustojumos parādās spriegums (potenciālu starpība) saskaņā ar “ Zēbeka efektu”. Tā kā ķēde ir slēgta, caur ķēdi plūst strāva 'I', kā parādīts attēlā, un, lai izmērītu šo strāvu, mēs virkni savienosim ampermetru. Ir svarīgi atcerēties, ka strāvas “I” lielums cilpā ir tieši proporcionāls temperatūras starpībaikrustojumos, tāpēc augstākas temperatūras atšķirības rada lielāku strāvas lielumu. Tātad, iegūstot ampērmetra rādījumu, mēs varam aprēķināt temperatūras starpību krustojumos.

Pēc tam, kad būs apskatīti pamati, apskatīsim saules starojuma mērinstrumentu uzbūvi un darbību.

Pirheliometra darbība un būvniecība

Pirheliometrs ir ierīce, ko izmanto tiešā starojuma starojuma mērīšanai pie normāla krituma. Tās ārējā struktūra izskatās kā gara caurule, kas projicē teleskopa attēlu, un mums ir jānorāda objektīvs uz sauli, lai izmērītu spožumu. Šeit mēs uzzināsim pirheliometra darbības principu un tā uzbūvi.

Lai saprastu pirheliometra pamatstruktūru, aplūkojiet zemāk redzamo diagrammu.

Šeit objektīvs ir vērsts pret sauli, un starojums iziet cauri objektīvam, caurulei un beigās nokrīt uz apakšā esošo melno objektu. Tagad, ja mēs visu iekšējo struktūru un ķēdi pārzīmēsim vienkāršākā veidā, tas izskatīsies kaut kas līdzīgs zemāk redzamajam.

Kontūrā var redzēt, ka melnais ķermenis absorbē starojumu, kas nokrīt no lēcas, un, kā iepriekš tika apspriests, ideāls melns ķermenis pilnībā absorbē jebkuru uz to krītošo starojumu, tāpēc caurulē ietilpstošo starojumu pilnībā absorbē melnais objekts. Kad radiācija absorbējas, ķermeņa atomi aizraujas, jo paaugstinās visa ķermeņa temperatūra. Šo temperatūras pieaugumu piedzīvos arī termopāra savienojums “A”. Tagad ar termopāra krustojumu “A” augstā temperatūrā un krustojumu “B” zemā temperatūrā tā cilpā notiek strāvas plūsma, kā tas ir apspriests termopāra darbības principā. Šī strāva kontūrā plūst arī pa galvanometru, kas atrodas virknē, tādējādi izraisot novirzi tajā. Šisnovirze ir proporcionāla strāvai, kas savukārt ir proporcionāla temperatūras starpībai krustojumos.

Novirze ∝ strāva kontūrā ∝ temperatūras starpība krustojumos.

Tagad ar ķēdes palīdzību mēģināsim novērst šo novirzi galvanometrā. Pilns novirzes atcelšanas process ir paskaidrots soli pa solim zemāk.

Vispirms aizveriet ķēdes slēdzi, lai sāktu strāvas plūsmu.
Pašreizējā plūsma

Akumulators -> slēdzis -> metāla vadītājs -> ampērmetrs -> mainīgs rezistors -> akumulators.

Ar šo strāvu, kas plūst caur metāla vadītāju, tā temperatūra zināmā mērā paaugstinās.
Saskaroties ar metāla vadītāju, krustojuma “B” temperatūra arī paaugstinās. Tas samazina temperatūras starpību starp krustojumu “A” un krustojumu “B”.
Temperatūras starpības samazināšanās dēļ samazinās arī strāvas plūsma termoelementā.
Tā kā novirze ir proporcionāla strāvai, samazinās arī galvanometra novirze.
Kopumā mēs varam teikt- novirzi galvanometrā var samazināt, pielāgojot reostatu, lai mainītu strāvu metāla vadītājā.

Tagad turpiniet regulēt reostatu, līdz galvanometra novirze kļūst pilnīgi tukša. Kad tas notiks, mēs varam iegūt sprieguma un strāvas rādījumus no skaitītājiem un veikt vienkāršu aprēķinu, lai noteiktu melnā ķermeņa absorbēto siltumu. Šo aprēķināto vērtību var izmantot, lai noteiktu starojumu, jo melnā ķermeņa radītais siltums ir tieši proporcionāls starojumam. Šī radiācijas vērtība ir nekas cits kā tiešais saules starojums, kuru mēs vēlamies izmērīt no paša sākuma. Un ar to mēs varam pabeigt pirheliometra darbību.

Piranometra darbība un būvniecība

Piranometrs ir ierīce, ko var izmantot gan staru, gan izkliedētā starojuma mērīšanai. Citiem vārdiem sakot, to izmanto, lai izmērītu kopējo puslodes starojumu (staru kūlis plus izkliedēts uz horizontālas virsmas). Šeit mēs uzzināsim par Piranometra darbības principu un tā uzbūvi.

Ierīce izskatās kā NLO apakštase, kas ir vislabāk piemērota tās mērķim. Šī ierīce ir populārāka nekā citas, un mūsdienās lielāko daļu Saules resursu datu mēra, izmantojot to. Piranometra oriģinālo attēlu un iekšējo struktūru varat redzēt zemāk.

Šeit apkārtējās atmosfēras starojums iet caur stikla kupolu un nokrīt uz melnā ķermeņa, kas atrodas instrumenta centrā. Tāpat kā iepriekš, ķermeņa temperatūra paaugstinās pēc visa starojuma absorbēšanas, un šo pieaugumu piedzīvos arī termopāra ķēde vai termopāra modulis, kas atrodas tieši zem melnā ķermeņa. Tātad viena moduļa puse būs karsta, bet otra - auksta siltuma izlietnes dēļ. Termopāra modulis rada spriegumu, un to var redzēt pie izejas spailēm. Šis izejas spailēs saņemtais spriegums ir tieši proporcionāls temperatūras starpībai saskaņā ar termopāra principu.

Tā kā mēs zinām, ka temperatūras starpība ir saistīta ar melnā ķermeņa absorbēto starojumu, mēs varam teikt, ka izejas spriegums ir lineāri proporcionāls starojumam.

Līdzīgi kā iepriekšējos aprēķinos, no šīs sprieguma vērtības var viegli iegūt kopējā starojuma vērtību. Arī izmantojot ēnu un veicot to pašu procedūru, mēs varam iegūt arī izkliedēto starojumu. Izmantojot kopējo starojuma un difūzā starojuma vērtību, var aprēķināt arī staru starojuma vērtību. Tādējādi, izmantojot piranometru, mēs varam aprēķināt gan izkliedēto saules starojumu, gan kopējo starojumu.