Metode mjerenja sunčevog zračenja pomoću pireliometra i piranometra

Svi znamo da se život na zemlji održava zbog sunca jer pruža dovoljno toplinske energije da zemlja ostane topla. Ovu energiju sunce isporučuje u obliku elektromagnetskog zračenja koje se obično naziva sunčevim zračenjem. Dio zračenja korisno je za ljude, dok je drugo zračenje štetno za cijeli život.

Da bi dosegla sunčevo zračenje do zemljine površine, mora proći kroz atmosferu gdje se apsorbira, raspršuje, reflektira i prenosi, što rezultira smanjenjem gustoće energetskog toka. Ovo smanjenje je vrlo značajno jer se više od 30% gubitaka dogodi sunčanog dana, a oblačnog dana dosegne čak 90%. Dakle, maksimalno zračenje koje doseže Zemljinu površinu kroz atmosferu nikada neće biti veće od 80%.

Solarni tok vrlo je važno izmjeriti, jer je on osnova života na zemlji i koristi se za izgradnju mnogih proizvoda, bez obzira jesu li povezani s elektronikom, usjevima, lijekovima, kozmetikom itd. U ovom uputstvu naučit ćemo o sunčevom zračenju i njegovom utjecaju mjerenja, a također će naučiti o dva najpopularnija instrumenta za mjerenje sunčeve energije - pireliometru i piranometru.

Zračenje zraka i difuzno zračenje

Zračenje koje opažamo na površini je i izravno i neizravno zračenje sunca. Zračenje koje dolazi izravno od sunca izravno je zračenje i naziva se zračenje snopom. Raspršeno i odbijeno zračenje koje se šalje na površinu zemlje iz svih smjerova (odbijeno od molekula, čestica, životinjskih tijela itd.) Neizravno je zračenje i naziva se difuznim zračenjem. A zbroj oba, snopa i difuznog zračenja, definiran je kao globalno zračenje ili ukupno zračenje.

Važno je razlikovati zračenje zraka i difuzno zračenje jer se zračenje zraka može koncentrirati, dok difuzno zračenje ne može. Postoje mnogi instrumenti za mjerenje sunčevog zračenja koji se koriste za mjerenje zračenja zraka i difuznog zračenja.

Sada ćemo pogledati spektar elektromagnetskog zračenja na donjem dijagramu.

U čitavom spektru uzimamo u obzir samo valne duljine od UV zraka do IR zraka kako bismo izračunali sunčev tok, jer većina visokofrekventnih valova sunca ne dopire do površine, a niskofrekventno zračenje nakon IR-a nije pouzdano. Dakle, sunčevo zračenje ili tok obično se mjere iz UV zraka u IR zrake, a instrumenti su također dizajnirani tako.

Instrumenti za mjerenje sunčevog zračenja su dvije vrste:

Pireliometar
Piranometar

Prije ulaska u rad ovih instrumenata morate razumjeti nekoliko koncepata koji se koriste tijekom dizajniranja uređaja. Pa sada pogledajmo te koncepte.

Zračenje crnog tijela

Crno tijelo obično apsorbira sva zračenja ne emitirajući ništa natrag u atmosferu i čišće crno tijelo usavršava apsorpciju. Činjenica je da do sada nije bilo savršenog crnog tijela pa se obično zadovoljimo drugim najboljim. Nakon što crno tijelo apsorbira zračenje, ono se zagrijava, jer je samo zračenje energija, a nakon apsorpcije, atomi u tijelu izlaze. Ovo se crno tijelo koristi kao temeljna komponenta u instrumentima za mjerenje sunčevog zračenja. Suprotno crnom tijelu, bijelo tijelo odbija sve zračenje koje na njega padne natrag u atmosferu, zbog čega ćemo se tijekom ljeta osjećati ugodnije nositi bijelu odjeću.

Termoelement

Termoelement je jednostavan uređaj izrađen od dva vodiča izrađena od različitog materijala kako je prikazano na slici.

Ovdje su dvije žice spojene u petlju s dva spoja i ti su spojevi označeni kao 'A' i 'B'. Sada se svijeća donosi u blizini čvora 'A', dok spoj 'B' ostaje sam. Budući da je svijeća prisutna na spoju na 'A', temperatura joj znatno raste, dok na spoju B ostaje hladna na sobnoj temperaturi. Zbog ove temperaturne razlike na spojevima se pojavljuje napon (razlika potencijala) prema ' Seebeckovom efektu'. Budući da je krug zatvoren, struja 'I' teče kroz krug kao što je prikazano na slici, a za mjerenje ove struje spojit ćemo ampermetar u seriju. Važno je zapamtiti da je veličina struje "I" u petlji izravno proporcionalna temperaturnoj razlicina spojevima, pa veće temperaturne razlike rezultiraju većom veličinom struje. Tako dobivanjem očitanja ampermetra možemo izračunati temperaturnu razliku na spojevima.

Sada, nakon što su osnovne stvari obrađene, pogledajmo konstrukciju i rad instrumenata za mjerenje sunčevog zračenja.

Rad i izgradnja pireliometra

Pireliometar je uređaj koji se koristi za mjerenje zračenja izravnim snopom pri normalnoj učestalosti. Njegova vanjska struktura izgleda poput duge cijevi koja projicira sliku teleskopa, a leću moramo usmjeriti prema suncu da bismo izmjerili zračenje. Ovdje ćemo naučiti princip rada pireliometra i njegovu konstrukciju.

Da biste razumjeli osnovnu strukturu pireliometra, pogledajte donji prikaz dijagrama.

Ovdje je leća usmjerena prema suncu i zračenje će proći kroz leću, cijev i na kraju padne na crni objekt prisutan na dnu. Sada, ako na jednostavan način precrtamo cijelu unutarnju strukturu i sklop, to će izgledati otprilike dolje.

U krugu se može vidjeti da crno tijelo apsorbira zračenje koje pada s leće, a kao što smo ranije raspravljali, savršeno crno tijelo u potpunosti apsorbira sve zrake koji padnu na njega, tako da zračenje koje pada u cijev apsorbira crni predmet u potpunosti. Jednom kad se zračenje apsorbira, atomi u tijelu postaju uzbuđeni zbog sve veće temperature cijelog tijela. Ovo povišenje temperature osjetit će i spoj termoelementa "A". Sada s spojem 'A' termoelementa na visokoj temperaturi i spojem 'B' na niskoj temperaturi, u njegovoj petlji odvija se strujni tok, kako je raspravljeno u principu rada termoelementa. Ova struja u petlji također će teći kroz galvanometar koji je u nizu i time uzrokovati odstupanje u njemu. Ovajodstupanje je proporcionalno struji, koja je pak proporcionalna temperaturnoj razlici na spojevima.

Odstupanje ∝ Struja u petlji ∝ Razlika temperatura na spojevima.

Sada ćemo pokušati poništiti to odstupanje u galvanometru uz pomoć sklopa. Cjeloviti postupak poništavanja odstupanja objašnjen je u nastavku, korak po korak.

Prvo zatvorite prekidač u krugu za pokretanje strujnog toka.
Struja teče kao,

Baterija -> Prekidač -> Metalni vodič -> Ampermetar -> Promjenjivi otpor -> Baterija.

S ovom strujom koja teče kroz metalni vodič, temperatura joj raste do određenog stupnja.
U kontaktu s metalnim vodičem temperatura spoja 'B' također raste. To smanjuje temperaturnu razliku između spoja 'A' i spoja 'B'.
Zbog smanjenja temperaturne razlike smanjuje se i strujni tok u termoelementu.
Budući da je odstupanje proporcionalno struji, odstupanje galvanometra također se smanjuje.
Ukratko, možemo reći - Odstupanje u galvanometru može se smanjiti podešavanjem reostata za promjenu struje u metalnom vodiču.

Sada nastavite podešavati reostat sve dok odstupanje galvanometra ne postane potpuno prazno. Jednom kada se to dogodi, možemo dobiti očitanja napona i struje s brojila i izvršiti jednostavan izračun kako bismo odredili toplinu koju apsorbira crno tijelo. Ova izračunata vrijednost može se koristiti za određivanje zračenja, jer je toplina koju stvara crno tijelo izravno proporcionalna zračenju. Ova vrijednost zračenja nije ništa drugo nego sunčevo zračenje izravnog zraka koje želimo mjeriti od početka. I ovim možemo zaključiti rad pireliometra.

Rad i izgradnja piranometra

Piranometar je uređaj koji se može koristiti za mjerenje i zračenja zraka i difuznog zračenja. Drugim riječima, koristi se za mjerenje ukupnog hemisferičnog zračenja (snop plus difuzno na vodoravnoj površini). Ovdje ćemo naučiti o principu rada piranometra i njegovoj konstrukciji.

Uređaj izgleda poput NLO tanjurića koji je najprikladniji oblik za svoju svrhu. Ovaj je uređaj popularniji od ostalih i većina podataka o solarnim resursima koji se danas mjere pomoću njega. Izvornu sliku i unutarnju strukturu piranometra možete vidjeti u nastavku.

Ovdje zračenje iz okolne atmosfere prolazi kroz staklenu kupolu i pada na crno tijelo smješteno u središtu instrumenta. Kao i prije, temperatura tijela raste nakon apsorpcije sveg zračenja, a taj će porast također osjetiti lanac termoelementa ili modul termoelementa koji se nalazi neposredno ispod crnog tijela. Tako će jedna strana modula biti vruća, a druga hladna zbog hladnjaka. Modul termoelementa generira napon i to se može vidjeti na izlaznim stezaljkama. Ovaj napon primljen na izlaznim stezaljkama izravno je proporcionalan temperaturnoj razlici prema principu termoelementa.

Budući da znamo da je temperaturna razlika povezana s zračenjem koje apsorbira crno tijelo, možemo reći da je izlazni napon linearno proporcionalan zračenju.

Slično prethodnom izračunu, vrijednost ukupnog zračenja može se lako dobiti iz ove vrijednosti napona. Također korištenjem sjene i slijedeći isti postupak, također možemo dobiti difuzno zračenje. Uz ukupnu vrijednost zračenja i difuzno zračenje, vrijednost zračenja zraka također se može izračunati. Stoga možemo izračunati i difuzno sunčevo zračenje i ukupno zračenje pomoću piranometra.