Методи вимірювання сонячного випромінювання за допомогою піреліометра та піранометра

Ми всі знаємо, що життя на землі підтримується завдяки сонцю, оскільки воно забезпечує достатню кількість теплової енергії, щоб зберегти землю теплою. Ця енергія доставляється сонцем у вигляді електромагнітного випромінювання, яке зазвичай називають сонячним випромінюванням. Частина випромінювання корисна для людини, тоді як інша радіація шкодить усьому життю.

Щоб потрапити сонячне випромінювання до земної поверхні, воно повинно пройти через атмосферу, де воно поглинається, розсіюється, відбивається і передається, що призводить до зменшення щільності потоку енергії. Це скорочення є дуже значним, оскільки втрата становить понад 30% у сонячний день, а в похмурий день сягає 90%. Отже, максимальне випромінювання, яке досягає земної поверхні через атмосферу, ніколи не буде вище 80%.

Сонячний потік дуже важливо виміряти, так як вона є основою життя на Землі, і використовується в будівництві багатьох продуктів, будь то його пов'язані з електронікою, культур, ліків, косметики і т.д. У цьому уроці ми дізнаємося про сонячної радіації і її вимірювання, а також дізнається про два найпопулярніші прилади вимірювання сонячної енергії - піреліометр та піранометр.

Випромінювання пучка та дифузне випромінювання

Випромінювання, яке ми сприймаємо на поверхні, є як прямим, так і непрямим випромінюванням сонця. Випромінювання, яке надходить безпосередньо від Сонця, є прямим випромінюванням, і воно називається променевим. Розсіяне і відбите випромінювання, яке надходить на земну поверхню з усіх боків (відбивається від молекул, частинок, тіл тварин тощо), є непрямим випромінюванням, і його називають дифузним випромінюванням. І сума обох, пучкового і дифузного випромінювання, визначається як глобальне випромінювання або загальне випромінювання.

Важливо розмежовувати променеве випромінювання від дифузного, тому що променеве випромінювання може бути зосередженим, а дифузне - не. Існує багато приладів для вимірювання сонячної радіації, які використовуються для вимірювання променевого випромінювання та дифузного випромінювання.

Тепер давайте поглянемо на спектр електромагнітного випромінювання на діаграмі нижче.

У всьому спектрі ми розглядаємо лише довжини хвиль від УФ-променів до ІЧ-променів, щоб обчислити сонячний потік, оскільки більшість високочастотних хвиль від Сонця не досягають поверхні, а низькочастотне випромінювання після ІЧ не є надійним. Отже, сонячне випромінювання або потік зазвичай вимірюється від УФ-променів до ІЧ-променів, і прилади також сконструйовані так.

Прилади для вимірювання сонячного випромінювання бувають двох типів:

Піреліометр
Піранометр

Перш ніж переходити до роботи цих інструментів, вам слід зрозуміти пару понять, які використовуються при проектуванні пристроїв. Тож тепер давайте розглянемо ці поняття.

Випромінювання чорного тіла

Чорне тіло зазвичай поглинає всі випромінювання, не випускаючи нічого назад в атмосферу, а чистіше чорне тіло досконаліше поглинання. Справа в тому, що дотепер не існує ідеального чорного тіла, тому ми, як правило, погоджуємося на друге найкраще. Після того, як чорне тіло поглинає випромінювання, воно нагрівається, оскільки саме випромінювання є енергією, а після поглинання атоми в тілі виходять. Це чорне тіло використовується як основний компонент у приладах для вимірювання сонячного випромінювання. На відміну від чорного тіла, біле тіло відображає все випромінювання, що потрапляє на нього, назад в атмосферу, тому влітку ми будемо почувати себе комфортніше, одягаючи білий одяг.

Термопара

Термопара - це простий пристрій, сконструйований із використанням двох провідників, виготовлених з різного матеріалу, як показано на малюнку.

Тут два дроти з'єднані, щоб утворити петлю з двома переходами, і ці переходи позначені як 'A' і 'B'. Тепер свічку підносять біля перехрестя "А", тоді як перехід "Б" залишають у спокої. Коли свічка присутня на місці з'єднання в точці "А", її температура значно підвищується, тоді як з'єднання "В" залишається холодним при кімнатній температурі. Через цю різницю температур у місцях з'єднання з'являється напруга (різниця потенціалів) відповідно до " ефекту Зеебека". Оскільки ланцюг замкнутий, через ланцюг протікає струм "I", як показано на малюнку, і для вимірювання цього струму ми підключимо амперметр послідовно. Важливо пам'ятати, що величина струму "I" в контурі прямо пропорційна різниці температуру місцях з’єднання, тому більші різниці температур призводять до більшої сили струму. Отже, отримавши показання амперметра, ми можемо розрахувати різницю температур у місцях з’єднання.

Тепер, коли висвітлено основи, давайте розглянемо конструкцію та роботу приладів для вимірювання сонячного випромінювання.

Робота та будівництво піреліометра

Піреліометр - це пристрій, що використовується для вимірювання випромінювання прямого пучка при нормальній падінні. Його зовнішня структура виглядає як довга трубка, що проектує зображення телескопа, і нам потрібно спрямувати лінзу на сонце, щоб виміряти сяйво. Тут ми дізнаємося принцип роботи піреліометра та його конструкцію.

Щоб зрозуміти основну структуру піреліометра, подивіться на схему, показану нижче.

Тут лінза спрямована до сонця, і випромінювання пройде крізь лінзу, трубку і в кінці потрапляє на чорний предмет, присутній внизу. Тепер, якщо ми перекроємо всю внутрішню структуру та схему простіше, це буде виглядати приблизно так, як показано нижче.

У схемі видно, що чорне тіло поглинає випромінювання, що падає від лінзи, і, як обговорювалося раніше, ідеальне чорне тіло повністю поглинає будь-яке випромінювання, що потрапляє на нього, тому випромінювання, що потрапляє в трубку, повністю поглинається чорним предметом. Як тільки випромінювання поглинається, атоми в тілі збуджуються через підвищення температури всього тіла. Це підвищення температури також відбуватиметься на переході термопари 'A'. Тепер із переходом «А» термопари при високій температурі та переходом «В» при низькій температурі в її контурі відбувається струм, як обговорюється в принципі роботи термопари. Цей струм у контурі також буде протікати через послідовно розміщений гальванометр і тим самим спричиняти відхилення в ньому. Цевідхилення пропорційне струму, який, у свою чергу, пропорційний різниці температур у місцях з'єднання.

Відхилення ∝ Струм у контурі ∝ Різниця температур у місцях з’єднання.

Зараз ми спробуємо за допомогою схеми звести нанівець це відхилення в гальванометрі. Повний процес скасування відхилення пояснюється покроково нижче.

Спочатку замкніть перемикач в ланцюзі для запуску поточного потоку.
Струм тече, як,

Акумулятор -> Вимикач -> Металевий провідник -> Амперметр -> Змінний резистор -> Акумулятор.

З цим струмом, що протікає через металевий провідник, його температура підвищується до певної міри.
Під час контакту з металевим провідником температура місця з'єднання "В" також підвищується. Це зменшує різницю температур між переходом "А" та переходом "В".
Через зменшення різниці температур струм струму в термопарі також зменшується.
Оскільки відхилення пропорційне струму, відхилення гальванометра також зменшується.
Підводячи підсумок, можна сказати - Відхилення в гальванометрі можна зменшити, регулюючи реостат для зміни сили струму в металевому провіднику.

Тепер продовжуйте регулювати реостат, поки відхилення гальванометра не стане повністю порожнім. Як тільки це станеться, ми зможемо отримати показники напруги та струму з лічильників і зробити простий розрахунок, щоб визначити тепло, поглинене чорним тілом. Це розраховане значення можна використовувати для визначення випромінювання, оскільки тепло, яке генерується чорним тілом, прямо пропорційне випромінюванню. Це значення випромінювання - це не що інше, як пряме сонячне випромінювання, яке ми бажаємо виміряти з самого початку. І на цьому ми можемо зробити висновок про роботу піреліометра.

Робота та будівництво піранометра

Піранометр - це пристрій, який можна використовувати для вимірювання як променевого випромінювання, так і дифузного випромінювання. Іншими словами, він використовується для вимірювання загального напівсферичного випромінювання (промінь плюс розсіяне на горизонтальній поверхні). Тут ми дізнаємося про принцип роботи піранометра та його конструкцію.

Пристрій виглядає як блюдо НЛО, яке найкраще підходить для свого призначення. Цей пристрій є більш популярним, ніж інші, і більшість даних про сонячні ресурси сьогодні вимірюються за його допомогою. Ви можете побачити оригінальне зображення та внутрішню будову піранометра нижче.

Тут випромінювання з навколишньої атмосфери проходить через скляний купол і падає на чорне тіло, розташоване в центрі приладу. Як і раніше, температура тіла підвищується після поглинання всього випромінювання, і це підвищення також буде відчуватися ланцюгом термопари або модулем термопари, що знаходиться безпосередньо під чорним тілом. Тож одна сторона модуля буде гарячою, а інша - холодною через радіатора. Модуль термопари генерує напругу, і це видно на вихідних клемах. Ця напруга, що надходить на вихідні клеми, прямо пропорційна різниці температур за принципом термопари.

Оскільки ми знаємо, що різниця температур пов'язана з випромінюванням, поглиненим чорним тілом, ми можемо сказати, що вихідна напруга лінійно пропорційна випромінюванню.

Подібно до попереднього розрахунку, значення сумарного випромінювання можна легко отримати з цього значення напруги. Також, використовуючи тінь і дотримуючись тієї ж процедури, ми також можемо отримати дифузне випромінювання. При загальній величині випромінювання та дифузного випромінювання також можна розрахувати значення випромінювання пучка. Отже, ми можемо розрахувати як дифузне сонячне випромінювання, так і загальне випромінювання за допомогою піранометра.