Metody měření slunečního záření pomocí pyrheliometru a pyranometru

Všichni víme, že na Zemi je udržován život díky slunci, protože poskytuje dostatek tepelné energie k udržení Země v teple. Tato energie je dodávána sluncem ve formě elektromagnetického záření, které se obvykle nazývá sluneční záření. Část záření je prospěšná pro člověka, zatímco jiné záření je škodlivé pro celý život.

K dosažení slunečního záření na zemský povrch musí projít atmosférou, kde se absorbuje, rozptýlí, odráží a přenáší, což má za následek snížení hustoty energetického toku. Toto snížení je velmi významné, protože ke ztrátě více než 30% dochází za slunečného dne a za oblačného dne dosahuje až 90%. Takže maximální záření, které se dostane na zemský povrch atmosférou, nikdy nebude vyšší než 80%.

Měření slunečního toku je velmi důležité, protože je základem života na Zemi a používá se při stavbě mnoha produktů, ať už jde o elektroniku, plodiny, léky, kosmetiku atd. V tomto tutoriálu se dozvíme o slunečním záření a jeho měření a dozvíte se také o dvou nejoblíbenějších nástrojích pro měření sluneční energie - Pyrheliometru a Pyranometru.

Paprskové záření a difúzní záření

Záření, které vnímáme na povrchu, je přímé záření i nepřímé záření slunce. Záření, které přichází přímo ze slunce, je přímé záření a nazývá se paprskové záření. Rozptýlené a odražené záření, které je vysíláno na zemský povrch ze všech směrů (odráží se od molekul, částic, těl zvířat atd.), Je nepřímé záření a nazývá se rozptýlené záření. Součet paprskového a difuzního záření je definován jako globální záření nebo celkové záření.

Je důležité rozlišovat mezi paprskovým zářením a rozptýleným zářením, protože paprskové záření může být koncentrováno, zatímco difuzní záření nikoli. Existuje mnoho přístrojů na měření slunečního záření, které se používají k měření paprskového a difuzního záření.

Nyní se podívejme na spektrum elektromagnetického záření v níže uvedeném diagramu.

V celém spektru uvažujeme pro výpočet slunečního toku pouze vlnové délky od UV paprsků po IR paprsky, protože většina vysokofrekvenčních vln ze slunce nedosáhne povrchu a nízkofrekvenční záření po IR není spolehlivé. Takže sluneční záření nebo tok se obvykle měří od UV paprsků k IR paprskům a nástroje jsou také navrženy tak.

Přístroje na měření slunečního záření jsou dvou typů:

Pyrheliometr
Pyranometr

Než začnete pracovat na těchto nástrojích, musíte pochopit několik konceptů, které se používají při navrhování zařízení. Pojďme se tedy podívat na tyto koncepty.

Radiace černého těla

Černé těleso obvykle absorbuje veškeré záření, aniž by cokoli emitovalo zpět do atmosféry, a čistí černé těleso dokonalejší absorpcí. Faktem je, že dosud není k dispozici žádné dokonalé černé tělo, takže jsme se obvykle spokojili s druhým nejlepším. Poté, co černé tělo absorbuje záření, zahřeje se, protože samotné záření je energie a po absorpci se atomy v těle dostanou ven. Toto černé těleso se používá jako základní součást přístrojů pro měření slunečního záření. Oproti černému tělu bílé tělo odráží veškeré záření, které na něj dopadá, zpět do atmosféry, a proto se v létě budeme cítit pohodlněji v bílém oblečení.

Termočlánek

Termočlánek je jednoduché zařízení konstruované pomocí dvou vodičů z jiného materiálu, jak je znázorněno na obrázku.

Zde jsou dva vodiče spojeny do smyčky se dvěma spoji a tyto spojky jsou označeny jako „A“ a „B“. Nyní je poblíž křižovatky „A“ přivedena svíčka, zatímco křižovatka „B“ zůstane sama. Když je svíčka přítomna na křižovatce „A“, její teplota značně stoupá, zatímco křižovatka B zůstává chladná při pokojové teplotě. Kvůli tomuto teplotnímu rozdílu se na křižovatkách objeví napětí (potenciální rozdíl) podle „ Seebeckova efektu“. Jelikož je obvod uzavřen, protéká obvodem proud „I“, jak je znázorněno na obrázku, a pro měření tohoto proudu zapojíme sériově ampérmetr. Je důležité si uvědomit, že velikost proudu „I“ ve smyčce je přímo úměrná teplotnímu rozdíluna křižovatkách, takže vyšší teplotní rozdíly mají za následek vyšší velikost proudu. Získáním odečtu ampérmetru tedy můžeme vypočítat teplotní rozdíl na křižovatkách.

Nyní, když jsou probrány základy, pojďme se podívat na konstrukci a práci přístrojů pro měření slunečního záření.

Práce a konstrukce pyrheliometru

Pyrheliometr je zařízení používané k měření přímého paprsku při normálním dopadu. Jeho vnější struktura vypadá jako dlouhá trubice promítající obraz dalekohledu a my musíme naměřit čočku na slunce, abychom změřili záření. Zde se naučíme princip fungování pyrheliometru a jeho konstrukce.

Chcete-li porozumět základní struktuře pyrheliometru, podívejte se na níže uvedený diagram.

Zde je čočka namířena na slunce a záření projde čočkou, trubicí a na konci dopadne na černý předmět přítomný ve spodní části. Nyní, když překreslíme celou vnitřní strukturu a obvod jednodušším způsobem, bude to vypadat jako níže.

V obvodu je vidět, že černé těleso absorbuje záření padající z čočky a jak již bylo řečeno, dokonalé černé těleso zcela absorbuje jakékoli dopadající záření, takže záření dopadající do trubice je zcela absorbováno černým předmětem. Jakmile se záření absorbuje, atomy v těle se vzrušují kvůli zvyšující se teplotě celého těla. Toto zvýšení teploty také zaznamená spojení termočlánku „A“. Nyní se spojkou „A“ termočlánku při vysoké teplotě a spojkou „B“ při nízké teplotě probíhá tok proudu v jeho smyčce, jak je popsáno v pracovním principu termočlánku. Tento proud ve smyčce bude také protékat galvanometrem, který je zapojen do série, a způsobovat v něm odchylku. Tentoodchylka je úměrná proudu, což je úměrné teplotnímu rozdílu na křižovatkách.

Odchylka α proud ve smyčce alfa rozdílu teploty na křižovatkách.

Nyní se pokusíme zrušit tuto odchylku v galvanometru pomocí obvodu. Celý postup pro zrušení odchylky je vysvětlen krok za krokem níže.

Nejprve uzavřete spínač v obvodu pro spuštění toku proudu.
Proud teče jako,

Baterie -> Přepínač -> Kovový vodič -> Ampérmetr -> Variabilní rezistor -> Baterie.

S tímto proudem protékajícím kovovým vodičem jeho teplota do určité míry stoupá.
Při kontaktu s kovovým vodičem také stoupá teplota spojení „B“. Tím se sníží teplotní rozdíl mezi křižovatkou „A“ a křižovatkou „B“.
Kvůli snížení teplotního rozdílu se také snižuje tok proudu v termočlánku.
Protože odchylka je úměrná proudu, odchylka galvanometru také klesá.
Souhrnně můžeme říci - Odchylku v galvanometru lze snížit úpravou reostatu tak, aby se změnil proud v kovovém vodiči.

Nyní pokračujte v nastavování reostatu, dokud se odchylka galvanometru nestane zcela neplatnou. Jakmile k tomu dojde, můžeme z měřičů získat hodnoty napětí a proudu a provést jednoduchý výpočet k určení tepla absorbovaného černým tělesem. Tuto vypočítanou hodnotu lze použít k určení záření, protože teplo generované černým tělesem je přímo úměrné záření. Tato hodnota záření není nic jiného než přímé sluneční záření, které chceme měřit od začátku. A s tím můžeme uzavřít práci Pyrheliometru.

Práce a konstrukce pyranometru

Pyranometr je zařízení, které lze použít k měření paprskového i difuzního záření. Jinými slovy se používá k měření celkového hemisférického záření (paprsek plus difúzní na vodorovném povrchu). Zde se seznámíme s principem fungování pyranometru a jeho konstrukcí.

Zařízení vypadá jako UFO talíř, který je pro svůj účel nejlepší tvar. Toto zařízení je populárnější než ostatní a většina dat o solárních zdrojích se dnes měří pomocí něj. Níže vidíte původní obrázek a vnitřní strukturu pyranometru.

Zloženie: 100% bavlna.

Zde záření z okolní atmosféry prochází skleněnou kopulí a padá na černé tělo umístěné ve středu nástroje. Stejně jako dříve, teplota těla po absorpci veškerého záření stoupá a tento nárůst pocítí také řetězec termočlánku nebo modul termočlánku přítomný přímo pod černým tělem. Jedna strana modulu bude kvůli chladiči horká a druhá studená. Modul termočlánku generuje napětí a je to vidět na výstupních svorkách. Toto napětí přijímané na výstupní svorky je přímo úměrné teplotnímu rozdílu podle principu termočlánku.

Jelikož víme, že teplotní rozdíl souvisí se zářením absorbovaným černým tělesem, můžeme říci, že výstupní napětí je lineárně úměrné záření.

Podobně jako v předchozím výpočtu lze z této hodnoty napětí snadno získat hodnotu celkového záření. Rovněž použitím stínu a stejným postupem můžeme získat difuzní záření. S celkovou hodnotou záření a hodnotou difuzního záření lze vypočítat také hodnotu záření paprsku. Proto můžeme pomocí Pyranometru vypočítat jak difúzní sluneční záření, tak celkové záření.