Методе мерења сунчевог зрачења помоћу пирелиометра и пиранометра

Сви знамо да се живот на земљи одржава због сунца јер пружа довољно топлотне енергије да земља остане топла. Ову енергију сунце испоручује у облику електромагнетног зрачења које се обично назива сунчевим зрачењем. Део зрачења је користан за људе, док је други зрачење штетан за цео живот.

Да би досегао сунчево зрачење до земљине површине, мора проћи кроз атмосферу где се апсорбује, расипа, одбија и преноси, што резултира смањењем густине енергетског тока. Ово смањење је врло значајно, јер се више од 30% губитака догоди сунчаног дана, а облачног дана достигне чак 90%. Дакле, максимално зрачење које доспева на Земљину површину кроз атмосферу никада неће бити веће од 80%.

Соларни ток је веома важно измерити, јер је он основа живота на земљи и користи се за изградњу многих производа, било да се односи на електронику, усеве, лекове, козметику итд. У овом упутству ћемо научити о сунчевом зрачењу и његовом мерења и такође ће научити о два најпопуларнија инструмента за мерење соларне енергије - пирелиометру и пиранометру.

Зрачење зрака и дифузно зрачење

Зрачење које опажамо на површини је и директно и индиректно зрачење сунца. Зрачење које долази директно од сунца је директно зрачење и назива се зрачење зрака. Расејано и одбијено зрачење које се шаље на површину земље из свих праваца (одбијено од молекула, честица, тела животиња итд.) Је индиректно зрачење и назива се дифузним зрачењем. А збир оба, снопа и дифузног зрачења, дефинише се као глобално зрачење или укупно зрачење.

Важно је разликовати зрачење зрака од дифузног зрачења, јер зрачење зрака може бити концентрисано, док дифузно зрачење не може. Постоји много инструмената за мерење сунчевог зрачења који се користе за мерење зрачења зрака и дифузног зрачења.

Сада ћемо погледати спектар електромагнетног зрачења на доњем дијаграму.

У читавом спектру, за израчунавање сунчевог флукса узимамо у обзир само таласне дужине од УВ зрака до ИР зрака, јер већина високофреквентних таласа сунца не долази до површине, а нискофреквентно зрачење након ИР-а није поуздано. Дакле, сунчево зрачење или флукс се обично мере од УВ зрака до ИР зрака, а инструменти су такође дизајнирани тако.

Инструменти за мерење сунчевог зрачења су две врсте:

Пиреолиометер
Пиранометар

Пре него што почнете да радите на овим инструментима, морате да разумете неколико концепата који се користе приликом дизајнирања уређаја. Па хајде сада да погледамо те концепте.

Зрачење црног тела

Црно тело обично апсорбује сва зрачења не емитујући ништа назад у атмосферу и чистије црно тело усавршава апсорпцију. Чињеница је да до сада није било савршеног црног тела, па се обично задовољимо другим најбољим. Након што црно тело упије зрачење, оно се загрева, јер је само зрачење енергија, а након апсорпције, атоми у телу излазе. Ово црно тело користи се као основна компонента у инструментима за мерење сунчевог зрачења. Насупрот црном телу, бело тело одбија све зрачење које пада на њега, у атмосферу, због чега ћемо се осећати пријатније носећи белу одећу током лета.

Термоелемент

Термоелемент је једноставан уређај направљен од два проводника израђена од различитог материјала како је приказано на слици.

Овде су две жице повезане да чине петљу са два споја и ти спојеви су означени као „А“ и „Б“. Сада је свећа донета у близини чвора 'А', док је спој 'Б' остављен сам. Како је свећа присутна на споју на 'А', температура јој знатно расте, док на споју Б остаје хладна на собној температури. Због ове температурне разлике, на спојевима се појављује напон (разлика потенцијала) према „ Сеебецк ефекту“. Будући да је круг затворен, струја „И“ протиче кроз коло као што је приказано на слици, а за мерење ове струје серијски ћемо повезати амперметар. Важно је запамтити да је величина струје „И“ у петљи директно пропорционална температурној разлицина спојевима, па веће температурне разлике резултирају већом јачином струје. Тако добивањем очитања амперметра можемо израчунати температурну разлику на спојевима.

Сада, након што су обрађене основе, погледајмо конструкцију и рад инструмената за мерење сунчевог зрачења.

Пирелиометар Рад и изградња

Пирелиометар је уређај који се користи за мерење зрачења директног зрака при нормалној учесталости. Његова спољна структура изгледа као дугачка цев која пројицира слику телескопа и морамо да усмеримо сочиво ка сунцу да бисмо измерили зрачење. Овде ћемо научити принцип рада пирелиометра и његову конструкцију.

Да бисте разумели основну структуру пирелиометра, погледајте доњи дијаграм.

Овде је сочиво усмерено ка сунцу и зрачење ће проћи кроз сочиво, цев и на крају падне на црни предмет присутан на дну. Сада, ако прецртамо целокупну унутрашњу структуру и склоп на једноставнији начин, то ће изгледати отприлике доле.

У кругу се може видети да црно тело апсорбује зрачење које пада са сочива и као што смо раније говорили, савршено црно тело у потпуности апсорбује све зраке који падну на њега, тако да зрачење које пада у цев апсорбује црни предмет у потпуности. Једном када се зрачење апсорбује, атоми у телу се побуђују због растуће температуре целог тела. Овај пораст температуре ће такође доживети спој термоелемента „А“. Сада са спојем „А“ термоелемента на високој температури и спојем „Б“ на ниској температури, у његовој петљи се одвија струјни ток, како је објашњено у принципу рада термоелемента. Ова струја у петљи такође ће тећи кроз галванометар који је у серији и тиме узроковати одступање у њему. Овоодступање је пропорционално струји, која је заузврат пропорционална температурној разлици на спојевима.

Одступање ∝ Струја у петљи ∝ Разлика температуре на спојевима.

Сада ћемо покушати да поништимо ово одступање у галванометру уз помоћ кола. Комплетан поступак поништавања одступања објашњен је у кораку по кораку у наставку.

Прво затворите прекидач у колу за покретање струјног тока.
Струја тече као,

Батерија -> Прекидач -> Метални водич -> Амперметар -> Променљиви отпорник -> Батерија.

Са овом струјом која протиче кроз метални проводник, температура јој расте до одређеног степена.
У контакту са металним проводником, температура споја 'Б' такође расте. Ово смањује температурну разлику између споја 'А' и споја 'Б'.
Због смањења температурне разлике смањује се и проток струје у термоелементу.
Пошто је одступање пропорционално струји, одступање галванометра такође се смањује.
Укратко, можемо рећи - Одступање у галванометру може се смањити подешавањем реостата за промену струје у металном проводнику.

Сада наставите да подешавате реостат све док одступање галванометра не постане потпуно празно. Једном када се то догоди, можемо да добијемо очитавања напона и струје са бројила и направимо једноставан прорачун да одредимо топлоту коју апсорбује црно тело. Ова израчуната вредност може се користити за одређивање зрачења, јер је топлота коју ствара црно тело директно пропорционална зрачењу. Ова вредност зрачења није ништа друго него сунчево зрачење директног зрака које желимо да меримо од почетка. И овим можемо закључити рад пирелиометра.

Рад и изградња пиранометра

Пиранометар је уређај који се може користити за мерење и зрачења зрака и дифузног зрачења. Другим речима, користи се за мерење укупног хемисферног зрачења (сноп плус дифузно на хоризонталној површини). Овде ћемо научити о принципу рада пиранометра и његовој конструкцији.

Уређај изгледа као НЛО тањир који је најприкладнији облик за своју намену. Овај уређај је популарнији од осталих и већина података о соларним ресурсима данас се мери помоћу њега. Оригиналну слику и унутрашњу структуру пиранометра можете видети испод.

Овде зрачење из околне атмосфере пролази кроз стаклену куполу и пада на црно тело које се налази у центру инструмента. Као и раније, температура тела расте након упијања свег зрачења, а овај пораст ће такође доживети ланац термоелемента или модул термоелемента присутан директно испод црног тела. Тако ће једна страна модула бити врућа, а друга хладна због хладњака. Модул термоелемента генерише напон и то се може видети на излазним стезаљкама. Овај напон примљен на излазним стезаљкама је директно пропорционалан температурној разлици према принципу термоелемента.

Пошто знамо да је разлика у температури повезана са зрачењем које апсорбује црно тело, можемо рећи да је излазни напон линеарно пропорционалан зрачењу.

Слично претходном прорачуну, вредност укупног зрачења се лако може добити из ове вредности напона. Такође користећи сенку и пратећи исти поступак, такође можемо добити дифузно зрачење. Са укупном вредношћу зрачења и дифузним зрачењем може се израчунати и вредност зрачења зрака. Отуда можемо израчунати и дифузно сунчево зрачење и укупно зрачење помоћу пиранометра.