Aurinkosäteilyn mittausmenetelmät pyrheliometriä ja pyranometriä käyttäen

Me kaikki tiedämme, että elämää ylläpidetään maan päällä auringon takia, koska se tarjoaa riittävästi lämpöenergiaa pitämään maan lämpimänä. Aurinko toimittaa tämän energian sähkömagneettisen säteilyn muodossa, jota yleensä kutsutaan aurinkosäteilyksi. Osa säteilystä on hyödyllistä ihmiselle, kun taas toinen säteily on haitallista koko elämälle.

Saavuttaakseen aurinkosäteilyn maan pinnalle sen on kuljettava ilmakehän läpi, jossa se imeytyy, sirontaa, heijastuu ja siirtyy, mikä johtaa energian vuon tiheyden vähenemiseen. Tämä vähennys on erittäin merkittävä, koska yli 30% menetys tapahtuu aurinkoisena päivänä ja pilvisenä päivänä se ylittää 90%. Joten enimmäissäteily, joka saavuttaa maan pinnan ilmakehän kautta, ei koskaan ylitä 80%.

Aurinkovirta on erittäin tärkeä mitata, koska se on maan elämän perusta ja sitä käytetään monien tuotteiden rakentamiseen riippumatta siitä, liittyykö se elektroniikkaan, viljelykasveihin, lääkkeisiin, kosmetiikkaan jne. Tässä opetusohjelmassa opitaan auringon säteilystä ja sen mittaus ja oppii myös kahdesta suosituimmasta aurinkoenergian mittauslaitteesta - Pyrheliometer ja Pyranometer.

Säteily- ja hajasäteily

Säteily, jonka havaitsemme pinnalla, on sekä suoraa että epäsuoraa auringon säteilyä. Suoraan auringosta tuleva säteily on suoraa säteilyä ja sitä kutsutaan säteilyksi. Hajotettu ja heijastunut säteily, joka lähetetään maan pinnalle mistä tahansa suunnasta (heijastuu molekyyleistä, hiukkasista, eläinkehoista jne.), On epäsuoraa säteilyä ja sitä kutsutaan diffuussäteilyksi. Sekä säteen että hajasäteilyn summa määritellään globaaliksi säteilyksi tai kokonaissäteilyksi.

Säteilyn ja hajasäteilyn välillä on tärkeää tehdä ero, koska säteen säteily voidaan keskittää, kun taas hajasäteily ei. On olemassa monia aurinkosäteilyn mittauslaitteita, joita käytetään säteilyn ja hajasäteilyn mittaamiseen.

Katsokaamme nyt alla olevan kaavion sähkömagneettisen säteilyn spektriä.

Koko spektrissä otetaan huomioon vain aallonpituudet UV-säteistä IR-säteisiin laskeaksesi aurinkovirran, koska suurin osa auringon korkean taajuuden aalloista ei saavuta pintaa ja matalataajuinen IR-säteily ei ole luotettavaa. Joten auringon säteily tai virtaus mitataan yleensä UV-säteistä IR-säteisiin ja instrumentit on myös suunniteltu siten.

Aurinkosäteilyn mittauslaitteet ovat kahdenlaisia:

Pyrheliometer
Pyranometri

Ennen kuin aloitat näiden instrumenttien käytön, sinun on ymmärrettävä muutama käsite, joita käytetään laitteiden suunnittelussa. Joten nyt tutkitaan näitä käsitteitä.

Mustan kehon säteily

Musta runko absorboi yleensä kaikki säteilyt päästämättä mitään takaisin ilmakehään ja puhdistaa mustan rungon täydellisemmän imeytymisen. Tosiasia on, että täydellistä mustaa runkoa ei ole toistaiseksi, joten yleensä tyydymme toiseksi parhaaseen. Kun musta runko absorboi säteilyn, se lämpenee, koska säteily itsessään on energiaa ja absorboinnin jälkeen kehon atomit pääsevät ulos. Tätä mustaa runkoa käytetään ydinkomponenttina auringon säteilyn mittauslaitteissa. Mustaa runkoa vastapäätä valkoinen runko heijastaa kaiken siihen kohdistuvan säteilyn takaisin ilmakehään, minkä vuoksi tunnemme olomme mukavammiksi yllämme valkoiset vaatteet kesällä.

Termoelementti

Termoelementti on yksinkertainen laite, joka on rakennettu kahdella eri materiaalista valmistetulla johtimella kuvan osoittamalla tavalla.

Tässä kaksi johtoa on kytketty muodostamaan silmukka, jossa on kaksi risteystä, ja nämä risteykset on merkitty nimellä 'A' ja 'B'. Nyt kynttilä tuodaan risteyksen A lähelle, kun taas risteys B jää yksin. Kun kynttilä on risteyksessä kohdassa A, sen lämpötila nousee huomattavasti, kun risteys B pysyy kylmänä huoneenlämmössä. Tämän lämpötilaeron vuoksi risteyksissä ilmestyy jännite (potentiaaliero) Seebeck-vaikutuksen mukaan. Koska piiri on suljettu, virta 'I' virtaa piirin läpi kuvan osoittamalla tavalla ja tämän virran mittaamiseksi yhdistämme ampeerimittarin sarjaan. On tärkeää muistaa, että virran I-arvo silmukassa on suoraan verrannollinen lämpötilaeroonristeyksissä, joten suuremmat lämpötilaerot johtavat suurempaan virtaan. Joten saamalla ampeerimittarin lukema voimme laskea lämpötilaeron risteyksissä.

Nyt kun perusasiat on käsitelty, tarkastellaan auringon säteilyn mittauslaitteiden rakennetta ja toimintaa.

Pyrheliometer työskentely ja rakentaminen

Pyrheliometer on laite, jota käytetään mittaamaan suoraa säteilyä normaalilla esiintyvyydellä. Sen ulkorakenne näyttää pitkältä putkelta, joka heijastaa teleskoopin kuvaa, ja meidän on osoitettava linssi aurinkoon säteen mittaamiseksi. Tässä opitaan pyrheliometrin toimintaperiaate ja sen rakenne.

Katso alla oleva kaavio ymmärtääksesi pyrheliometrin perusrakenteen.

Täällä linssi osoittaa kohti aurinkoa ja säteily kulkee linssin, putken läpi ja lopulta putoaa pohjassa olevaan mustaan esineeseen. Nyt, jos piirrämme koko sisäisen rakenteen ja piirin yksinkertaisemmalla tavalla, se näyttää jotain alla olevalta.

Piirissä voidaan nähdä, että musta runko absorboi linssistä putoavan säteilyn, ja kuten aiemmin keskusteltiin, täydellinen musta runko absorboi kokonaan kaikki siihen putoavat säteilyt, joten putkeen putoava säteily imeytyy kokonaan mustaan esineeseen. Kun säteily imeytyy, kehon atomit innostuvat koko kehon lämpötilan nousun takia. Tämän lämpötilan nousun kokee myös termoelementtiliitos A. Nyt liittymä 'A' termopari korkeassa lämpötilassa ja liittymä 'B' alhaisessa lämpötilassa, virran virtaus tapahtuu sen silmukan kuten edellä toimintaperiaate termopari. Tämä silmukan virta kulkee myös sarjana olevan galvanometrin läpi ja aiheuttaa siten poikkeaman siinä. Tämäpoikkeama on verrannollinen virtaan, mikä puolestaan on verrannollinen lämpötilaeroon risteyksissä.

Poikkeama ∝ Silmukan virta ∝ Lämpötilaero risteyksissä.

Nyt yritämme mitätöidä tämän poikkeaman galvanometrissä piirin avulla. Koko prosessi poikkeaman nollaamiseksi selitetään vaihe vaiheelta alla.

Sulje ensin virtapiirin kytkin virran käynnistämiseksi.
Virta kulkee kuten

Akku -> kytkin -> metallijohdin -> ampeerimittari -> vaihteleva vastus -> akku.

Kun tämä virta kulkee metallijohtimen läpi, sen lämpötila nousee tietyssä määrin.
Yhteyden ollessa metallijohtimen kanssa liitoksen B lämpötila nousee. Tämä vähentää risteyksen 'A' ja risteyksen 'B' lämpötilaeroa.
Lämpötilaeron pienenemisen vuoksi myös virtavirta lämpöparissa pienenee.
Koska poikkeama on verrannollinen virtaan, myös galvanometrin poikkeama pienenee.
Yhteenvetona voimme sanoa- Galvanometrin poikkeamaa voidaan vähentää säätämällä reostaattia muuttamaan metallijohtimen virtaa.

Säädä nyt reostaattia, kunnes galvanometrin poikkeama häviää kokonaan. Kun tämä tapahtuu, voimme saada jännitteen ja virran lukemat mittareista ja tehdä yksinkertaisen laskennan mustan rungon absorboiman lämmön määrittämiseksi. Tätä laskettua arvoa voidaan käyttää säteilyn määrittämiseen, koska mustan rungon tuottama lämpö on suoraan verrannollinen säteilyyn. Tämä säteilyarvo on kukaan muu kuin suora aurinkosäteily, joka meidän on tarkoitus mitata alusta alkaen. Ja tämän avulla voimme päättää pyrheliometrin toiminnan.

Pyranometrin työ ja rakentaminen

Pyranometri on laite, jota voidaan käyttää sekä säteen että hajasäteilyn mittaamiseen. Toisin sanoen sitä käytetään mittaamaan puolipallon kokonaissäteily (säde ja diffuusio vaakasuoralla pinnalla). Täällä opitaan Pyranometrin toimintaperiaatteesta ja sen rakenteesta.

Laite näyttää kuin UFO-lautanen, joka on tarkoitukseensa parhaiten sopiva muoto. Tämä laite on muita suositumpi ja suurin osa aurinkoresurssitiedoista mitataan nykyään sen avulla. Alla näet alkuperäisen kuvan ja pyranometrin sisäisen rakenteen.

Täällä ympäröivän ilmakehän säteily kulkee lasikupolin läpi ja putoaa laitteen keskellä olevalle mustalle rungolle. Kuten aikaisemmin, kehon lämpötila nousee absorboituneen kaiken säteilyn, ja tämän nousun kokee myös suoraan mustan rungon alla oleva termopariketju tai lämpöparimoduuli. Joten moduulin toinen puoli on kuuma ja toinen kylmä jäähdytyselementin takia. Lämpöparimoduuli tuottaa jännitteen ja tämä näkyy lähtöliittimissä. Tämä lähtöliittimiin vastaanotettu jännite on suoraan verrannollinen lämpötilaeroon termoparin periaatteen mukaisesti.

Koska tiedämme, että lämpötilaero liittyy mustan rungon absorboimaan säteilyyn, voimme sanoa, että lähtöjännite on lineaarisesti verrannollinen säteilyyn.

Kuten edellisessä laskelmassa, kokonaisjännitteen arvo voidaan helposti saada tästä jännite-arvosta. Myös varjossa ja samaa menettelyä noudattaen voimme myös saada diffuusin säteilyn. Kokonais- ja hajasäteilyn arvolla voidaan myös laskea säteen säteilyarvo. Siksi voimme laskea sekä diffuusin auringon säteilyn että kokonaissäteilyn Pyranometrillä.