Мы все знаем, что жизнь на Земле поддерживается благодаря солнцу, поскольку оно обеспечивает достаточное количество тепловой энергии, чтобы поддерживать тепло на Земле. Эта энергия поставляется солнцем в форме электромагнитного излучения, которое обычно называется солнечным излучением. Часть излучения полезна для людей, а другая часть излучения вредна для всего живого.

Чтобы достичь поверхности Земли, солнечное излучение должно пройти через атмосферу, где оно поглощается, рассеивается, отражается и передается, что приводит к снижению плотности потока энергии. Это снижение очень существенно, поскольку в солнечный день потери составляют более 30%, а в пасмурный день они достигают 90%. Таким образом, максимальное излучение, достигающее поверхности Земли через атмосферу, никогда не превысит 80%.

Измерение солнечного потока очень важно, поскольку он является основой жизни на Земле и используется при создании множества продуктов, связанных с электроникой, сельскохозяйственными культурами, лекарствами, косметикой и т. д. В этом уроке мы узнаем о солнечной радиации и методах ее измерения, а также познакомимся с двумя наиболее популярными приборами для измерения солнечной энергии — пиргелиометром и пиранометром.

Лучевое излучение и диффузное излучение

Излучение, которое мы воспринимаем на поверхности, является как прямым излучением, так и косвенным излучением солнца. Излучение, которое исходит непосредственно от солнца, является прямым излучением и называется лучевым излучением . Рассеянное и отраженное излучение, которое посылается на поверхность земли со всех направлений (отражается от молекул, частиц, тел животных и т. д.), является косвенным излучением и называется диффузным (рассеянным) излучением. А сумма обоих, лучевого и диффузного излучения, определяется как глобальное излучение или полное излучение.

Важно различать лучевое излучение и диффузное излучение, поскольку лучевое излучение может быть сконцентрировано, а диффузное излучение — нет. Существует множество приборов для измерения солнечного излучения, которые используются для измерения лучевого излучения и диффузного излучения.

Теперь давайте посмотрим на спектр электромагнитного излучения на диаграмме ниже.

Во всем спектре мы рассматриваем только длины волн от УФ-лучей до ИК-лучей для расчета солнечного потока, поскольку большинство высокочастотных волн от солнца не достигают поверхности, а низкочастотное излучение после ИК-лучей ненадежно. Поэтому солнечное излучение или поток обычно измеряется от УФ-лучей до ИК-лучей, и приборы также спроектированы таким образом.

Приборы для измерения солнечной радиации бывают двух типов:

1. Пиргелиометр
2. Пиранометр

Прежде чем приступить к работе этих инструментов, вам необходимо понять несколько концепций, которые используются при проектировании устройств. Итак, теперь давайте рассмотрим эти концепции.

Излучение черного тела

Черное тело обычно поглощает все излучения, ничего не испуская обратно в атмосферу, и чем чище черное тело, тем совершеннее поглощение. Дело в том, что до сих пор не существовало идеального черного тела, поэтому мы обычно довольствуемся неидеальным черным телом. После того, как черное тело поглощает излучение, оно нагревается, поскольку само излучение является энергией, и после поглощения атомы в теле выходят из состояния возбуждения. Это черное тело используется в качестве основного компонента в приборах для измерения солнечного излучения . В отличие от черного тела, белое тело отражает все падающее на него излучение обратно в атмосферу, поэтому летом нам будет комфортнее носить белую одежду.

Термопара

Термопара представляет собой простое устройство, состоящее из двух проводников, изготовленных из разных материалов, как показано на рисунке.

Здесь два провода соединены, образуя петлю с двумя переходами, и эти переходы обозначены как «A» и «B». Теперь свеча подносится к переходу «A», в то время как переход «B» остается в покое. При наличии свечи в переходе «A» его температура значительно повышается, в то время как переход B остается холодным при комнатной температуре. Из-за этой разницы температур на переходах возникает напряжение (разность потенциалов) в соответствии с эффектом Зеебека. Поскольку цепь замкнута, ток «I» протекает через цепь, как показано на рисунке, и для измерения этого тока мы подключим амперметр последовательно. Важно помнить, что величина тока «I» в петле прямо пропорциональна разнице температур в переходах, поэтому более высокая разница температур приводит к более высокой величине тока. Таким образом, получив показания амперметра, мы можем вычислить разность температур в переходах.

Теперь, после изучения основ, давайте рассмотрим конструкцию и работу приборов для измерения солнечной радиации.

Работа и конструкция пиргелиометра

Пиргелиометр — это прибор, используемый для измерения прямого пучкового излучения при нормальном падении. Его внешняя структура выглядит как длинная трубка, проецирующая изображение телескопа, и мы должны направить линзу на солнце, чтобы измерить яркость. Здесь мы изучим принцип работы пиргелиометра и его конструкцию.

Чтобы понять базовую конструкцию пиргелиометра, посмотрите на схему, представленную ниже.

Здесь линза направлена ​​на солнце, и излучение будет проходить через линзу, трубку и в конце падать на черный объект, присутствующий внизу. Теперь, если мы перерисуем всю внутреннюю структуру и схему более простым способом, то это будет выглядеть примерно так, как показано ниже.

В схеме можно увидеть, что черное тело поглощает излучение, падающее с линзы, и, как обсуждалось ранее, абсолютно черное тело полностью поглощает любое падающее на него излучение, поэтому излучение, падающее в трубку, полностью поглощается черным объектом. Как только излучение поглощается, атомы в теле возбуждаются из-за повышения температуры всего тела. Это повышение температуры также будет ощущаться спаем термопары «A». Теперь, когда спай «A» термопары находится при высокой температуре, а спай «B» при низкой температуре, в ее петле происходит ток, как обсуждалось в принципе работы термопары. Этот ток в петле также будет протекать через гальванометр, который включен последовательно, и тем самым вызывать в нем отклонение. Это отклонение пропорционально току, который, в свою очередь, пропорционален разнице температур на спаях.

Теперь попробуем с помощью схемы свести на нет это отклонение в гальванометре. Полный процесс сведения к нулю отклонения объясняется пошагово ниже.

• Сначала замкните выключатель в цепи, чтобы начать подачу тока.
• Ток течет как,

Батарея -> Переключатель -> Металлический проводник -> Амперметр -> Переменный резистор -> Батарея.

• При протекании тока через металлический проводник его температура повышается до определенной степени.
• При контакте с металлическим проводником температура спая «B» также повышается. Это уменьшает разницу температур между спаем «A» и спаем «B».
• Из-за уменьшения разницы температур уменьшается и ток в термопаре.
• Поскольку отклонение пропорционально току, отклонение гальванометра также уменьшается.
• Подводя итог, можно сказать: отклонение в гальванометре можно уменьшить, отрегулировав реостат для изменения тока в металлическом проводнике.

Теперь продолжайте регулировать реостат до тех пор, пока отклонение гальванометра не станет полностью нулевым. Как только это произойдет, мы можем получить показания напряжения и тока от счетчиков и сделать простой расчет, чтобы определить тепло, поглощенное черным телом. Это расчетное значение может быть использовано для определения излучения, поскольку тепло, выделяемое черным телом, прямо пропорционально излучению. Это значение излучения есть не что иное, как прямое солнечное излучение, которое мы хотим измерить с самого начала. И на этом мы можем завершить работу пиргелиометра.  

Работа и конструкция пиранометра

Пиранометр — это прибор, который может использоваться для измерения как лучевого, так и диффузного излучения. Другими словами, он используется для измерения полного полусферического излучения (лучевого плюс диффузного на горизонтальной поверхности). Здесь мы узнаем о принципе работы пиранометра и его конструкции.

Устройство выглядит как тарелка НЛО, которая является лучшей формой, подходящей для его цели. Это устройство более популярно, чем другие, и большинство данных о солнечных ресурсах в настоящее время измеряется с его помощью. Вы можете увидеть оригинальное изображение и внутреннюю структуру пиранометра ниже.

Здесь излучение из окружающей атмосферы проходит через стеклянный купол и падает на черное тело, расположенное в центре прибора. Как и прежде, температура тела повышается после поглощения всего излучения, и это повышение также будет ощущаться цепочкой термопар или модулем термопары, находящимися непосредственно под черным телом. Таким образом, одна сторона модуля будет горячей, а другая холодной из-за теплоотвода. Модуль термопары генерирует напряжение, и это можно увидеть на выходных клеммах. Это напряжение, полученное на выходных клеммах, прямо пропорционально разнице температур в соответствии с принципом термопары.

Поскольку мы знаем, что разница температур связана с излучением, поглощаемым черным телом, мы можем сказать, что выходное напряжение линейно пропорционально излучению.

Подобно предыдущему расчету, значение полного излучения можно легко получить из этого значения напряжения. Также, используя тень и следуя той же процедуре, мы можем также измерить диффузное излучение. С помощью значения полного излучения и диффузного излучения можно также рассчитать значение лучевого излучения. Следовательно, мы можем рассчитать как диффузное солнечное излучение, так и полное излучение с помощью пиранометра.

27 просмотров