Μέθοδοι μέτρησης ηλιακής ακτινοβολίας με χρήση πυρρολιομέτρου και πυρανομέτρου

Όλοι γνωρίζουμε ότι η ζωή διατηρείται στη γη λόγω του ήλιου καθώς παρέχει επαρκή θερμική ενέργεια για να διατηρήσει τη γη ζεστή. Αυτή η ενέργεια παραδίδεται από τον ήλιο με τη μορφή ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας που συνήθως ονομάζεται ηλιακή ακτινοβολία. Μερικές από τις ακτινοβολίες είναι ευεργετικές για τον άνθρωπο, ενώ μια άλλη ακτινοβολία είναι επιβλαβής για όλη τη ζωή.

Για να φτάσει η ηλιακή ακτινοβολία στην επιφάνεια της γης πρέπει να περάσει μέσα από την ατμόσφαιρα όπου απορροφάται, διασκορπίζεται, ανακλάται και μεταδίδεται με αποτέλεσμα τη μείωση της πυκνότητας ενεργειακής ροής. Αυτή η μείωση είναι πολύ σημαντική καθώς περισσότερο από 30% απώλεια συμβαίνει σε μια ηλιόλουστη ημέρα και σε μια συννεφιασμένη μέρα φτάνει το 90%. Έτσι, η μέγιστη ακτινοβολία που φτάνει στην επιφάνεια της γης μέσω της ατμόσφαιρας δεν θα είναι ποτέ υψηλότερη από το 80%.

Η ηλιακή ροή είναι πολύ σημαντική για τη μέτρηση, καθώς αποτελεί τη βάση της ζωής στη γη και χρησιμοποιείται για την κατασκευή πολλών προϊόντων, είτε σχετίζονται με ηλεκτρονικά είδη, καλλιέργειες, φάρμακα, καλλυντικά κ.λπ. Σε αυτό το σεμινάριο, θα μάθουμε για την ηλιακή ακτινοβολία και τη μέτρησης και θα μάθει επίσης για τα δύο πιο δημοφιλή όργανα μέτρησης ηλιακής ενέργειας - το Πυρρομέτρο και το Πυρανόμετρο.

Ακτινοβολία δέσμης και διάχυτη ακτινοβολία

Η ακτινοβολία που αντιλαμβανόμαστε στην επιφάνεια είναι τόσο άμεση όσο και έμμεση ακτινοβολία του ήλιου. Η ακτινοβολία που προέρχεται απευθείας από τον ήλιο είναι άμεση ακτινοβολία και ονομάζεται ακτινοβολία δέσμης. Η διάσπαρτη και ανακλώμενη ακτινοβολία που αποστέλλεται στην επιφάνεια της γης από όλες τις κατευθύνσεις (αντανακλάται από μόρια, σωματίδια, ζωικά σώματα κ.λπ.) είναι έμμεση ακτινοβολία και ονομάζεται διάχυτη ακτινοβολία. Και το άθροισμα και των δύο, η ακτίνα και η διάχυτη ακτινοβολία, ορίζονται ως παγκόσμια ακτινοβολία ή ολική ακτινοβολία.

Είναι σημαντικό να γίνει διάκριση μεταξύ της ακτινοβολίας δέσμης και της διάχυτης ακτινοβολίας επειδή η ακτινοβολία δέσμης μπορεί να συγκεντρωθεί ενώ η διάχυτη ακτινοβολία δεν μπορεί. Υπάρχουν πολλά όργανα μέτρησης ηλιακής ακτινοβολίας που χρησιμοποιούνται για τη μέτρηση της ακτινοβολίας δέσμης και της διάχυτης ακτινοβολίας.

Τώρα ας ρίξουμε μια ματιά στο φάσμα της ηλεκτρομαγνητικής ακτινοβολίας στο παρακάτω διάγραμμα.

Σε ολόκληρο το φάσμα, εξετάζουμε μόνο τα μήκη κύματος από τις ακτίνες UV έως τις ακτίνες IR για τον υπολογισμό της ηλιακής ροής, επειδή τα περισσότερα από τα κύματα υψηλής συχνότητας από τον ήλιο δεν φτάνουν στην επιφάνεια και η ακτινοβολία χαμηλής συχνότητας μετά την υπέρυθρη ακτινοβολία δεν είναι αξιόπιστη. Έτσι, η ηλιακή ακτινοβολία ή ροή συνήθως μετράται από τις ακτίνες UV έως τις ακτίνες IR και τα όργανα είναι επίσης σχεδιασμένα έτσι.

Τα όργανα μέτρησης ηλιακής ακτινοβολίας είναι δύο τύπων:

1. Πυρελιομέτρο
2. Πυρανόμετρο

Πριν ξεκινήσετε τη λειτουργία αυτών των οργάνων, πρέπει να κατανοήσετε μερικές έννοιες που χρησιμοποιούνται κατά το σχεδιασμό των συσκευών. Ας δούμε λοιπόν αυτές τις έννοιες.

Ακτινοβολία μαύρου σώματος

Ένα μαύρο σώμα απορροφά συνήθως όλες τις ακτινοβολίες χωρίς να εκπέμπει τίποτα πίσω στην ατμόσφαιρα και καθαρίζει το μαύρο σώμα πιο τέλεια την απορρόφηση. Το γεγονός είναι ότι δεν υπάρχει τέλειο μαύρο σώμα μέχρι τώρα, οπότε συνήθως καταλήγουμε στο δεύτερο καλύτερο. Αφού το μαύρο σώμα απορροφά την ακτινοβολία, θερμαίνεται αφού η ίδια η ακτινοβολία είναι ενέργεια και μετά την απορρόφηση, τα άτομα στο σώμα εξέρχονται. Αυτό το μαύρο σώμα χρησιμοποιείται ως βασικό συστατικό στα όργανα μέτρησης της ακτινοβολίας του ήλιου. Απέναντι από το μαύρο σώμα, ένα λευκό σώμα αντανακλά όλη την ακτινοβολία που πέφτει πάνω του στην ατμόσφαιρα και γι 'αυτό θα αισθανθούμε πιο άνετα φορώντας λευκά ρούχα κατά τη διάρκεια του καλοκαιριού.

Θερμοστοιχείο

Το θερμοστοιχείο είναι μια απλή συσκευή κατασκευασμένη με χρήση δύο αγωγών κατασκευασμένων από διαφορετικό υλικό όπως φαίνεται στο σχήμα.

Εδώ δύο καλώδια συνδέονται για να σχηματίσουν έναν βρόχο με δύο συνδέσμους και αυτές οι συνδέσεις χαρακτηρίζονται ως «Α» & «Β». Τώρα ένα κερί πλησιάζει στη διασταύρωση «Α» ενώ η διασταύρωση «Β» μένει μόνη. Με το κερί να υπάρχει διασταύρωση στο 'Α' η θερμοκρασία του αυξάνεται σημαντικά ενώ η διασταύρωση Β παραμένει κρύα σε θερμοκρασία δωματίου. Λόγω αυτής της διαφοράς θερμοκρασίας, εμφανίζεται μια τάση (διαφορά δυναμικού) στους κόμβους σύμφωνα με το « Seebeck effect». Δεδομένου ότι το κύκλωμα είναι κλειστό, ένα ρεύμα «I» ρέει μέσω του κυκλώματος όπως φαίνεται στο σχήμα και για τη μέτρηση αυτού του ρεύματος θα συνδέσουμε ένα αμπερόμετρο σε σειρά. Είναι σημαντικό να θυμόμαστε ότι το μέγεθος του ρεύματος «I» στο βρόχο είναι άμεσα ανάλογο με τη διαφορά θερμοκρασίαςστις διασταυρώσεις, τόσο υψηλότερες διαφορές θερμοκρασίας οδηγούν σε μεγαλύτερο μέγεθος του ρεύματος. Έτσι, με την ανάγνωση του αμπερόμετρου, μπορούμε να υπολογίσουμε τη διαφορά θερμοκρασίας στις διασταυρώσεις.

Τώρα αφού καλυφθούν τα βασικά, ας δούμε την κατασκευή και τη λειτουργία οργάνων μέτρησης ηλιακής ακτινοβολίας.

Εργασία και κατασκευή πυρρολιομέτρου

Το πυρρολιομέτρο είναι μια συσκευή που χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της άμεσης ακτινοβολίας δέσμης σε κανονική συχνότητα. Η εξωτερική του δομή μοιάζει με έναν μακρύ σωλήνα που προβάλλει την εικόνα ενός τηλεσκοπίου και πρέπει να στρέψουμε τον φακό στον ήλιο για να μετρήσουμε την ακτινοβολία. Εδώ θα μάθουμε την αρχή λειτουργίας του Πυρελιομέτρου και την κατασκευή του.

Για να κατανοήσετε τη βασική δομή του Πυρρολιομέτρου, δείτε το διάγραμμα που φαίνεται παρακάτω.

Εδώ ο φακός είναι στραμμένος προς τον ήλιο και η ακτινοβολία θα περάσει μέσω του φακού, του σωλήνα και στο τέλος πέφτει στο μαύρο αντικείμενο που υπάρχει στο κάτω μέρος. Τώρα αν σχεδιάσουμε ολόκληρη την εσωτερική δομή και το κύκλωμα με απλούστερο τρόπο, θα μοιάζει με παρακάτω.

Στο κύκλωμα, μπορεί να φανεί ότι το μαύρο σώμα απορροφά την ακτινοβολία που πέφτει από το φακό και, όπως συζητήθηκε προηγουμένως, ένα τέλειο μαύρο σώμα απορροφά εντελώς οποιαδήποτε ακτινοβολία πέφτει πάνω του, έτσι η ακτινοβολία που πέφτει στον σωλήνα απορροφάται πλήρως από το μαύρο αντικείμενο. Μόλις απορροφηθεί η ακτινοβολία τα άτομα στο σώμα ενθουσιαστούν λόγω της αυξανόμενης θερμοκρασίας ολόκληρου του σώματος. Αυτή η αύξηση της θερμοκρασίας θα συμβεί και από τη σύνδεση θερμοστοιχείου «Α». Τώρα με τη διασταύρωση «Α» του θερμοστοιχείου σε υψηλή θερμοκρασία και τη διασταύρωση «Β» σε χαμηλή θερμοκρασία, μια ροή ρεύματος λαμβάνει χώρα στον βρόχο του όπως συζητείται στην αρχή λειτουργίας του θερμοστοιχείου. Αυτό το ρεύμα στο βρόχο θα ρέει επίσης μέσω του γαλβανόμετρου που είναι σε σειρά και προκαλώντας έτσι απόκλιση σε αυτό. Αυτόη απόκλιση είναι ανάλογη με το ρεύμα, το οποίο με τη σειρά του είναι ανάλογο με τη διαφορά θερμοκρασίας σε διασταυρώσεις.

Απόκλιση ∝ Ρεύμα σε βρόχο ∝ Διαφορά θερμοκρασίας σε διασταυρώσεις.

Τώρα θα προσπαθήσουμε να εξουδετερώσουμε αυτήν την απόκλιση στο γαλβανόμετρο με τη βοήθεια του κυκλώματος. Η πλήρης διαδικασία για την ακύρωση της απόκλισης εξηγείται βήμα προς βήμα παρακάτω.

• Πρώτα, κλείστε το διακόπτη στο κύκλωμα για να ξεκινήσετε την τρέχουσα ροή.
• Το ρεύμα ρέει όπως,

Μπαταρία -> Διακόπτης -> Μεταλλικός αγωγός -> Αμμόμετρο -> Μεταβλητή αντίσταση -> Μπαταρία.

• Με αυτό το ρεύμα που ρέει μέσω του Μεταλλικού αγωγού η θερμοκρασία του αυξάνεται σε έναν ορισμένο βαθμό.
• Σε επαφή με τον Μεταλλικό αγωγό αυξάνεται επίσης η θερμοκρασία «Β». Αυτό μειώνει τη διαφορά θερμοκρασίας μεταξύ της διασταύρωσης «Α» και της διασταύρωσης «Β».
• Λόγω της μείωσης της διαφοράς θερμοκρασίας, μειώνεται επίσης η ροή ρεύματος στο θερμοστοιχείο.
• Δεδομένου ότι η απόκλιση είναι ανάλογη με το ρεύμα, η απόκλιση του γαλβανόμετρου μειώνεται επίσης.
• Εν ολίγοις, μπορούμε να πούμε- Η απόκλιση στο γαλβανόμετρο μπορεί να μειωθεί ρυθμίζοντας τον ρεοστάτη για να αλλάξει το ρεύμα στον Μεταλλικό αγωγό.

Τώρα συνεχίστε να ρυθμίζετε τον ρεοστάτη έως ότου η απόκλιση του γαλβανόμετρου γίνει εντελώς άκυρη. Μόλις συμβεί αυτό, μπορούμε να λάβουμε μετρήσεις τάσης και ρεύματος από τους μετρητές και να κάνουμε έναν απλό υπολογισμό για να προσδιορίσουμε τη θερμότητα που απορροφάται από το μαύρο σώμα. Αυτή η υπολογισμένη τιμή μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τον προσδιορισμό της ακτινοβολίας, καθώς η θερμότητα που παράγεται από το μαύρο σώμα είναι ευθέως ανάλογη με την ακτινοβολία. Αυτή η τιμή ακτινοβολίας δεν είναι άλλη από την ηλιακή ακτινοβολία άμεσης δέσμης την οποία επιθυμούμε να μετρήσουμε από την αρχή. Και με αυτό, μπορούμε να ολοκληρώσουμε τη λειτουργία του Pyrheliometer.

Εργασία και κατασκευή πυρανομέτρου

Το πυρανόμετρο είναι μια συσκευή που μπορεί να χρησιμοποιηθεί για τη μέτρηση τόσο της ακτινοβολίας δέσμης όσο και της διάχυτης ακτινοβολίας. Με άλλα λόγια, χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της συνολικής ημισφαιρικής ακτινοβολίας (δέσμη συν διάχυση σε οριζόντια επιφάνεια). Εδώ θα μάθουμε για την αρχή λειτουργίας του πυρανομέτρου και την κατασκευή της.

Η συσκευή μοιάζει με πιατάκι UFO που είναι το καλύτερο σχήμα κατάλληλο για το σκοπό της. Αυτή η συσκευή είναι πιο δημοφιλής από τις άλλες και τα περισσότερα από τα δεδομένα ηλιακών πόρων μετριούνται σήμερα με τη χρήση της. Μπορείτε να δείτε την αρχική εικόνα και την εσωτερική δομή του Πυρανομέτρου παρακάτω.

​

Εδώ η ακτινοβολία από τη γύρω ατμόσφαιρα περνά μέσα από τον γυάλινο θόλο και πέφτει πάνω στο μαύρο σώμα που βρίσκεται στο κέντρο του οργάνου. Όπως και πριν, η θερμοκρασία του σώματος αυξάνεται αφού απορροφήσει όλη την ακτινοβολία και αυτή η άνοδος θα βιώσει επίσης η αλυσίδα Thermocouple ή η μονάδα Thermocouple που υπάρχει ακριβώς κάτω από το blackbody. Έτσι, η μία πλευρά της μονάδας θα είναι ζεστή και η άλλη θα είναι κρύα λόγω της ψύκτρας. Η μονάδα θερμοστοιχείου παράγει τάση και αυτό μπορεί να φανεί στους ακροδέκτες εξόδου. Αυτή η τάση που λαμβάνεται στους ακροδέκτες εξόδου είναι άμεσα ανάλογη με τη διαφορά θερμοκρασίας σύμφωνα με την αρχή ενός θερμοστοιχείου.

Εφόσον γνωρίζουμε ότι η διαφορά θερμοκρασίας σχετίζεται με την ακτινοβολία που απορροφάται από το μαύρο σώμα, μπορούμε να πούμε ότι η τάση εξόδου είναι γραμμικά ανάλογη με την ακτινοβολία.

Παρόμοια με τον προηγούμενο υπολογισμό, η τιμή της ολικής ακτινοβολίας μπορεί εύκολα να ληφθεί από αυτήν την τιμή τάσης. Επίσης, χρησιμοποιώντας τη σκιά και ακολουθώντας την ίδια διαδικασία, μπορούμε επίσης να λάβουμε τη διάχυτη ακτινοβολία. Με τη συνολική ακτινοβολία και τη διάχυτη ακτινοβολία, μπορεί επίσης να υπολογιστεί η τιμή ακτινοβολίας δέσμης. Ως εκ τούτου μπορούμε να υπολογίσουμε τόσο τη διάχυτη ηλιακή ακτινοβολία όσο και τη συνολική ακτινοβολία χρησιμοποιώντας το Πυρανόμετρο.