Metoder för mätning av solstrålning med pyrheliometer och pyranometer

Vi vet alla att livet upprätthålls på jorden på grund av solen eftersom det ger tillräckligt med värmeenergi för att hålla jorden varm. Denna energi levereras av solen i form av elektromagnetisk strålning som vanligtvis kallas solstrålning. En del av strålningen är till nytta för människor medan en annan strålning är skadlig för hela livet.

För att nå solstrålning till jordytan måste den passera genom atmosfären där den absorberas, sprids, reflekteras och överförs, vilket resulterar i en minskning av energiflödestätheten. Denna minskning är mycket betydande eftersom mer än 30% förlust inträffar på en solig dag och på en molnig dag går det högt som 90%. Så den maximala strålningen som når jordens yta genom atmosfären kommer aldrig att vara högre än 80%.

Solflöde är mycket viktigt att mäta, eftersom det är grunden för livet på jorden och används för att bygga många produkter, oavsett om det är relaterat till elektronik, grödor, läkemedel, kosmetika etc. I denna handledning lär vi oss om solstrålning och mätning och kommer också att lära sig om de två mest populära solenergi mätning Instrument- pyrheliometer och pyranometer.

Strålstrålning och diffus strålning

Den strålning som vi uppfattar på ytan är både direkt strålning och indirekt strålning från solen. Strålningen som kommer direkt från solen är direktstrålning och den kallas strålstrålning. Den spridda och reflekterade strålningen som skickas till jordytan från alla håll (reflekterad från molekyler, partiklar, djurkroppar etc.) är indirekt strålning och det kallas diffus strålning. Och summan av båda, strålen och diffus strålning, definieras som global strålning eller total strålning.

Det är viktigt att skilja mellan strålstrålningen och diffus strålning eftersom strålstrålningen kan koncentreras medan den diffusa strålningen inte kan. Det finns många mätinstrument för solstrålning som används för att mäta strålstrålning och diffus strålning.

Låt oss nu titta på spektrumet av elektromagnetisk strålning i nedanstående diagram.

I hela spektrumet beaktar vi bara våglängder från UV-strålar till IR-strålar för att beräkna solflödet, eftersom de flesta av de högfrekventa vågorna från solen inte når ytan och lågfrekventa strålningen efter IR är inte tillförlitlig. Så solstrålningen eller flödet mäts vanligtvis från UV-strålar till IR-strålar och instrumenten är också utformade så.

Mätinstrument för solstrålning är av två typer:

Pyrheliometer
Pyranometer

Innan du går in i arbetet med dessa instrument måste du förstå ett par begrepp som används när du utformar enheterna. Så nu ska vi titta på dessa begrepp.

Svart kroppsstrålning

En svart kropp absorberar vanligtvis alla strålningar utan att släppa tillbaka något i atmosfären och renare den svarta kroppen mer perfekt absorptionen. Faktum är att det inte finns någon perfekt svart kropp fram till nu så vi brukar nöja oss med det näst bästa. Efter att den svarta kroppen absorberar strålningen blir den uppvärmd eftersom strålningen i sig är energi och efter absorptionen kommer atomerna i kroppen ut. Denna svarta kropp används som en kärnkomponent i mätinstrument för solstrålning. Mittemot den svarta kroppen reflekterar en vit kropp all strålning som faller på den tillbaka till atmosfären och det är därför vi kommer att känna oss mer bekväma med vita kläder under sommaren.

Termoelement

Termoelementet är en enkel anordning konstruerad med två ledare gjorda av olika material som visas i figuren.

Här är två ledningar anslutna för att bilda en slinga med två korsningar och dessa korsningar betecknas som 'A' och 'B'. Nu kommer ett ljus nära korsningen "A" medan korsningen "B" lämnas ensam. När ljuset är närvarande korsning vid 'A' stiger temperaturen avsevärt medan korsning B förblir kall vid rumstemperatur. På grund av denna temperaturskillnad visas en spänning (potentialskillnad) vid korsningarna enligt ' Seebeck-effekten'. Eftersom kretsen är sluten strömmar en ström 'I' genom kretsen som visas i figuren och för att mäta denna ström kommer vi att ansluta en ammeter i serie. Det är viktigt att komma ihåg att storleken på strömmen "I" i slingan är direkt proportionell mot temperaturskillnadenvid korsningarna, så högre temperaturskillnader resulterar i en högre strömstyrka. Så genom att få avläsningen av amperemätaren kan vi beräkna temperaturskillnaden vid korsningarna.

Nu när grunderna har behandlats, låt oss titta på konstruktion och bearbetning av mätinstrument för solstrålning.

Pyrheliometer Arbete och konstruktion

Pyrheliometer är en anordning som används för att mäta direktstrålning vid normal infall. Dess yttre struktur ser ut som ett långt rör som projicerar bilden av ett teleskop och vi måste rikta linsen mot solen för att mäta utstrålningen. Här lär vi oss Pyrheliometerns arbetsprincip och dess konstruktion.

För att förstå den grundläggande strukturen för Pyrheliometer, titta på diagrammet som visas nedan.

Här pekas linsen mot solen och strålningen kommer att passera genom linsen, röret och i slutet faller på det svarta föremålet i botten. Om vi nu drar upp hela den interna strukturen och kretsen på ett enklare sätt kommer det att se ut som nedan.

I kretsen kan man se att den svarta kroppen absorberar strålningen som faller från linsen och som diskuterats tidigare absorberar en perfekt svart kropp helt eventuell strålning som faller på den, så strålningen som faller in i röret absorberas helt av det svarta föremålet. När strålningen har absorberats blir atomerna i kroppen upphetsade på grund av den ökande temperaturen i hela kroppen. Denna temperaturökning kommer också att upplevas av termoelementförbindelsen 'A'. Nu med korsningen "A" av termoelementet vid hög temperatur och korsningen "B" vid låg temperatur, sker ett strömflöde i dess slinga som diskuteras i termoelementets arbetsprincip. Denna ström i slingan kommer också att strömma genom galvanometern som är i serie och därmed orsaka en avvikelse i den. Dettaavvikelsen är proportionell mot strömmen, vilket i sin tur är proportionell mot temperaturskillnaden vid korsningar.

Avvikelse ∝ Ström i slinga ∝ Temperaturskillnad vid korsningar.

Nu ska vi försöka upphäva denna avvikelse i galvanometern med hjälp av kretsen. Den fullständiga processen för att upphäva avvikelsen förklaras steg för steg nedan.

Stäng först brytaren i kretsen för att starta strömflödet.
Strömmen flyter som,

Batteri -> Omkopplare -> Metalledare -> Ampeter -> Variabelt motstånd -> Batteri.

Med denna ström som flyter genom metalledaren stiger temperaturen till en viss grad.
Att vara i kontakt med metallledaren stiger även korsningens "B" -temperatur. Detta minskar temperaturskillnaden mellan korsningen "A" och korsningen "B".
På grund av minskningen av temperaturskillnaden minskar också strömflödet i termoelementet.
Eftersom avvikelsen är proportionell mot strömmen minskar också galvanometerns avvikelse.
Sammanfattningsvis kan vi säga - Avvikelsen i galvanometern kan minskas genom att justera reostaten för att ändra strömmen i metalledaren.

Fortsätt att justera reostaten tills galvanometeravvikelsen blir helt ogiltig. När detta händer kan vi få spännings- och strömavläsningar från mätarna och göra en enkel beräkning för att bestämma värmen som absorberas av den svarta kroppen. Detta beräknade värde kan användas för att bestämma strålningen, eftersom värme som alstras av den svarta kroppen är direkt proportionell mot strålningen. Detta strålningsvärde är inget annat än solstrålning som vi önskar mäta från början. Och med detta kan vi avsluta arbetet med Pyrheliometer.

Pyranometer Arbete och konstruktion

Pyranometer är en anordning som kan användas för att mäta både strålstrålning och diffus strålning. Med andra ord används den för att mäta total halvsfärisk strålning (stråle plus diffus på en horisontell yta). Här lär vi oss om Pyranometers arbetsprincip och dess konstruktion.

Enheten ser ut som en UFO-tefat som är den bästa formen för sitt ändamål. Den här enheten är mer populär än de andra och de flesta av solresursdata nuförtiden mäts med den. Du kan se originalbilden och den inre strukturen i Pyranometern nedan.

</s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s>

Här passerar strålningen från den omgivande atmosfären genom glaskupolen och faller på den svarta kroppen som ligger i mitten av instrumentet. Som tidigare stiger kroppens temperatur efter att ha absorberat all strålning och denna ökning kommer också att upplevas av termoelementkedjan eller termoelementmodulen som finns direkt under svartkroppen. Så den ena sidan av modulen blir varm och en annan blir kall på grund av kylflänsen. Termoelementmodulen genererar en spänning och detta kan ses på utgångarna. Denna spänning mottagen vid utgångarna är direkt proportionell mot temperaturskillnaden enligt principen för ett termoelement.

Eftersom vi vet att temperaturskillnaden är relaterad till strålning absorberad av den svarta kroppen, kan vi säga att utspänningen är linjärt proportionell mot strålningen.

I likhet med den tidigare beräkningen kan värdet av total strålning enkelt erhållas från detta spänningsvärde. Genom att använda skuggan och följa samma procedur kan vi också få den diffusa strålningen. Med total strålning och diffust strålningsvärde kan strålningsstrålningsvärde också beräknas. Därför kan vi beräkna både diffus solstrålning och total strålning med Pyranometer.