Meetmethoden voor zonnestraling met behulp van pyrheliometer en pyranometer

We weten allemaal dat het leven op aarde in stand wordt gehouden door de zon, omdat die voldoende warmte-energie levert om de aarde warm te houden. Deze energie wordt door de zon geleverd in de vorm van elektromagnetische straling die meestal zonnestraling wordt genoemd. Een deel van de straling is gunstig voor mensen, terwijl een andere straling schadelijk is voor al het leven.

Om zonnestraling op het aardoppervlak te krijgen, moet het door de atmosfeer gaan waar het wordt geabsorbeerd, verstrooid, gereflecteerd en doorgelaten, wat resulteert in een vermindering van de energiefluxdichtheid. Deze vermindering is erg significant, aangezien meer dan 30% verlies optreedt op een zonnige dag en op een bewolkte dag oploopt tot 90%. De maximale straling die via de atmosfeer het aardoppervlak bereikt, zal dus nooit hoger zijn dan 80%.

Zonneflux is erg belangrijk om te meten, omdat het de basis is van het leven op aarde en wordt gebruikt bij het bouwen van veel producten, of het nu gaat om elektronica, gewassen, medicijnen, cosmetica, enz. In deze tutorial leren we over zonnestraling en meting en leert ook over de twee meest populaire meetinstrumenten voor zonne-energie: pyrheliometer en pyranometer.

Straalstraling en diffuse straling

De straling die we aan het oppervlak waarnemen, is zowel directe straling als indirecte straling van de zon. De straling die rechtstreeks van de zon komt, is directe straling en wordt bundelstraling genoemd. De verstrooide en gereflecteerde straling die vanuit alle richtingen naar het aardoppervlak wordt gestuurd (gereflecteerd door moleculen, deeltjes, dierenlichamen, enz.), Is indirecte straling en wordt diffuse straling genoemd. En de som van beide, de bundel en diffuse straling, wordt gedefinieerd als globale straling of totale straling.

Het is belangrijk om onderscheid te maken tussen de bundelstraling en de diffuse straling omdat de bundelstraling kan worden geconcentreerd en de diffuse straling niet. Er zijn veel meetinstrumenten voor zonnestraling die worden gebruikt om bundelstraling en diffuse straling te meten.

Laten we nu eens kijken naar het spectrum van elektromagnetische straling in het onderstaande diagram.

In het hele spectrum beschouwen we alleen golflengten van UV-straling tot IR-straling om de zonneflux te berekenen, omdat de meeste hoogfrequente golven van de zon het oppervlak niet bereiken en de laagfrequente straling na IR niet betrouwbaar is. Dus de zonnestraling of flux wordt meestal gemeten van UV-stralen tot IR-stralen en de instrumenten zijn ook zo ontworpen.

Er zijn twee soorten meetinstrumenten voor zonnestraling:

Pyrheliometer
Pyranometer

Voordat u met de werking van deze instrumenten begint, moet u een aantal concepten begrijpen die worden gebruikt bij het ontwerpen van de apparaten. Laten we nu die concepten eens bekijken.

Zwarte lichaamsstraling

Een zwart lichaam absorbeert gewoonlijk alle straling zonder iets terug in de atmosfeer te zenden en zuiverder, het zwarte lichaam perfectioneert de absorptie. Het feit is dat er tot nu toe geen perfect zwart lichaam aanwezig is, dus nemen we meestal genoegen met het op één na beste. Nadat het zwarte lichaam de straling heeft geabsorbeerd, wordt het opgewarmd omdat de straling zelf energie is en na absorptie worden de atomen in het lichaam verlaten. Deze blackbody wordt gebruikt als kerncomponent in meetinstrumenten voor zonnestraling. Tegenover het zwarte lichaam reflecteert een wit lichaam alle straling die erop valt terug naar de atmosfeer, daarom voelen we ons in de zomer comfortabeler in het dragen van witte kleding.

Thermokoppel

Het thermokoppel is een eenvoudig apparaat dat is opgebouwd uit twee geleiders van verschillend materiaal, zoals weergegeven in de afbeelding.

Hier zijn twee draden verbonden om een lus te vormen met twee knooppunten en deze knooppunten worden aangeduid als 'A' en 'B'. Nu wordt een kaars bij knooppunt 'A' gebracht terwijl knooppunt 'B' met rust wordt gelaten. Met de kaars aanwezig junction op 'A' stijgt de temperatuur aanzienlijk terwijl junction B koud blijft bij kamertemperatuur. Door dit temperatuurverschil verschijnt er een spanning (potentiaalverschil) op de knooppunten volgens het ' Seebeck-effect'. Omdat het circuit gesloten is, stroomt er een stroom 'I' door het circuit zoals weergegeven in de figuur en om deze stroom te meten zullen we een ampèremeter in serie schakelen. Het is belangrijk om te onthouden dat de grootte van stroom 'I' in de lus recht evenredig is met het temperatuurverschilop de kruispunten, dus grotere temperatuurverschillen resulteren in een grotere stroomsterkte. Dus door de ampèremeter af te lezen, kunnen we het temperatuurverschil op de kruispunten berekenen.

Laten we nu, nadat de basis is behandeld, kijken naar de constructie en werking van meetinstrumenten voor zonnestraling.

Pyrheliometer werken en bouwen

Pyrheliometer is een apparaat dat wordt gebruikt voor het meten van directe bundelstraling bij normale inval. De buitenste structuur ziet eruit als een lange buis die het beeld van een telescoop projecteert en we moeten de lens op de zon richten om de straling te meten. Hier zullen we het werkingsprincipe van Pyrheliometer en de constructie ervan leren.

Bekijk het onderstaande diagram om de basisstructuur van de Pyrheliometer te begrijpen.

Hier is de lens op de zon gericht en zal de straling door de lens, de buis gaan en aan het einde op het zwarte object aan de onderkant vallen. Als we nu de hele interne structuur en het circuit op een eenvoudigere manier opnieuw tekenen, ziet het er ongeveer zo uit als hieronder.

In de schakeling is te zien dat het zwarte lichaam de straling absorbeert die van de lens valt en zoals eerder besproken een perfect zwart lichaam alle straling die erop valt volledig absorbeert, zodat de straling die in de buis valt volledig wordt geabsorbeerd door het zwarte object. Zodra de straling wordt geabsorbeerd, raken de atomen in het lichaam opgewonden door de stijgende temperatuur van het hele lichaam. Deze temperatuurstijging zal ook worden ervaren door de thermokoppelovergang 'A'. Nu met junction 'A' van het thermokoppel op hoge temperatuur en junction 'B' bij lage temperatuur, vindt er een stroom plaats in zijn lus zoals besproken in het werkingsprincipe van het thermokoppel. Deze stroom in de lus zal ook door de galvanometer gaan die in serie staat en daardoor een afwijking daarin veroorzaken. Ditafwijking is evenredig met de stroom, die op zijn beurt evenredig is met het temperatuurverschil op knooppunten.

Afwijking ∝ Stroom in lus ∝ Temperatuurverschil bij knooppunten.

Nu zullen we proberen deze afwijking in de galvanometer op te heffen met behulp van het circuit. Het volledige proces voor het opheffen van de afwijking wordt hieronder stap voor stap uitgelegd.

Sluit eerst de schakelaar in het circuit om de stroom te starten.
De stroom vloeit als,

Batterij -> Schakelaar -> Metalen geleider -> Ampèremeter -> Variabele weerstand -> Batterij.

Met deze stroom die door de metalen geleider vloeit, stijgt de temperatuur tot op zekere hoogte.
In contact met de metalen geleider stijgt ook de temperatuur van junctie 'B'. Dit vermindert het temperatuurverschil tussen knooppunt 'A' en knooppunt 'B'.
Door het verkleinen van het temperatuurverschil neemt ook de stroom in het thermokoppel af.
Omdat de afwijking evenredig is met de stroom, neemt ook de afwijking van de galvanometer af.
Samenvattend kunnen we zeggen: De afwijking in de galvanometer kan worden verminderd door de reostaat aan te passen om de stroom in de metalen geleider te veranderen.

Blijf nu de reostaat aanpassen totdat de afwijking van de galvanometer volledig vervalt. Zodra dit gebeurt, kunnen we spannings- en stroomuitlezingen van de meters verkrijgen en een eenvoudige berekening uitvoeren om de warmte te bepalen die door het zwarte lichaam wordt geabsorbeerd. Deze berekende waarde kan worden gebruikt om de straling te bepalen, aangezien de warmte die door het zwarte lichaam wordt gegenereerd, recht evenredig is met de straling. Deze stralingswaarde is niets anders dan directe zonnestraling die we vanaf het begin willen meten. En hiermee kunnen we de werking van de Pyrheliometer afronden.

Pyranometer werken en bouwen

Pyranometer is een apparaat dat kan worden gebruikt om zowel bundelstraling als diffuse straling te meten. Met andere woorden, het wordt gebruikt om de totale hemisferische straling te meten (bundel plus diffuus op een horizontaal oppervlak). Hier zullen we leren over het werkingsprincipe van Pyranometer en de constructie ervan.

Het apparaat ziet eruit als een UFO-schotel die de beste vorm heeft voor zijn doel. Dit apparaat is populairder dan de andere en de meeste gegevens van de zonne-energiebronnen worden er tegenwoordig mee gemeten. U kunt de originele afbeelding en interne structuur van de pyranometer hieronder zien.

Het is een feit dat u zich geen zorgen hoeft te maken.

Hier gaat de straling van de omringende atmosfeer door de glazen koepel en valt op het zwarte lichaam in het midden van het instrument. Net als voorheen stijgt de temperatuur van het lichaam na het absorberen van alle straling en deze stijging zal ook worden ervaren door de thermokoppelketting of thermokoppelmodule die zich direct onder het zwarte lichaam bevindt. Dus de ene kant van de module zal heet zijn en de andere zal koud zijn vanwege het koellichaam. De thermokoppelmodule wekt een spanning op en dit is te zien aan de uitgangsklemmen. Deze spanning ontvangen op de uitgangsklemmen is rechtevenredig met het temperatuurverschil volgens het principe van een thermokoppel.

Omdat we weten dat het temperatuurverschil verband houdt met straling die door het zwarte lichaam wordt geabsorbeerd, kunnen we zeggen dat de uitgangsspanning lineair evenredig is met de straling.

Net als bij de vorige berekening, kan de waarde van de totale straling gemakkelijk worden verkregen uit deze spanningswaarde. Ook door de kap te gebruiken en dezelfde procedure te volgen, kunnen we ook de diffuse straling verkrijgen. Met totale stralingswaarde en diffuse stralingswaarde kan ook de stralingswaarde van de bundel worden berekend. Daarom kunnen we zowel diffuse zonnestraling als totale straling berekenen met behulp van een Pyranometer.