Methoden zur Messung der Sonnenstrahlung mit Pyrheliometer und Pyranometer

Wir alle wissen, dass das Leben auf der Erde durch die Sonne aufrechterhalten wird, da es genügend Wärmeenergie liefert, um die Erde warm zu halten. Diese Energie wird von der Sonne in Form von elektromagnetischer Strahlung geliefert, die üblicherweise als Sonnenstrahlung bezeichnet wird. Ein Teil der Strahlung ist für den Menschen von Vorteil, während ein anderer Teil für alles Leben schädlich ist.

Um Sonnenstrahlung an die Erdoberfläche zu bringen, muss sie durch die Atmosphäre gelangen, wo sie absorbiert, gestreut, reflektiert und übertragen wird, was zu einer Verringerung der Energieflussdichte führt. Diese Verringerung ist sehr signifikant, da an einem sonnigen Tag ein Verlust von mehr als 30% auftritt und an einem bewölkten Tag ein Verlust von bis zu 90% erreicht wird. Die maximale Strahlung, die die Erdoberfläche durch die Atmosphäre erreicht, wird also niemals höher als 80% sein.

Der Sonnenfluss ist sehr wichtig zu messen, da er die Grundlage des Lebens auf der Erde darstellt und beim Bau vieler Produkte verwendet wird, unabhängig davon, ob er sich auf Elektronik, Pflanzen, Medikamente, Kosmetika usw. bezieht. In diesem Tutorial lernen wir die Sonnenstrahlung und ihre Auswirkungen kennen Messung und lernen Sie auch die beiden beliebtesten Solarenergiemessgeräte kennen - Pyrheliometer und Pyranometer.

Strahlstrahlung und diffuse Strahlung

Die Strahlung, die wir an der Oberfläche wahrnehmen, ist sowohl direkte als auch indirekte Sonnenstrahlung. Die Strahlung, die direkt von der Sonne kommt, ist direkte Strahlung und wird Strahlstrahlung genannt. Die gestreute und reflektierte Strahlung, die aus allen Richtungen an die Erdoberfläche gesendet wird (reflektiert von Molekülen, Partikeln, Tierkörpern usw.), ist indirekte Strahlung und wird als diffuse Strahlung bezeichnet. Und die Summe von Strahl und diffuser Strahlung wird als globale Strahlung oder Gesamtstrahlung definiert.

Es ist wichtig, zwischen Strahlstrahlung und diffuser Strahlung zu unterscheiden, da die Strahlstrahlung konzentriert werden kann, während die diffuse Strahlung nicht konzentriert werden kann. Es gibt viele Instrumente zur Messung der Sonnenstrahlung, mit denen Strahlstrahlung und diffuse Strahlung gemessen werden.

Schauen wir uns nun das Spektrum der elektromagnetischen Strahlung im folgenden Diagramm an.

Im gesamten Spektrum berücksichtigen wir nur Wellenlängen von UV-Strahlen zu IR-Strahlen, um den Sonnenfluss zu berechnen, da die meisten hochfrequenten Wellen der Sonne die Oberfläche nicht erreichen und die niederfrequente Strahlung nach IR nicht zuverlässig ist. Daher wird die Sonnenstrahlung oder der Sonnenfluss normalerweise von UV-Strahlen zu IR-Strahlen gemessen, und die Instrumente sind auch so ausgelegt.

Es gibt zwei Arten von Messgeräten für die Sonnenstrahlung:

Pyrheliometer
Pyranometer

Bevor Sie mit der Arbeit an diesen Instrumenten beginnen, müssen Sie einige Konzepte verstehen, die beim Entwerfen der Geräte verwendet werden. Schauen wir uns nun diese Konzepte an.

Schwarzkörperstrahlung

Ein schwarzer Körper absorbiert normalerweise alle Strahlungen, ohne etwas in die Atmosphäre zurückzugeben, und reinigt den schwarzen Körper, um die Absorption zu perfektionieren. Tatsache ist, dass bis jetzt kein perfekter schwarzer Körper vorhanden ist, sodass wir uns normalerweise mit dem zweitbesten zufrieden geben. Nachdem der schwarze Körper die Strahlung absorbiert hat, erwärmt er sich, da die Strahlung selbst Energie ist, und nach der Absorption treten die Atome im Körper aus. Dieser schwarze Körper wird als Kernkomponente in Messgeräten für Sonnenstrahlung verwendet. Im Gegensatz zum schwarzen Körper reflektiert ein weißer Körper die gesamte Strahlung, die auf ihn fällt, zurück in die Atmosphäre, weshalb wir uns im Sommer wohler fühlen werden, wenn wir weiße Kleidung tragen.

Thermoelement

Das Thermoelement ist eine einfache Vorrichtung, die aus zwei Leitern aus unterschiedlichem Material besteht, wie in der Abbildung gezeigt.

Hier sind zwei Drähte verbunden, um eine Schleife mit zwei Übergängen zu bilden, und diese Übergänge werden als "A" und "B" bezeichnet. Jetzt wird eine Kerze in die Nähe der Kreuzung 'A' gebracht, während die Kreuzung 'B' in Ruhe gelassen wird. Wenn die Kerze an der Verbindungsstelle bei 'A' vorhanden ist, steigt ihre Temperatur beträchtlich an, während die Verbindungsstelle B bei Raumtemperatur kalt bleibt. Aufgrund dieser Temperaturdifferenz tritt an den Verbindungsstellen eine Spannung (Potentialdifferenz) gemäß dem ' Seebeck-Effekt' auf. Da der Stromkreis geschlossen ist, fließt ein Strom 'I' durch den Stromkreis, wie in der Abbildung gezeigt. Um diesen Strom zu messen, werden wir ein Amperemeter in Reihe schalten. Es ist wichtig zu beachten, dass die Größe des Stroms 'I' in der Schleife direkt proportional zur Temperaturdifferenz istAn den Verbindungsstellen führen höhere Temperaturunterschiede zu einer höheren Stromstärke. Indem wir den Amperemeter-Messwert abrufen, können wir die Temperaturdifferenz an den Verbindungsstellen berechnen.

Nachdem die Grundlagen behandelt wurden, wollen wir uns nun mit dem Aufbau und der Funktionsweise von Messgeräten für die Sonnenstrahlung befassen.

Pyrheliometer arbeiten und bauen

Das Pyrheliometer ist ein Gerät zur Messung der direkten Strahlung bei normalem Einfall. Seine äußere Struktur sieht aus wie eine lange Röhre, die das Bild eines Teleskops projiziert, und wir müssen die Linse auf die Sonne richten, um die Strahlung zu messen. Hier lernen wir das Funktionsprinzip des Pyrheliometers und seine Konstruktion kennen.

Um die Grundstruktur des Pyrheliometers zu verstehen, sehen Sie sich das folgende Diagramm an.

Hier ist die Linse auf die Sonne gerichtet und die Strahlung tritt durch die Linse, die Röhre und fällt am Ende auf das schwarze Objekt am Boden. Wenn wir nun die gesamte interne Struktur und Schaltung auf einfachere Weise neu zeichnen, sieht es ungefähr so aus.

In der Schaltung ist zu sehen, dass der schwarze Körper die von der Linse fallende Strahlung absorbiert, und wie zuvor erläutert, absorbiert ein perfekter schwarzer Körper vollständig auf die Linse fallende Strahlung, so dass die in die Röhre fallende Strahlung vollständig vom schwarzen Objekt absorbiert wird. Sobald die Strahlung absorbiert wird, werden die Atome im Körper aufgrund der steigenden Temperatur des gesamten Körpers angeregt. Dieser Temperaturanstieg wird auch an der Thermoelementverbindung 'A' auftreten. Mit der Verbindungsstelle 'A' des Thermoelements bei hoher Temperatur und der Verbindungsstelle 'B' bei niedriger Temperatur findet nun ein Stromfluss in seiner Schleife statt, wie im Arbeitsprinzip des Thermoelements erläutert. Dieser Strom in der Schleife fließt auch durch das in Reihe geschaltete Galvanometer und verursacht dadurch eine Abweichung. DieseDie Abweichung ist proportional zum Strom, der wiederum proportional zur Temperaturdifferenz an den Verbindungsstellen ist.

Abweichung ∝ Strom in der Schleife ∝ Temperaturdifferenz an Verbindungsstellen.

Nun werden wir versuchen, diese Abweichung im Galvanometer mit Hilfe der Schaltung aufzuheben. Der vollständige Vorgang zum Aufheben der Abweichung wird im Folgenden Schritt für Schritt erläutert.

Schließen Sie zuerst den Schalter im Stromkreis, um den Stromfluss zu starten.
Der Strom fließt wie,

Batterie -> Schalter -> Metallleiter -> Amperemeter -> Variabler Widerstand -> Batterie.

Wenn dieser Strom durch den Metallleiter fließt, steigt seine Temperatur bis zu einem gewissen Grad an.
In Kontakt mit dem Metallleiter steigt auch die Temperatur der Verbindungsstelle 'B' an. Dies verringert die Temperaturdifferenz zwischen der Verbindungsstelle 'A' und der Verbindungsstelle 'B'.
Aufgrund der Verringerung der Temperaturdifferenz nimmt auch der Stromfluss im Thermoelement ab.
Da die Abweichung proportional zum Strom ist, nimmt auch die Abweichung des Galvanometers ab.
Zusammenfassend können wir sagen: Die Abweichung im Galvanometer kann durch Einstellen des Rheostaten zur Änderung des Stroms im Metallleiter verringert werden.

Stellen Sie nun den Rheostat so lange ein, bis die Abweichung des Galvanometers vollständig ungültig wird. Sobald dies geschieht, können wir Spannungs- und Strommesswerte von den Messgeräten erhalten und eine einfache Berechnung durchführen, um die vom schwarzen Körper aufgenommene Wärme zu bestimmen. Dieser berechnete Wert kann zur Bestimmung der Strahlung verwendet werden, da die vom schwarzen Körper erzeugte Wärme direkt proportional zur Strahlung ist. Dieser Strahlungswert ist nichts anderes als Sonnenstrahlung mit direktem Strahl, die wir von Anfang an messen sollen. Damit können wir die Arbeit des Pyrheliometers abschließen.

Pyranometer arbeiten und bauen

Das Pyranometer ist ein Gerät, mit dem sowohl Strahlstrahlung als auch diffuse Strahlung gemessen werden können. Mit anderen Worten, es wird verwendet, um die gesamte halbkugelförmige Strahlung (Strahl plus diffus auf einer horizontalen Oberfläche) zu messen. Hier lernen wir das Funktionsprinzip des Pyranometers und seine Konstruktion kennen.

Das Gerät sieht aus wie eine UFO-Untertasse, die für ihren Zweck die beste Form hat. Dieses Gerät ist beliebter als die anderen und die meisten Solarressourcendaten werden heutzutage damit gemessen. Unten sehen Sie das Originalbild und die innere Struktur des Pyranometers.

Hier tritt die Strahlung der umgebenden Atmosphäre durch die Glaskuppel und fällt auf den schwarzen Körper in der Mitte des Instruments. Wie zuvor steigt die Körpertemperatur, nachdem die gesamte Strahlung absorbiert wurde, und dieser Anstieg wird auch von der Thermoelementkette oder dem Thermoelementmodul direkt unter dem schwarzen Körper erfahren. Die eine Seite des Moduls ist also heiß und die andere wegen des Kühlkörpers kalt. Das Thermoelementmodul erzeugt eine Spannung, die an den Ausgangsklemmen sichtbar ist. Diese an den Ausgangsklemmen empfangene Spannung ist nach dem Prinzip eines Thermoelements direkt proportional zur Temperaturdifferenz.

Da wir wissen, dass die Temperaturdifferenz mit der vom schwarzen Körper absorbierten Strahlung zusammenhängt, können wir sagen, dass die Ausgangsspannung linear proportional zur Strahlung ist.

Ähnlich wie bei der vorherigen Berechnung kann der Wert der Gesamtstrahlung leicht aus diesem Spannungswert erhalten werden. Auch wenn wir den Schatten verwenden und das gleiche Verfahren anwenden, können wir auch die diffuse Strahlung erhalten. Mit der Gesamtstrahlung und dem diffusen Strahlungswert kann auch der Strahlungsstrahlungswert berechnet werden. Daher können wir mit dem Pyranometer sowohl diffuse Sonnenstrahlung als auch Gesamtstrahlung berechnen.