Mètodes de mesura de la radiació solar mitjançant pireliòmetre i piranòmetre

Tots sabem que la vida es manté a la terra a causa del sol, ja que proporciona energia calorífica suficient per mantenir la terra calenta. Aquesta energia la subministra el sol en forma de radiació electromagnètica que se sol anomenar radiació solar. Algunes de les radiacions són beneficioses per als humans, mentre que una altra és nociva per a tota la vida.

Per arribar a la radiació solar a la superfície terrestre ha de passar per l’atmosfera on s’absorbeix, es dispersa, es reflecteix i es transmet, cosa que redueix la densitat del flux d’energia. Aquesta reducció és molt significativa, ja que es produeix una pèrdua superior al 30% en un dia assolellat i en un dia ennuvolat arriba al 90%. Per tant, la radiació màxima que arriba a la superfície terrestre a través de l’atmosfera mai serà superior al 80%.

El flux solar, és molt important mesurar, ja que és la base de la vida a la terra i s'utilitza en la construcció de molts productes si el seu relacionats amb l'electrònica, cultius, medicaments, cosmètics, etc. En aquest tutorial, anem a aprendre sobre la radiació solar i la seva mesurament i també aprendre sobre els dos més de mesura de l'energia solar populars INSTRUMENTS pirheliòmetre i Piranòmetre.

Radiació de feix i radiació difusa

La radiació que percebem a la superfície és radiació directa i indirecta del sol. La radiació que prové directament del sol és radiació directa i s’anomena radiació de feix. La radiació dispersa i reflectida que s’envia a la superfície terrestre des de totes direccions (reflectida per molècules, partícules, cossos animals, etc.) és radiació indirecta i s’anomena radiació difusa. I la suma de tots dos, el feix i la radiació difusa, es defineix com a radiació global o radiació total.

És important diferenciar entre la radiació del feix i la radiació difusa perquè la radiació del feix es pot concentrar mentre que la radiació difusa no. Hi ha molts instruments de mesura de la radiació solar que s’utilitzen per mesurar la radiació del feix i la radiació difusa.

Ara fem una ullada a l’espectre de la radiació electromagnètica al diagrama següent.

En tot l’espectre, només considerem les longituds d’ona des dels raigs UV fins als raigs IR per calcular el flux solar, perquè la majoria de les ones d’alta freqüència del sol no arriben a la superfície i la radiació de baixa freqüència després de l’IR no és fiable. Per tant, la radiació o flux solar sol mesurar-se de raigs UV a raigs IR i els instruments també estan dissenyats així.

Els instruments de mesura de la radiació solar són de dos tipus:

Pireliòmetre
Piranòmetre

Abans d’entrar en el funcionament d’aquests instruments, heu d’entendre un parell de conceptes que s’utilitzen durant el disseny dels dispositius. Per tant, ara examinem aquests conceptes.

Radiació del cos negre

Un cos negre sol absorbir totes les radiacions sense emetre res a l’atmosfera i el cos negre és més pur i és més perfecte l’absorció. El fet és que fins ara no hi ha cap cos negre perfecte, de manera que normalment ens conformem amb el segon millor. Després que el cos negre absorbeixi la radiació, s’escalfa ja que la pròpia radiació és energia i després de l’absorció, els àtoms del cos surten. Aquest cos negre s’utilitza com a component bàsic en instruments de mesura de la radiació solar. Davant del cos negre, un cos blanc reflecteix tota la radiació que hi cau sobre l'atmosfera, per això ens sentirem més còmodes portant roba blanca durant l'estiu.

Termoparell

El termoparell és un dispositiu senzill construït amb dos conductors de material diferent, tal com es mostra a la figura.

Aquí es connecten dos cables per formar un bucle amb dues unions i aquestes unions es designen com a "A" i "B". Ara es porta una espelma a prop de la cruïlla "A" mentre la cruïlla "B" es deixa sola. Amb l’espelma present a la unió a “A”, la seva temperatura augmenta considerablement mentre la unió B es manté freda a temperatura ambient. A causa d’aquesta diferència de temperatura, apareix una tensió (diferència de potencial) a les unions segons l’ efecte Seebeck. Com que el circuit està tancat, hi circula un corrent "I" com es mostra a la figura i per mesurar aquest corrent connectarem un amperímetre en sèrie. És important recordar que la magnitud del corrent "I" al bucle és directament proporcional a la diferència de temperaturaa les unions, de manera que diferències de temperatura més altes donen com a resultat una magnitud més alta del corrent. Així, obtenint la lectura de l’amperímetre, podem calcular la diferència de temperatura a les unions.

Ara, un cop coberts els conceptes bàsics, analitzem la construcció i el funcionament dels instruments de mesura de la radiació solar.

Treball i construcció de pireliòmetres

El pireliòmetre és un dispositiu utilitzat per mesurar la radiació directa del feix amb incidència normal. La seva estructura exterior sembla un tub llarg que projecta la imatge d’un telescopi i hem d’orientar l’objectiu cap al sol per mesurar la resplendor. Aquí aprendrem el principi de funcionament del pireliòmetre i la seva construcció.

Per entendre l'estructura bàsica del pireliòmetre, mireu el diagrama que es mostra a continuació.

Aquí la lent es dirigeix cap al sol i la radiació passarà per la lent, el tub i, al final, caurà sobre l’objecte negre present a la part inferior. Ara bé, si tornem a dibuixar tota l’estructura interna i el circuit d’una manera més senzilla, es veurà com a sota.

Al circuit, es pot veure que el cos negre absorbeix la radiació que cau de la lent i, com es va comentar anteriorment, un cos negre perfecte absorbeix completament la radiació que cau sobre ell, de manera que la radiació que cau al tub és absorbida completament per l’objecte negre. Un cop absorbida la radiació, els àtoms del cos s’exciten a causa de l’augment de la temperatura de tot el cos. Aquest augment de temperatura també serà experimentat per la unió de termoparell "A". Ara, amb la unió "A" del termopar a alta temperatura i la unió "B" a baixa temperatura, es produeix un flux de corrent al bucle tal com es discuteix en el principi de funcionament del termopar. Aquest corrent al bucle també fluirà a través del galvanòmetre que es troba en sèrie i, per tant, provoca una desviació. Aixòla desviació és proporcional al corrent, que al seu torn és proporcional a la diferència de temperatura a les unions.

Desviació ∝ Corrent en bucle ∝ Diferència de temperatura a les unions.

Ara intentarem anul·lar aquesta desviació al galvanòmetre amb l'ajuda del circuit. El procés complet per anul·lar la desviació s’explica pas a pas a continuació.

En primer lloc, tanqueu l’interruptor del circuit per iniciar el flux de corrent.
El corrent flueix com,

Bateria -> Interruptor -> Conductor metàl·lic -> Amperímetre -> Resistència variable -> Bateria.

Amb aquest corrent que circula pel conductor metàl·lic, la seva temperatura augmenta fins a un cert grau.
En estar en contacte amb el conductor metàl·lic, la temperatura de la unió "B" també augmenta. Això redueix la diferència de temperatura entre la unió "A" i la unió "B".
A causa de la reducció de la diferència de temperatura, el flux de corrent al termoparell també disminueix.
Com que la desviació és proporcional al corrent, la desviació del galvanòmetre també disminueix.
En resum, podem dir: la desviació al galvanòmetre es pot reduir ajustant el reòstat per canviar el corrent al conductor metàl·lic.

Ara seguiu ajustant el reòstat fins que la desviació del galvanòmetre quedi completament nul·la. Un cop això passi, podem obtenir lectures de tensió i corrent dels comptadors i fer un càlcul senzill per determinar la calor absorbida pel cos negre. Aquest valor calculat es pot utilitzar per determinar la radiació, ja que la calor generada pel cos negre és directament proporcional a la radiació. Aquest valor de radiació no és altre que la radiació solar de feix directe que es vol mesurar des del principi. I amb això, podem concloure el funcionament del pireliòmetre.

Treball i construcció de piranòmetres

El piranòmetre és un dispositiu que es pot utilitzar per mesurar tant la radiació del feix com la radiació difusa. En altres paraules, s’utilitza per mesurar la radiació hemisfèrica total (feix més difús en una superfície horitzontal). Aquí coneixerem el principi de funcionament del piranòmetre i la seva construcció.

El dispositiu sembla un plat OVNI que és la forma més adequada per al seu propòsit. Aquest dispositiu és més popular que els altres i la majoria de les dades de recursos solars actuals es mesuren utilitzant-lo. Podeu veure la imatge original i l’estructura interna del piranòmetre a continuació.

(…)

Aquí la radiació de l'atmosfera circumdant passa a través de la cúpula de vidre i cau sobre el cos negre situat al centre de l'instrument. Com abans, la temperatura del cos augmenta després d’absorbir tota la radiació i aquesta pujada també la experimentaran les cadenes de termoparells o el mòdul de termoparells presents directament sota el cos negre. Així, doncs, un costat del mòdul estarà calent i un altre serà fred a causa del dissipador de calor. El mòdul de termoparella genera una tensió i això es pot veure als terminals de sortida. Aquesta tensió rebuda als terminals de sortida és directament proporcional a la diferència de temperatura segons el principi d’un termoparell.

Com que sabem que la diferència de temperatura està relacionada amb la radiació absorbida pel cos negre, podem dir que la tensió de sortida és linealment proporcional a la radiació.

De manera similar al càlcul anterior, el valor de la radiació total es pot obtenir fàcilment a partir d’aquest valor de tensió. També utilitzant l’ombra i seguint el mateix procediment, també podem obtenir la radiació difusa. Amb la radiació total i el valor de radiació difusa, també es pot calcular el valor de la radiació del feix. Per tant, podem calcular tant la radiació solar difusa com la radiació total mitjançant Piranòmetre.