Kaedah pengukuran sinaran suria menggunakan pirheliometer dan pyranometer

Kita semua tahu bahawa kehidupan dilestarikan di bumi kerana matahari kerana ia memberikan tenaga haba yang mencukupi untuk menjaga bumi tetap panas. Tenaga ini dihantar oleh matahari dalam bentuk radiasi Elektromagnetik yang biasanya disebut radiasi matahari. Sebilangan sinaran bermanfaat bagi manusia sementara sinaran lain berbahaya bagi semua kehidupan.

Untuk mencapai sinaran matahari ke permukaan bumi, ia mesti melalui atmosfer di mana ia diserap, tersebar, dipantulkan, dan disebarkan yang mengakibatkan pengurangan ketumpatan fluks tenaga. Pengurangan ini sangat ketara kerana kerugian lebih dari 30% berlaku pada hari yang cerah dan pada hari yang mendung ia meningkat setinggi 90%. Jadi sinaran maksimum yang sampai ke permukaan bumi melalui atmosfer tidak akan pernah lebih tinggi daripada 80%.

Fluks suria sangat penting untuk diukur, kerana ia adalah asas kehidupan di bumi dan digunakan dalam membina banyak produk sama ada yang berkaitan dengan elektronik, tanaman, ubat-ubatan, kosmetik, dan lain-lain. Dalam tutorial ini, kita akan belajar mengenai sinaran matahari dan pengukuran dan juga akan belajar mengenai dua alat pengukur tenaga suria yang paling popular - Pyrheliometer dan Pyranometer.

Sinaran Pancaran dan Sinaran Diffuse

Sinaran yang kita lihat di permukaan adalah sinaran langsung dan radiasi tidak langsung matahari. Sinaran yang datang langsung dari matahari adalah radiasi langsung dan ia disebut radiasi sinar. Sinaran yang tersebar dan dipantulkan yang dikirim ke permukaan bumi dari semua arah (dipantulkan dari molekul, zarah, badan haiwan, dan lain-lain) adalah sinaran tidak langsung dan ia disebut sinaran menyebar. Dan jumlah kedua-duanya, sinaran sinar dan meresap, didefinisikan sebagai radiasi global atau radiasi total.

Penting untuk membezakan antara sinaran pancaran dan sinaran meresap kerana sinaran sinar dapat tertumpu sementara sinaran meresap tidak dapat. Terdapat banyak alat ukur radiasi matahari yang digunakan untuk mengukur sinaran sinar dan sinaran menyebar.

Sekarang mari kita lihat spektrum sinaran elektromagnetik dalam rajah di bawah.

Dalam keseluruhan spektrum, kami hanya mempertimbangkan panjang gelombang dari sinar UV hingga sinar IR untuk mengira fluks suria, kerana kebanyakan gelombang frekuensi tinggi dari matahari tidak sampai ke permukaan dan radiasi frekuensi rendah setelah IR tidak dapat dipercayai. Jadi sinaran suria atau fluks biasanya diukur dari sinar UV hingga sinar IR dan instrumennya juga dirancang seperti itu.

Alat pengukur sinaran suria terdiri daripada dua jenis:

Pirheliometer
Pyranometer

Sebelum menggunakan instrumen ini, anda perlu memahami beberapa konsep yang digunakan semasa merancang peranti. Oleh itu, mari kita lihat konsep-konsep tersebut.

Sinaran badan hitam

Tubuh hitam biasanya menyerap semua sinaran tanpa memancarkan apa-apa ke atmosfera dan membersihkan badan hitam lebih sempurna penyerapannya. Faktanya adalah, tidak ada badan hitam yang sempurna sehingga sekarang, kita biasanya berpuas hati dengan yang kedua terbaik. Setelah badan hitam menyerap radiasi, ia akan menjadi panas kerana radiasi itu sendiri adalah tenaga dan setelah penyerapan, atom di dalam badan akan keluar. Badan hitam ini digunakan sebagai komponen inti dalam alat ukur radiasi matahari. Bertentangan dengan badan hitam, badan putih memantulkan semua sinaran yang jatuh di atasnya ke atmosfera itulah sebabnya kita akan merasa lebih selesa memakai pakaian putih pada musim panas.

Termokopel

Termokopel adalah alat sederhana yang dibina menggunakan dua konduktor yang terbuat dari bahan yang berbeza seperti yang ditunjukkan dalam gambar.

Di sini dua wayar dihubungkan untuk membentuk gelung dengan dua persimpangan dan persimpangan ini ditetapkan sebagai 'A' & 'B'. Sekarang lilin dibawa berhampiran persimpangan 'A' sementara persimpangan 'B' dibiarkan sahaja. Dengan lilin yang ada persimpangan pada 'A' suhunya meningkat jauh sementara persimpangan B tetap sejuk pada suhu bilik. Kerana perbezaan suhu ini, voltan (perbezaan potensi) muncul di persimpangan mengikut ' kesan Seebeck'. Oleh kerana litar ditutup arus 'I' mengalir melalui litar seperti yang ditunjukkan dalam rajah dan untuk mengukur arus ini kita akan menghubungkan ammeter secara bersiri. Penting untuk diingat bahawa besarnya arus 'I' dalam gelung berkadar terus dengan perbezaan suhudi persimpangan, perbezaan suhu yang lebih tinggi menghasilkan arus yang lebih tinggi. Oleh itu, dengan mendapatkan bacaan ammeter, kita dapat mengira perbezaan suhu pada persimpangan.

Sekarang setelah asas-asasnya dibahas, mari kita lihat pembinaan dan pengerjaan alat ukur radiasi suria.

Kerja dan Pembinaan Pyrheliometer

Pyrheliometer adalah alat yang digunakan untuk mengukur radiasi pancaran langsung pada kejadian normal. Struktur luarnya kelihatan seperti tiub panjang yang memproyeksikan gambar teleskop dan kita harus mengarahkan lensa ke matahari untuk mengukur cahaya. Di sini kita akan mempelajari prinsip kerja Pyrheliometer dan pembinaannya.

Untuk memahami struktur asas Pirheliometer, lihat rajah yang ditunjukkan di bawah.

Di sini lensa dihalakan ke arah matahari dan radiasi akan melalui lensa, tiub dan pada akhirnya jatuh ke objek hitam yang terdapat di bahagian bawah. Jika kita merangka keseluruhan struktur dan litar dalaman dengan cara yang lebih mudah, ia akan kelihatan seperti di bawah.

Di dalam litar, dapat dilihat bahawa badan hitam menyerap radiasi yang jatuh dari lensa dan seperti yang dibincangkan sebelumnya, badan hitam yang sempurna menyerap sepenuhnya radiasi yang jatuh di atasnya, sehingga radiasi yang jatuh ke dalam tiub akan diserap oleh objek hitam sepenuhnya. Setelah sinaran diserap, atom-atom di dalam badan menjadi teruja kerana peningkatan suhu seluruh badan. Peningkatan suhu ini juga akan dialami oleh persimpangan termokopel 'A'. Sekarang dengan persimpangan 'A' termokopel pada suhu tinggi dan persimpangan 'B' pada suhu rendah, aliran arus berlaku dalam gelungnya seperti yang dibincangkan dalam prinsip kerja termokopel. Arus dalam gelung ini juga akan mengalir melalui galvanometer yang secara bersiri dan dengan itu menyebabkan penyimpangan di dalamnya. Inipenyimpangan berkadar dengan arus, yang seterusnya berkadar dengan perbezaan suhu pada persimpangan.

Sisihan α Semasa dalam gelung α perbezaan suhu di persimpangan.

Sekarang kita akan cuba membatalkan penyimpangan ini di galvanometer dengan bantuan litar. Proses lengkap untuk membatalkan penyimpangan dijelaskan pada langkah demi langkah di bawah.

Pertama, tutup suis dalam litar untuk memulakan aliran arus.
Arus mengalir seperti,

Bateri -> Suis -> Konduktor logam -> Ammeter -> Perintang boleh ubah -> Bateri.

Dengan arus ini mengalir melalui konduktor Logam suhunya meningkat ke tahap tertentu.
Bersentuhan dengan konduktor Logam, suhu persimpangan 'B' juga meningkat. Ini mengurangkan perbezaan suhu antara persimpangan 'A' dan persimpangan 'B'.
Kerana pengurangan perbezaan suhu, aliran arus dalam termokopel juga menurun.
Oleh kerana penyimpangan berkadar dengan arus, penyimpangan galvanometer juga menurun.
Ringkasnya, kita dapat mengatakan- Penyimpangan dalam galvanometer dapat dikurangkan dengan menyesuaikan rheostat untuk mengubah arus pada konduktor Logam.

Sekarang teruskan menyesuaikan rheostat sehingga sisihan galvanometer menjadi tidak sah sepenuhnya. Setelah ini berlaku, kita dapat memperoleh bacaan voltan dan arus dari meter dan melakukan pengiraan mudah untuk menentukan haba yang diserap oleh badan hitam. Nilai yang dikira ini dapat digunakan untuk menentukan radiasi, kerana haba yang dihasilkan oleh badan hitam berkadar langsung dengan radiasi. Nilai sinaran ini tidak lain adalah sinaran suria sinar langsung yang kita ingin mengukur sejak awal. Dengan ini, kita dapat menyimpulkan kerja Pyrheliometer.

Kerja dan Pembinaan Pyranometer

Pyranometer adalah alat yang dapat digunakan untuk mengukur radiasi sinar dan sinaran menyebar. Dengan kata lain, ia digunakan untuk mengukur total radiasi hemisfera (rasuk ditambah meresap pada permukaan mendatar). Di sini kita akan belajar mengenai prinsip kerja Pyranometer dan pembinaannya.

Peranti ini kelihatan seperti periuk UFO yang merupakan bentuk terbaik sesuai untuk tujuannya. Peranti ini lebih popular daripada yang lain dan kebanyakan data sumber solar pada masa ini diukur menggunakannya. Anda dapat melihat gambar asal dan struktur dalaman Pyranometer di bawah.

Di sinilah sinaran dari atmosfer di sekitarnya melewati kubah kaca dan jatuh ke badan hitam yang terletak di tengah instrumen. Seperti sebelumnya, suhu badan meningkat setelah menyerap semua sinaran dan kenaikan ini juga akan dialami oleh rantai Thermocouple atau modul Thermocouple yang terdapat tepat di bawah badan hitam. Oleh itu, satu bahagian modul akan menjadi panas dan yang lain akan menjadi sejuk kerana heat sink. Modul termokopel menghasilkan voltan dan ini dapat dilihat pada terminal output. Voltan ini yang diterima di terminal output berkadar langsung dengan perbezaan suhu mengikut prinsip termokopel.

Oleh kerana kita tahu bahawa perbezaan suhu berkaitan dengan radiasi yang diserap oleh badan hitam, kita dapat mengatakan voltan output berkadar linear dengan radiasi.

Sama seperti pengiraan sebelumnya, nilai jumlah radiasi dapat diperoleh dengan mudah dari nilai voltan ini. Juga dengan menggunakan bayangan dan mengikuti prosedur yang sama, kita juga dapat memperoleh sinaran meresap. Dengan nilai radiasi total dan sinaran resapan, nilai radiasi sinar juga dapat dikira. Oleh itu kita dapat mengira kedua-dua sinaran suria yang meresap dan radiasi total menggunakan Pyranometer.