Metodi di misurazione della radiazione solare mediante pireliometro e piranometro

Sappiamo tutti che la vita è sostenuta sulla terra grazie al sole in quanto fornisce energia termica sufficiente per mantenere la terra calda. Questa energia viene fornita dal sole sotto forma di radiazione elettromagnetica che viene solitamente chiamata radiazione solare. Alcune delle radiazioni sono benefiche per l'uomo, mentre un'altra è dannosa per tutta la vita.

Per raggiungere la radiazione solare sulla superficie terrestre deve passare attraverso l'atmosfera dove viene assorbita, dispersa, riflessa e trasmessa, il che si traduce nella riduzione della densità del flusso energetico. Questa riduzione è molto significativa in quanto la perdita di oltre il 30% si verifica in una giornata di sole e in una giornata nuvolosa arriva fino al 90%. Quindi la massima radiazione che raggiunge la superficie terrestre attraverso l'atmosfera non sarà mai superiore all'80%.

Il flusso solare è molto importante da misurare, poiché è la base della vita sulla terra e viene utilizzato nella costruzione di molti prodotti sia che si tratti di elettronica, colture, medicinali, cosmetici, ecc. In questo tutorial impareremo a conoscere la radiazione solare e la sua misurazione e imparerai anche a conoscere i due strumenti di misurazione dell'energia solare più popolari: pireliometro e piranometro.

Radiazione del fascio e radiazione diffusa

La radiazione che percepiamo sulla superficie è sia radiazione diretta che radiazione indiretta del sole. La radiazione che proviene direttamente dal sole è una radiazione diretta e si chiama radiazione del fascio. La radiazione diffusa e riflessa che viene inviata sulla superficie terrestre da tutte le direzioni (riflessa da molecole, particelle, corpi animali, ecc.) È una radiazione indiretta e viene chiamata radiazione diffusa. E la somma di entrambi, il fascio e la radiazione diffusa, è definita come radiazione globale o radiazione totale.

È importante distinguere tra la radiazione del fascio e la radiazione diffusa perché la radiazione del fascio può essere concentrata mentre la radiazione diffusa no. Esistono molti strumenti di misurazione della radiazione solare che vengono utilizzati per misurare la radiazione del fascio e la radiazione diffusa.

Diamo ora uno sguardo allo spettro della radiazione elettromagnetica nel diagramma sottostante.

Nell'intero spettro, consideriamo solo le lunghezze d'onda dai raggi UV ai raggi IR per calcolare il flusso solare, perché la maggior parte delle onde ad alta frequenza dal sole non raggiunge la superficie e la radiazione a bassa frequenza dopo IR non è affidabile. Quindi la radiazione solare o flusso viene solitamente misurata dai raggi UV ai raggi IR e anche gli strumenti sono progettati in questo modo.

Gli strumenti di misura della radiazione solare sono di due tipi:

1. Pireliometro
2. Piranometro

Prima di entrare nel funzionamento di questi strumenti è necessario comprendere un paio di concetti che vengono utilizzati durante la progettazione dei dispositivi. Quindi ora esaminiamo questi concetti.

Radiazione del corpo nero

Un corpo nero di solito assorbe tutte le radiazioni senza emettere nulla nell'atmosfera e più puro il corpo nero più perfetto l'assorbimento. Il fatto è che fino ad ora non è presente un corpo nero perfetto, quindi di solito ci accontentiamo del secondo migliore. Dopo che il corpo nero ha assorbito la radiazione, si riscalda poiché la radiazione stessa è energia e dopo l'assorbimento, gli atomi nel corpo vengono emessi. Questo corpo nero è utilizzato come componente centrale negli strumenti di misura della radiazione solare. Di fronte al corpo nero, un corpo bianco riflette nell'atmosfera tutte le radiazioni che cadono su di esso, ecco perché ci sentiremo più a nostro agio indossando abiti bianchi durante l'estate.

Termocoppia

La termocoppia è un semplice dispositivo costruito utilizzando due conduttori di materiale diverso come mostrato in figura.

Qui due fili sono collegati per formare un anello con due giunzioni e queste giunzioni sono designate come "A" e "B". Ora una candela viene portata vicino all'incrocio "A" mentre lo svincolo "B" viene lasciato solo. Con la candela presente nella giunzione "A" la sua temperatura aumenta notevolmente mentre la giunzione B rimane fredda a temperatura ambiente. A causa di questa differenza di temperatura, alle giunzioni appare una tensione (differenza di potenziale) secondo l ' "effetto Seebeck". Poiché il circuito è chiuso, una corrente "I" scorre attraverso il circuito come mostrato in figura e per misurare questa corrente collegheremo un amperometro in serie. È importante ricordare che l' ampiezza della corrente "I" nel circuito è direttamente proporzionale alla differenza di temperaturaalle giunzioni, quindi differenze di temperatura più elevate si traducono in una maggiore intensità della corrente. Quindi, ottenendo la lettura dell'amperometro, possiamo calcolare la differenza di temperatura alle giunzioni.

Ora, dopo aver trattato le basi, esaminiamo la costruzione e il funzionamento degli strumenti di misurazione della radiazione solare.

Pireliometro lavoro e costruzione

Il pireliometro è un dispositivo utilizzato per misurare la radiazione a fascio diretto con incidenza normale. La sua struttura esterna sembra un lungo tubo che proietta l'immagine di un telescopio e dobbiamo puntare la lente verso il sole per misurare la radianza. Qui impareremo il principio di funzionamento del pireliometro e la sua costruzione.

Per comprendere la struttura di base del pireliometro, guarda il diagramma mostrato di seguito.

Qui la lente è puntata verso il sole e la radiazione passerà attraverso la lente, il tubo e alla fine cade sull'oggetto nero presente in basso. Ora, se ridisegniamo l'intera struttura interna e il circuito in un modo più semplice, apparirà qualcosa come sotto.

Nel circuito, si può vedere che il corpo nero assorbe la radiazione che cade dalla lente e come discusso in precedenza un corpo nero perfetto assorbe completamente qualsiasi radiazione che cade su di esso, quindi la radiazione che cade nel tubo viene assorbita completamente dall'oggetto nero. Una volta che la radiazione viene assorbita, gli atomi nel corpo si eccitano a causa dell'aumento della temperatura dell'intero corpo. Questo aumento di temperatura sarà anche sperimentato dalla giunzione "A" della termocoppia. Ora, con la giunzione "A" della termocoppia ad alta temperatura e la giunzione "B" a bassa temperatura, avviene un flusso di corrente nel suo anello come discusso nel principio di funzionamento della termocoppia. Questa corrente nel circuito fluirà anche attraverso il galvanometro che è in serie e quindi causerà una deviazione in esso. Questola deviazione è proporzionale alla corrente, che a sua volta è proporzionale alla differenza di temperatura alle giunzioni.

Deviazione ∝ Corrente nel loop ∝ Differenza di temperatura alle giunzioni.

Ora proveremo ad annullare questa deviazione nel galvanometro con l'aiuto del circuito. Il processo completo per annullare la deviazione è spiegato passo dopo passo di seguito.

• Innanzitutto, chiudere l'interruttore nel circuito per avviare il flusso di corrente.
• La corrente scorre come,

Batteria -> Interruttore -> Conduttore metallico -> Amperometro -> Resistenza variabile -> Batteria.

• Con questa corrente che scorre attraverso il conduttore di metallo, la sua temperatura aumenta fino a un certo grado.
• Essendo a contatto con il conduttore metallico aumenta anche la temperatura della giunzione "B". Ciò riduce la differenza di temperatura tra la giunzione "A" e la giunzione "B".
• A causa della riduzione della differenza di temperatura, diminuisce anche il flusso di corrente nella termocoppia.
• Poiché la deviazione è proporzionale alla corrente, diminuisce anche la deviazione del galvanometro.
• In sintesi, possiamo dire: la deviazione nel galvanometro può essere ridotta regolando il reostato per modificare la corrente nel conduttore di metallo.

Ora continua a regolare il reostato fino a quando la deviazione del galvanometro diventa completamente nulla. Una volta che ciò accade, possiamo ottenere letture di tensione e corrente dai contatori e fare un semplice calcolo per determinare il calore assorbito dal corpo nero. Questo valore calcolato può essere utilizzato per determinare la radiazione, poiché il calore generato dal corpo nero è direttamente proporzionale alla radiazione. Questo valore di radiazione non è altro che la radiazione solare a fascio diretto che si desidera misurare dall'inizio. E con questo possiamo concludere il funzionamento del Pireliometro.

Lavorazione e costruzione del piranometro

Il piranometro è un dispositivo che può essere utilizzato per misurare sia la radiazione del fascio che la radiazione diffusa. In altre parole, viene utilizzato per misurare la radiazione emisferica totale (fascio più diffuso su una superficie orizzontale). Qui impareremo il principio di funzionamento del piranometro e la sua costruzione.

Il dispositivo sembra un piattino UFO che è la forma più adatta al suo scopo. Questo dispositivo è più popolare degli altri e la maggior parte dei dati sulle risorse solari oggigiorno viene misurata utilizzando esso. Di seguito è possibile vedere l'immagine originale e la struttura interna del Piranometro.

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Qui la radiazione proveniente dall'atmosfera circostante passa attraverso la cupola di vetro e cade sul corpo nero situato al centro dello strumento. Come prima, la temperatura del corpo aumenta dopo aver assorbito tutta la radiazione e questo aumento sarà sperimentato anche dalla catena della termocoppia o dal modulo della termocoppia presente direttamente sotto il corpo nero. Quindi un lato del modulo sarà caldo e un altro sarà freddo a causa del dissipatore di calore. Il modulo termocoppia genera una tensione e questa può essere vista sui terminali di uscita. Questa tensione ricevuta ai terminali di uscita è direttamente proporzionale alla differenza di temperatura secondo il principio di una termocoppia.

Poiché sappiamo che la differenza di temperatura è correlata alla radiazione assorbita dal corpo nero, possiamo dire che la tensione di uscita è linearmente proporzionale alla radiazione.

Analogamente al calcolo precedente, il valore della radiazione totale può essere facilmente ottenuto da questo valore di tensione. Sempre utilizzando l'ombra e seguendo lo stesso procedimento si ottiene anche la radiazione diffusa. Con il valore della radiazione totale e della radiazione diffusa, è anche possibile calcolare il valore della radiazione del fascio. Quindi possiamo calcolare sia la radiazione solare diffusa che la radiazione totale utilizzando il piranometro.