Как работают пиранометры | Сравнение термобатареи и солнечной батареи

Как работают пиранометры | Сравнение термобатареи и солнечной батареи

 

Говорят, что Солнце светит на праведных — и если вы хотите точно знать, насколько вы праведны, вам лучше вложиться в
пиранометр ! Широко используемые учеными, изучающими погоду и климат, эти
странные на вид приборы измеряют количество солнечного света
, падающего на поверхность Земли в определенном месте и в определенное время. Как они работают
? Давайте рассмотрим их поближе!

Фото: восход солнца через стеклянный купол пиранометра.
Фото Стива Уилкокса предоставлено Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемой энергии (US DOE/NREL).

Что такое пиранометр и для чего он нужен?

 

Фото: Солнечный свет все время меняется, от своего теоретического минимума на восходе (как здесь) и закате до своего теоретического максимума в полдень. Но как можно измерить его точнее?

Если вам не повезло жить в тропическом раю, вы, вероятно, видите
Солнце гораздо меньше, чем вам хотелось бы. Земля вращается вокруг Солнца и в то
же время вращается вокруг наклонной оси, поэтому мы получаем изменения в
солнечном свете по всей планете каждый час дня и каждый день года
. Это, по сути, то, что дает нам наши времена года и климат.

Теперь предположим, что у вас есть работа по сравнению того, сколько солнечного света
получают разные места. Как бы вы это сделали? Вы можете
целый день валяться на солнце в разных местах и ​​смотреть, насколько вы загораете
, но если вы не наносите обильное количество солнцезащитного крема, это будет
очень опасно — и это не совсем научно! А как насчет того,
чтобы прикрепить небольшую солнечную панель к счетчику электроэнергии? Вы можете
возить панель с собой по всему миру, измерять, сколько
электроэнергии она вырабатывает в каждом месте, и использовать это для сравнения количества
солнечного света.

 

Грубо говоря, это то, что
делают пиранометры, хотя они работают гораздо точнее и научнее.
Они измеряют солнечную радиацию, падающую на горизонтальную
поверхность в ваттах (количество энергии, получаемое каждую секунду) на
квадратный метр. Технически это известно как инсоляция .

 

Диаграмма: Как инсоляция меняется в разное время суток в течение года. Очевидно, что больше всего солнечного света
летом (красный) и меньше всего зимой (серый), а умеренное количество осенью и весной. Общая солнечная энергия (площадь под кривыми) намного больше летом, как потому, что дни длиннее, так и потому, что солнце «выше» в небе (инсоляция больше).

Солнечный свет может выглядеть желтым, но на самом деле он состоит из очень широкого спектра
электромагнитного излучения, длина волны которого варьируется от примерно 280
нанометров (нм, что составляет миллиардные доли метра) до примерно 4000 нанометров. Это включает в себя как видимый
«белый свет» (знакомый радужный спектр от красного и оранжевого
до синего и фиолетового), так и невидимое электромагнитное
излучение, включая ультрафиолетовое (УФ) и инфракрасное (ИК). Хотя
наши глаза не могут видеть большую часть этого света, пиранометры делают все возможное, чтобы
обнаружить как можно больше, потому что все это считается солнечным светом.

Вот, что нам удалось найти по Вашему запросу:  Откажитесь от лапши и приготовьте лазанью из батата

Фото: Важно помнить, что солнечный свет содержит спектр различных длин волн света, включая те, которые мы не можем видеть. Разные пиранометры могут давать очень разные результаты, поскольку они измеряют разные части спектра. В то время как хорошие термобатарейные пиранометры измеряют практически весь спектр, пиранометры на основе чипов измеряют гораздо более узкий диапазон длин волн.

Если вы хорошо знаете греческий, вы знаете, что pyr означает
огонь, ano указывает на что-то наверху, а meter
предполагает измерение, поэтому пиранометр измеряет «огонь сверху
» — другими словами, солнечный свет. В широком смысле, есть два
разных вида пиранометров. Хотя они выполняют одну и ту же работу, они работают
совершенно по-разному. Пиранометры термобатарейного типа измеряют солнечный свет по теплу, которое он вырабатывает; пиранометры чипового типа
измеряют солнечный свет по электричеству, которое он вырабатывает.

 

Термобатарейные пиранометры

Самые лучшие пиранометры описываются как лабораторные, исследовательские, референтные, вторичные
стандартные (ISO) или высококачественные (WMO). Чуть менее качественные приборы описываются как приборы первого класса (ISO) или
хорошего качества (WMO), а второй класс (ISO) является следующим лучшим классом.

Типичный пиранометр лабораторного класса по сути представляет собой просто термобатарею (набор термопар
, в лучших приборах их может быть 50–100), установленную на
черном углеродном диске, который вырабатывает электричество в зависимости от того, насколько
он нагревается (сколько солнечного излучения на него падает).

Однако это еще не все! Ученые —
серьезные люди, которым нравится быть уверенными, что когда они что-то измеряют,
другие вещи не помешают и не испортят их данные. Поэтому
пиранометры обладают некоторыми дополнительными функциями. Наиболее заметной из них является
купол, сделанный из одного или двух слоев шлифованного и полированного оптического стекла
или акрилового пластика, покрывающий термобатарею, что исключает
движение воздуха и грязь, которые могут повлиять на измерения (изогнутая
внешняя поверхность также гарантирует быстрое падение любых капель дождя). Небольшой
сменный картридж с силикагелем (или другим осушителем) внутри
пиранометра поглощает любую росу. Поскольку пиранометр обычно находится снаружи в
открытом положении, его корпус должен быть изготовлен из чего-то вроде
закаленного, устойчивого к ржавчине анодированного алюминия. Обычно есть
встроенный спиртовой уровень, чтобы вы могли быть уверены, что ваш пиранометр ровный
(хотя некоторые предназначены также для использования на наклонных поверхностях).

Вот, что нам удалось найти по Вашему запросу:  Как работают клапаны | Типы клапанов

 

Фото: Пиранометр спокойно выполняет свою работу, измеряя солнечное излучение. Обратите внимание на двойное стекло в куполе и водонепроницаемый кабель, выходящий сбоку, который передает электрические сигналы, соответствующие силе солнечного излучения, на компьютер. Фото Стива Уилкокса предоставлено Министерством энергетики США/Национальной лабораторией возобновляемой энергии (US DOE/NREL).

Когда солнечный свет падает на пиранометр, термобатарея
выдает пропорциональный ответ обычно за 30 секунд или
меньше: чем больше солнечного света, тем горячее становится датчик и тем больше
электрический ток он генерирует. Термобатарея спроектирована так, чтобы быть
точно линейной (поэтому удвоение солнечного излучения производит вдвое больше
тока), а также имеет направленный ответ: она выдает
максимальный выход, когда Солнце находится прямо над головой (в полдень), и нулевой
выход, когда Солнце находится на горизонте (на рассвете или в сумерках). Это называется
косинусным ответом, потому что электрический сигнал от пиранометра изменяется в зависимости от
косинуса
угла между солнечными лучами и вертикалью.

 

Фото: Дом восходящего солнца: ряд пиранометров измеряет медленно растущую инсоляцию.
Фото Тома Стеффеля, Министерство энергетики США/Национальная лаборатория возобновляемой энергии (US DOE/NREL), image#18059.

Пиранометры на солнечных батареях

На фото: для измерения солнечного излучения можно использовать небольшие фотоэлектрические солнечные элементы, подобные этим.

Не все пиранометры используют термобатареи. Вы также можете получить менее сложные (и значительно более дешевые) пиранометры на солнечных батареях , основанные на светочувствительных полупроводниковых чипах, которые дают более приблизительные измерения. Лучшие пиранометры на термобатареях разработаны так, чтобы реагировать более или менее одинаково на значительную полосу длин волн входящего света (иногда это описывается как плоская реакция на длину волны). Меньшие пиранометры на основе чипов этого не делают. Их главный недостаток заключается в том, что
они не реагируют линейно на широкую полосу солнечного излучения, а
только на ограниченный диапазон длин волн; поэтому, в то время как высококачественный
пиранометр может измерять длины волн от 280 до 2800 нанометров,
версия на солнечных батареях может реагировать на длины волн в гораздо
более узкой полосе от 300 до 1100 нанометров (с пиком в инфракрасной области около 800-1100 нм). Но если вы не проводите
действительно подробные измерения в лаборатории, этого может быть вполне достаточно для ваших нужд.

Не хотите читать наши статьи? Попробуйте вместо этого послушать

Если вы предпочитаете слушать наши статьи, а не читать их, подпишитесь на наш новый подкаст
на Apple Podcasts,
Spotify,
Amazon,
Podchaser
или в вашем любимом приложении для подкастов или слушайте ниже:

 

Узнать больше

На этом сайте

  • Электромагнитный спектр
  • Гигрометры
  • Свет
  • Солнечные батареи
  • Термометры

На других сайтах

  • Измерение солнечного света на поверхности Земли: создайте свой собственный пиранометр: нет ничего лучше, чем провести несколько экспериментов, чтобы понять научную сторону
    вещей. Это отличное занятие, которое вы можете попробовать у солнечного ученого доктора Дэвида Брукса, чей
    веб-сайт Института исследований и образования в области наук о Земле является кладезем
    увлекательной информации об измерениях солнечного света и их использовании в климатологии и метеорологии. См. также его замечательную маленькую книгу ниже.
  • Фотоэлектрическая географическая информационная система (PVGIS): Как меняется солнечный свет по всей Европе? Этот веб-сайт предоставляет вам сравнительные картографические данные.
  • Министерство энергетики США: Управление технологий солнечной энергетики: передовые исследования в области солнечной энергетики, спонсируемые правительством США.
Вот, что нам удалось найти по Вашему запросу:  Жареная зеленая фасоль в бальзамическом соусе «Пармезан»

Книги

  • Измерения солнечного и инфракрасного излучения Фрэнка Виньолы, Джозефа Михальски и Томаса Штоффеля. CRC Press, 2019. Широкое введение, включающее интересную историю солнечных измерений (с древних времен до наших дней); всесторонний обзор пиранометров, радиометров и подобных приборов; и руководство по настройке полной станции солнечного мониторинга. Подходит как в качестве общего введения, так и в качестве технического справочника.
  • Солнечное излучение: практическое моделирование для приложений возобновляемой энергии, Дэрил Майерс. CRC Press, 2013. Руководство по измерению и моделированию солнечного света, написанное бывшим ученым-солнцеведом из NREL.
  • «Приводим Солнце на Землю: проектирование недорогих приборов для мониторинга атмосферы» Дэвида Р. Брукса. Springer, 2010. Прекрасное введение в науку о том, как Солнце взаимодействует с атмосферой Земли, а также подробные сведения о том, как проводить солнечные измерения, и о некоторых простых измерительных приборах, которые вы можете изготовить самостоятельно.
  • Модели солнечной радиации и дневного света Тарика Мунира. Elsevier Butterworth Heinemann, 2004. Руководство по использованию измерений солнечной радиации в таких областях, как проектирование зданий.

Статьи

  • Регистратор солнечного сияния: построен за полтора доллара Эдвином М. Лавом, Popular Science, август 1935 г. Это увлекательное занятие из архивов Popular Science покажет вам, как превратить старые механические часы в измеритель солнечного сияния.

Видео

  • Самодельный измеритель солнечной радиации (интенсивности солнечного света) на базе Arduino UNO: как сделать простой пиранометр с датчиком солнечной батареи и Arduino. (~9 минут)
  • Измерение солнечного света: более длинное и подробное введение от энтузиаста солнечной энергии Джона Канивена. Посмотрите, как Джон делает свой собственный базовый пиранометр из повседневных мелочей и деталей. (14 минут).
  • Канал kippzonen на YouTube: Kipp & Zonen (производители пиранометров) выложили немало хороших видеороликов, объясняющих, как использовать их пиранометры для измерения параметров солнечных электростанций.

Другие полезные ресурсы

  • [PDF] Концентрация солнечной энергии: Справочник по передовому опыту сбора
    и использования данных о солнечных ресурсах Тома Стоффеля и др., Технический отчет NREL, 2010 г. Это превосходное техническое руководство включает «Главу 3: Измерение солнечной радиации», в которой рассматриваются пиранометры и связанные с ними приборы.

Переведено в образовательных целях — источник: www.explainthatstuff.com

Ссылка на основную публикацию