כולנו יודעים שהחיים מתקיימים על פני האדמה בגלל השמש מכיוון שהם מספקים אנרגיית חום מספקת בכדי לשמור על חום כדור הארץ. אנרגיה זו מועברת על ידי השמש בצורה של קרינה אלקטרומגנטית המכונה בדרך כלל קרינת שמש. חלק מהקרינה מועילה לבני אדם ואילו קרינה אחרת מזיקה לכל החיים.
כדי להגיע לקרינת השמש אל פני כדור הארץ עליה לעבור באטמוספירה בה היא נקלטת, מפוזרת, משתקפת ומועברת, מה שמביא להפחתת צפיפות שטף האנרגיה. ירידה זו משמעותית ביותר מכיוון שאובדן של יותר מ -30% מתרחש ביום שמש וביום מעונן הוא מגיע לשיעור של 90%. כך שהקרינה המרבית שתגיע לפני האדמה דרך האטמוספירה לעולם לא תהיה גבוהה מ- 80%.
חשוב מאוד למדוד את שטף השמש, מכיוון שהוא בסיס החיים על פני כדור הארץ ומשמש לבניית מוצרים רבים, בין אם זה קשור לאלקטרוניקה, יבולים, תרופות, קוסמטיקה וכו '. במדריך זה נלמד על קרינת השמש וההשפעה שלה מדידה וילמד גם על שני מכשירי המדידה הפופולריים ביותר לאנרגיה סולארית - Pyrheliometer ו- Pyranometer.
קרינת קרן וקרינה מפוזרת
הקרינה שאנו תופסים על פני השטח היא קרינה ישירה וגם קרינה עקיפה של השמש. הקרינה שמגיעה ישירות מהשמש היא קרינה ישירה והיא נקראת קרינת קרן. הקרינה המפוזרת והמשתקפת הנשלחת אל פני האדמה מכל הכיוונים (משתקפת ממולקולות, חלקיקים, גופי בעלי חיים וכו ') היא קרינה עקיפה והיא מכונה קרינה מפוזרת. וסכום של שניהם, הקורה והקרינה המפוזרת, מוגדר כקרינה גלובלית או קרינה מוחלטת.
חשוב להבדיל בין קרינת הקורה לקרינה המפוזרת מכיוון שקרנת הקורה יכולה להיות מרוכזת ואילו הקרינה המפוזרת לא יכולה. ישנם מכשירים רבים למדידת קרינת שמש המשמשים למדידת קרינת קרן וקרינה מפוזרת.
בואו נסתכל על ספקטרום הקרינה האלקטרומגנטית בתרשים שלהלן.
בספקטרום כולו אנו רואים רק אורכי גל מקרני UV לקרני IR כדי לחשב את שטף השמש, מכיוון שרוב הגלים בתדירות הגבוהה מהשמש אינם מגיעים לפני השטח והקרינה בתדר נמוך לאחר IR אינה אמינה. אז קרינת השמש או השטף נמדדים בדרך כלל בצורה של קרני UV לקרני IR וגם המכשירים מעוצבים כך.
מכשירי מדידת קרינת שמש הם משני סוגים:
- פירליומטר
- פירנומטר
לפני שתעבור לעבודה של מכשירים אלה עליך להבין כמה מושגים המשמשים בעת תכנון המכשירים. אז בואו נבדוק את המושגים האלה.
קרינת גוף שחור
גוף שחור בדרך כלל סופג את כל הקרינות מבלי לפלוט שום דבר לאטמוספרה ומטהר את הגוף השחור יותר את הספיגה. העובדה היא כי אין גוף שחור מושלם עד כה ולכן אנו מסתפקים בשני הטובים ביותר. לאחר שהגוף השחור סופג את הקרינה הוא מתחמם מכיוון שהקרינה עצמה היא אנרגיה ולאחר הספיגה, האטומים בגוף יוצאים. גוף שחור זה משמש כמרכיב ליבה במכשירי מדידת קרינת שמש. מול הגוף השחור, גוף לבן משקף את כל הקרינה שנופלת אליו בחזרה לאווירה ולכן נרגיש נוח יותר ללבוש בגדים לבנים במהלך הקיץ.
צמד תרמי
הצמד התרמי הוא מכשיר פשוט הבנוי באמצעות שני מוליכים עשויים מחומר שונה כפי שמוצג באיור.
כאן מחברים שני חוטים ליצירת לולאה עם שני צמתים וצמתים אלה מוגדרים כ- "A" ו- "B". עכשיו מביאים נר ליד צומת A ואילו צומת B נשאר לבד. כאשר הנר נמצא בצומת A, הטמפרטורה שלו עולה במידה ניכרת בעוד צומת B נשאר קר בטמפרטורת החדר. בגלל הפרש טמפרטורה זה, מתח (פוטנציאל הפרש) מופיע בצמתים על פי ' אפקט Seebeck'. מכיוון שהמעגל סגור זרם 'אני' זורם במעגל כפי שמוצג באיור ולמדוד זרם זה נחבר מד זרם בסדרה. חשוב לזכור כי גודל הזרם 'אני' בלולאה הוא ביחס ישר להפרש הטמפרטורהבצמתים, כך שהבדלי טמפרטורה גבוהים יותר גורמים לעוצמת הזרם גבוהה יותר. אז על ידי קבלת קריאת מד זרם, אנו יכולים לחשב את הפרש הטמפרטורה בצמתים.
כעת לאחר כיסוי היסודות, הבה נבחן את בנייתם ועבודתם של מכשירי מדידת קרינת השמש.
Pyrheliometer עבודה ובנייה
Pyrheliometer הוא מכשיר המשמש למדידת קרינת קרן ישירה בשכיחות רגילה. המבנה החיצוני שלו נראה כמו צינור ארוך שמוקרן את תמונת הטלסקופ ועלינו לכוון את העדשה אל השמש כדי למדוד את הזוהר. כאן נלמד את עקרון העבודה של הפירליומטר ובנייתו.
להבנת המבנה הבסיסי של הפירליומטר, עיין בתרשים המוצג להלן.
כאן העדשה מופנית לעבר השמש והקרינה תעבור דרך העדשה, הצינור ובסוף נופלת על האובייקט השחור שנמצא בתחתית. כעת אם נשרטט מחדש את כל המבנה הפנימי והמעגל בצורה פשוטה יותר זה ייראה בערך למטה.
במעגל ניתן לראות כי הגוף השחור סופג את הקרינה הנופלת מהעדשה וכפי שנדון קודם גוף שחור מושלם סופג לחלוטין כל קרינה שנופלת עליו, כך שהקרינה הנופלת לצינור נקלטת לגמרי על ידי האובייקט השחור. ברגע שהקרינה נספגת האטומים בגוף מתרגשים בגלל הטמפרטורה הגוברת של כל הגוף. עליית טמפרטורה זו תחווה גם על ידי צומת הצמד התרמי 'A'. כעת עם צומת 'A' של הצמד התרמי בטמפרטורה גבוהה וצומת 'B' בטמפרטורה נמוכה, זרימת זרם מתרחשת בלולאה שלו כפי שנדון בעקרון העבודה של הצמד התרמי. זרם זה בלולאה יזרום גם דרך הגלוונומטר שנמצא בסדרה ובכך גורם לסטייה בו. זֶהסטייה פרופורציונאלית לזרם, שבתורו פרופורציונאלית להפרש הטמפרטורה בצמתים.
סטייה ∝ זרם בלולאה ∝ הפרש טמפרטורה בצמתים.
כעת ננסה לבטל סטייה זו בגלוונומטר בעזרת המעגל. התהליך השלם לביטול הסטייה מוסבר שלב אחר שלב להלן.
- ראשית, סגור את המתג במעגל להפעלת זרימת הזרם.
- הזרם זורם כמו,
סוללה -> מתג -> מוליך מתכת -> מד זרם -> נגד משתנה -> סוללה.
- עם זרם זה הזורם דרך מוליך המתכת הטמפרטורה שלו עולה במידה מסוימת.
- להיות במגע עם מוליך המתכת, טמפרטורת הצומת 'B' עולה גם היא. זה מקטין את הפרש הטמפרטורה בין הצומת 'A' לצומת 'B'.
- בגלל הפחתת הפרש הטמפרטורות, זרימת הזרם הנוכחי בצמד התרמי פוחתת גם כן.
- מכיוון שהסטייה פרופורציונאלית לזרם גם סטיית הגלוונומטר פוחתת.
- לסיכום, אנו יכולים לומר - ניתן להפחית את הסטייה בגלוונומטר על ידי כוונון הריאוסטט כדי לשנות את הזרם במוליך המתכת.
כעת המשך להתאים את הריאוסטט עד שסטיית הגלוונומטר תבטל לחלוטין. ברגע שזה קורה נוכל להשיג קריאות מתח וזרם מהמטרים ולעשות חישוב פשוט כדי לקבוע את החום שנקלט בגוף השחור. ניתן להשתמש בערך מחושב זה לקביעת הקרינה, מכיוון שחום שנוצר על ידי הגוף השחור פרופורציונלי ישירות לקרינה. ערך קרינה זה אינו אחר מקרינת שמש קרן ישירה אותה אנו רוצים למדוד כבר מההתחלה. ובכך נוכל לסיים את עבודתו של הפירליומטר.
פירנומטר עבודה ובנייה
פירנומטר הוא מכשיר שניתן להשתמש בו כדי למדוד גם קרינת קרן וגם קרינה מפוזרת. במילים אחרות, הוא משמש למדידת קרינה חצי כדורית מוחלטת (קרן פלוס מפוזרת על משטח אופקי). כאן נלמד על עקרון העבודה של פירנומטר ובנייתו.
המכשיר נראה כמו צלחת עב"מים שהיא הצורה הטובה ביותר המתאימה למטרתה. מכשיר זה פופולרי יותר מהאחרים ורוב נתוני משאבי השמש בימינו נמדדים באמצעותו. אתה יכול לראות את התמונה המקורית ואת המבנה הפנימי של הפירנומטר למטה.
</s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s> </s>
כאן הקרינה מהאווירה הסובבת עוברת דרך כיפת הזכוכית ונופלת על הגוף השחור שנמצא במרכז הכלי. כמו בעבר, טמפרטורת הגוף עולה לאחר ספיגת כל הקרינה ועלייה זו תחווה גם על ידי שרשרת הצמד התרמי או מודול הצמד התרמי הנמצא ישירות מתחת לגוף השחור. כך שהצד האחד של המודול יהיה חם ואחר יהיה קר בגלל גוף הקירור. מודול הצמד התרמי מייצר מתח וניתן לראות זאת במסופי הפלט. מתח זה המתקבל במסופי היציאה הוא ביחס ישר להפרש הטמפרטורה על פי העיקרון של צמד תרמי.
מכיוון שאנו יודעים שהפרש הטמפרטורה קשור לקרינה הנספגת בגוף השחור, אנו יכולים לומר שמתח המוצא פרופורציונלי ליניארי לקרינה.
בדומה לחישוב הקודם, ניתן להשיג בקלות מערך מתח זה את ערך הקרינה הכוללת. גם על ידי שימוש בצל ובאותו הליך זהה, אנו יכולים גם להשיג את הקרינה המפוזרת. עם קרינה כוללת וערך קרינה מפוזר, ניתן לחשב גם ערך קרינת קרן. מכאן שנוכל לחשב גם קרינת שמש מפוזרת וגם קרינה כוללת באמצעות פירנומטר.