طرق قياس الإشعاع الشمسي باستخدام مقياس الحرارة ومقياس الحرارة

نعلم جميعًا أن الحياة تستمر على الأرض بسبب الشمس لأنها توفر طاقة حرارية كافية للحفاظ على دفء الأرض. يتم توصيل هذه الطاقة عن طريق الشمس في شكل إشعاع كهرومغناطيسي يسمى عادة الإشعاع الشمسي. بعض الإشعاع مفيد للبشر بينما الإشعاع الآخر ضار بكل أشكال الحياة.

للوصول إلى الإشعاع الشمسي إلى سطح الأرض ، يجب أن يمر عبر الغلاف الجوي حيث يتم امتصاصه وتناثره وانعكاسه ونقله مما يؤدي إلى تقليل كثافة تدفق الطاقة. هذا الانخفاض مهم للغاية حيث تحدث خسارة أكثر من 30٪ في يوم مشمس وفي يوم غائم ترتفع إلى 90٪. لذا فإن الحد الأقصى للإشعاع الذي يصل إلى سطح الأرض عبر الغلاف الجوي لن يزيد أبدًا عن 80٪.

قياس التدفق الشمسي مهم جدًا ، فهو أساس الحياة على الأرض ويستخدم في بناء العديد من المنتجات سواء كانت متعلقة بالإلكترونيات أو المحاصيل أو الأدوية أو مستحضرات التجميل ، إلخ. في هذا البرنامج التعليمي ، سنتعرف على الإشعاع الشمسي وما له من القياس وسيتعرف أيضًا على أكثر أدوات قياس الطاقة الشمسية شيوعًا - مقياس الحرارة ومقياس الحرارة.

إشعاع الحزمة والإشعاع المنتشر

الإشعاع الذي نلاحظه على السطح هو إشعاع مباشر وإشعاع غير مباشر للشمس. الإشعاع الذي يأتي مباشرة من الشمس هو إشعاع مباشر ويسمى إشعاع الحزمة. إن الإشعاع المتناثر والمنعكس الذي يتم إرساله إلى سطح الأرض من جميع الاتجاهات (ينعكس من الجزيئات والجسيمات والأجسام الحيوانية ، إلخ) هو إشعاع غير مباشر ويسمى الإشعاع المنتشر. ويتم تعريف مجموع كل من الحزمة والإشعاع المنتشر على أنه الإشعاع العالمي أو الإشعاع الكلي.

من المهم التفريق بين إشعاع الحزمة والإشعاع المنتشر لأن إشعاع الحزمة يمكن أن يتركز بينما لا يمكن للإشعاع المنتشر. هناك العديد من أدوات قياس الإشعاع الشمسي التي تُستخدم لقياس إشعاع الحزمة والإشعاع المنتشر.

الآن دعونا نلقي نظرة على طيف الإشعاع الكهرومغناطيسي في الرسم البياني أدناه.

في الطيف بأكمله ، نحن فقط نأخذ في الاعتبار الأطوال الموجية من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء لحساب التدفق الشمسي ، لأن معظم الموجات عالية التردد من الشمس لا تصل إلى السطح والإشعاع منخفض التردد بعد الأشعة تحت الحمراء غير موثوق به. لذلك عادةً ما يتم قياس الإشعاع الشمسي أو التدفق من الأشعة فوق البنفسجية إلى الأشعة تحت الحمراء ويتم تصميم الأدوات أيضًا على هذا النحو.

أجهزة قياس الإشعاع الشمسي من نوعين:

1. مقياس الحرارة
2. مقياس حرارة

قبل الشروع في تشغيل هذه الأدوات ، تحتاج إلى فهم بعض المفاهيم المستخدمة أثناء تصميم الأجهزة. الآن دعونا ننظر في هذه المفاهيم.

إشعاع الجسم الأسود

عادة ما يمتص الجسم الأسود جميع الإشعاعات دون أن ينبعث منها أي شيء مرة أخرى في الغلاف الجوي وينقي الجسم الأسود بشكل مثالي الامتصاص. الحقيقة هي أنه لا يوجد جسم أسود مثالي حاضر حتى الآن ، لذلك نحن عادة نستقر على ثاني أفضل الجسم. بعد أن يمتص الجسم الأسود الإشعاع ، يسخن لأن الإشعاع نفسه هو طاقة ، وبعد الامتصاص تخرج الذرات في الجسم. يستخدم هذا الجسم الأسود كمكون أساسي في أجهزة قياس إشعاع الشمس. مقابل الجسم الأسود ، يعكس الجسم الأبيض كل الإشعاع الذي يسقط عليه ويعود إلى الغلاف الجوي ، ولهذا نشعر براحة أكبر عند ارتداء الملابس البيضاء خلال فصل الصيف.

الحرارية

المزدوجة الحرارية هي جهاز بسيط تم إنشاؤه باستخدام موصلين مصنوعين من مادة مختلفة كما هو موضح في الشكل.

هنا يتم توصيل سلكين لتشكيل حلقة مع تقاطعين ويتم تحديد هذه الوصلات على أنها "أ" و "ب". الآن يتم إحضار شمعة بالقرب من التقاطع "أ" بينما يُترك التقاطع "ب" بمفرده. مع وجود الشمعة عند تقاطع "أ" ترتفع درجة حرارتها بشكل كبير بينما يظل التقاطع B باردًا في درجة حرارة الغرفة. بسبب هذا الاختلاف في درجة الحرارة ، يظهر جهد (فرق الجهد) عند التقاطعات وفقًا لـ " تأثير سيبيك". نظرًا لأن الدائرة مغلقة ، يتدفق التيار "I" عبر الدائرة كما هو موضح في الشكل ولقياس هذا التيار ، سنقوم بتوصيل مقياس التيار الكهربائي في سلسلة. من المهم أن نتذكر أن مقدار التيار "I" في الحلقة يتناسب طرديًا مع اختلاف درجة الحرارةعند التقاطعات ، تؤدي الاختلافات في درجات الحرارة المرتفعة إلى زيادة مقدار التيار. لذلك من خلال الحصول على قراءة مقياس التيار ، يمكننا حساب فرق درجة الحرارة عند التقاطعات.

الآن بعد تغطية الأساسيات ، دعونا ننظر في إنشاء وتشغيل أجهزة قياس الإشعاع الشمسي.

العمل والبناء مقياس الحرارة

مقياس الحرارة هو جهاز يستخدم لقياس إشعاع الحزمة المباشر عند الوقوع العادي. يشبه هيكلها الخارجي أنبوبًا طويلًا يعرض صورة التلسكوب وعلينا توجيه العدسة إلى الشمس لقياس الإشعاع. هنا سوف نتعلم مبدأ عمل مقياس درجة الحرارة وبنائه.

لفهم الهيكل الأساسي لمقياس الحرارة ، انظر إلى الرسم البياني الموضح أدناه.

هنا يتم توجيه العدسة نحو الشمس وسوف يمر الإشعاع من خلال العدسة والأنبوب وفي النهاية يسقط على الجسم الأسود الموجود في الأسفل. الآن إذا أعدنا رسم الهيكل الداخلي والدائرة بالكامل بطريقة أبسط ، فسيبدو الأمر كما يلي.

في الدائرة ، يمكن ملاحظة أن الجسم الأسود يمتص الإشعاع المتساقط من العدسة وكما ناقشنا سابقًا ، يمتص الجسم الأسود المثالي تمامًا أي إشعاع يسقط عليه ، وبالتالي يمتص الجسم الأسود تمامًا الإشعاع الذي يسقط في الأنبوب. بمجرد أن يمتص الإشعاع الذرات في الجسم تتحمس بسبب ارتفاع درجة حرارة الجسم كله. ستواجه هذه الزيادة في درجة الحرارة أيضًا تقاطع المزدوج الحراري "أ". الآن مع تقاطع "أ" للمزدوج الحراري عند درجة حرارة عالية والتقاطع "ب" عند درجة حرارة منخفضة ، يحدث تدفق تيار في حلقته كما تمت مناقشته في مبدأ عمل المزدوج الحراري. سوف يتدفق هذا التيار في الحلقة أيضًا عبر الجلفانومتر المتسلسل وبالتالي يتسبب في حدوث انحراف فيه. هذهيتناسب الانحراف مع التيار ، والذي يتناسب بدوره مع اختلاف درجة الحرارة عند التقاطعات.

الانحراف ∝ التيار في الحلقة ∝ فرق درجة الحرارة عند التقاطعات.

الآن سنحاول إبطال هذا الانحراف في الجلفانومتر بمساعدة الدائرة. يتم شرح العملية الكاملة لإلغاء الانحراف خطوة بخطوة أدناه.

• أولاً ، أغلق المفتاح في الدائرة لبدء التدفق الحالي.
• يتدفق التيار مثل ،

البطارية -> التبديل -> موصل معدني -> مقياس التيار -> المقاوم المتغير -> البطارية.

• مع هذا التيار المتدفق عبر الموصل المعدني ترتفع درجة حرارته إلى درجة معينة.
• عند ملامسة الموصل المعدني ، ترتفع درجة حرارة الوصلة "ب" أيضًا. هذا يقلل من فرق درجة الحرارة بين التقاطع "أ" والتقاطع "ب".
• بسبب انخفاض فرق درجة الحرارة ، ينخفض ​​أيضًا تدفق التيار في المزدوج الحراري.
• نظرًا لأن الانحراف يتناسب مع التيار ، ينخفض ​​أيضًا انحراف الجلفانومتر.
• باختصار ، يمكننا القول- يمكن تقليل الانحراف في الجلفانومتر عن طريق ضبط مقاومة متغيرة لتغيير التيار في الموصل المعدني.

استمر الآن في ضبط مقاومة الريوستات حتى يصبح انحراف الجلفانومتر باطلاً تمامًا. بمجرد حدوث ذلك ، يمكننا الحصول على قراءات الجهد والتيار من العدادات وإجراء عملية حسابية بسيطة لتحديد الحرارة التي يمتصها الجسم الأسود. يمكن استخدام هذه القيمة المحسوبة لتحديد الإشعاع ، لأن الحرارة المتولدة من الجسم الأسود تتناسب طرديًا مع الإشعاع. قيمة الإشعاع هذه ليست سوى أشعة الشمس المباشرة التي نرغب في قياسها من البداية. وبهذا ، يمكننا إنهاء عمل مقياس الحرارة.

العمل البيرانومتر والبناء

Pyranometer هو جهاز يمكن استخدامه لقياس كل من إشعاع الحزمة والإشعاع المنتشر. بمعنى آخر ، يتم استخدامه لقياس إجمالي الإشعاع نصف كروي (الحزمة زائد منتشر على سطح أفقي). هنا سوف نتعرف على مبدأ عمل Pyranometer وبنائه.

الجهاز يشبه صحن UFO وهو أفضل شكل مناسب لغرضه. يعتبر هذا الجهاز أكثر شيوعًا من الأجهزة الأخرى ويتم قياس معظم بيانات الموارد الشمسية في الوقت الحاضر باستخدامه. يمكنك رؤية الصورة الأصلية والهيكل الداخلي لمقياس درجة الحرارة أدناه.

​

هنا يمر الإشعاع من الغلاف الجوي المحيط عبر القبة الزجاجية ويسقط على الجسم الأسود الموجود في وسط الجهاز. كما هو الحال من قبل ، ترتفع درجة حرارة الجسم بعد امتصاص كل الإشعاع وهذا الارتفاع سيحدث أيضًا من خلال السلسلة الحرارية أو وحدة المزدوجة الحرارية الموجودة مباشرة أسفل الجسم الأسود. لذلك سيكون جانب واحد من الوحدة ساخنًا والآخر باردًا بسبب المشتت الحراري. تولد وحدة المزدوجة الحرارية جهدًا ويمكن رؤية ذلك في أطراف الخرج. يتناسب هذا الجهد الذي يتم استقباله عند أطراف الخرج بشكل مباشر مع اختلاف درجة الحرارة وفقًا لمبدأ المزدوج الحراري.

نظرًا لأننا نعلم أن اختلاف درجة الحرارة مرتبط بالإشعاع الذي يمتصه الجسم الأسود ، يمكننا القول أن جهد الخرج يتناسب خطيًا مع الإشعاع.

على غرار الحساب السابق ، يمكن الحصول بسهولة على قيمة إجمالي الإشعاع من قيمة الجهد هذا. أيضًا باستخدام الظل واتباع نفس الإجراء ، يمكننا أيضًا الحصول على الإشعاع المنتشر. مع إجمالي قيمة الإشعاع والإشعاع المنتشر ، يمكن أيضًا حساب قيمة إشعاع الحزمة. ومن ثم يمكننا حساب كل من الإشعاع الشمسي المنتشر والإشعاع الكلي باستخدام مقياس الحرارة.