วิธีการวัดรังสีดวงอาทิตย์โดยใช้ไพร์เฮลิออมิเตอร์และไพราโนมิเตอร์

เราทุกคนรู้ดีว่าชีวิตดำรงอยู่บนโลกได้เพราะดวงอาทิตย์เพราะมันให้พลังงานความร้อนเพียงพอที่จะทำให้โลกอบอุ่น พลังงานนี้จะถูกส่งจากดวงอาทิตย์ในรูปของคลื่นแม่เหล็กไฟฟ้าที่มักจะเรียกว่ารังสีจากดวงอาทิตย์รังสีบางชนิดมีประโยชน์ต่อมนุษย์ในขณะที่รังสีอีกชนิดหนึ่งเป็นอันตรายต่อทุกชีวิต

ในการเข้าถึงรังสีดวงอาทิตย์มายังพื้นผิวโลกจะต้องผ่านชั้นบรรยากาศที่ถูกดูดซับกระจัดกระจายสะท้อนและส่งผ่านซึ่งส่งผลให้ความหนาแน่นของฟลักซ์พลังงานลดลง การลดลงนี้มีความสำคัญมากเนื่องจากการสูญเสียมากกว่า 30% เกิดขึ้นในวันที่มีแดดจัดและในวันที่มีเมฆมากจะสูงถึง 90% ดังนั้นรังสีสูงสุดที่มาถึงพื้นผิวโลกผ่านชั้นบรรยากาศจะไม่สูงเกิน 80%

ฟลักซ์แสงอาทิตย์มีความสำคัญมากในการวัดเนื่องจากเป็นพื้นฐานของสิ่งมีชีวิตบนโลกและใช้ในการสร้างผลิตภัณฑ์มากมายไม่ว่าจะเกี่ยวข้องกับอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์พืชผลยาเครื่องสำอาง ฯลฯ ในบทช่วยสอนนี้เราจะเรียนรู้เกี่ยวกับรังสีดวงอาทิตย์และ การวัดและยังจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับเครื่องมือวัดพลังงานแสงอาทิตย์ที่ได้รับความนิยมมากที่สุด 2 ชนิด ได้แก่ Pyrheliometer และ Pyranometer

การแผ่รังสีของลำแสงและการแผ่รังสีแบบกระจาย

รังสีที่เรารับรู้บนพื้นผิวเป็นทั้งรังสีโดยตรงและรังสีโดยอ้อมของดวงอาทิตย์ รังสีที่มาจากดวงอาทิตย์โดยตรงเป็นรังสีโดยตรงและเรียกว่ารังสีบีม รังสีกระจัดกระจายและสะท้อนให้เห็นว่าถูกส่งไปยังพื้นผิวของโลกจากทุกทิศทาง (สะท้อนจากโมเลกุลอนุภาคร่างกายของสัตว์อื่น ๆ) เป็นรังสีทางอ้อมและเป็นที่เรียกว่ารังสีกระจายและผลรวมของทั้งคานและการฉายรังสีกระจายถูกกำหนดให้เป็นรังสีโลกหรือการฉายรังสีทั้งหมด

สิ่งสำคัญคือต้องแยกความแตกต่างระหว่างการแผ่รังสีของลำแสงและการแผ่รังสีแบบกระจายเนื่องจากการแผ่รังสีของลำแสงสามารถเข้มข้นในขณะที่รังสีกระจายไม่สามารถทำได้ มีเครื่องมือวัดรังสีดวงอาทิตย์จำนวนมากที่ใช้ในการวัดการแผ่รังสีลำแสงและการกระจายรังสี

ตอนนี้ให้เราดูสเปกตรัมของรังสีแม่เหล็กไฟฟ้าในแผนภาพด้านล่าง

ในสเปกตรัมทั้งหมดเราพิจารณาเฉพาะความยาวคลื่นจากรังสี UV ถึงรังสี IR เพื่อคำนวณฟลักซ์แสงอาทิตย์เนื่องจากคลื่นความถี่สูงส่วนใหญ่จากดวงอาทิตย์ไม่ถึงพื้นผิวและการแผ่รังสีความถี่ต่ำหลังจาก IR ไม่น่าเชื่อถือ ดังนั้นรังสีดวงอาทิตย์หรือฟลักซ์มักจะวัดจากรังสียูวีไปจนถึงรังสี IR และเครื่องมือก็ออกแบบมาเช่นนั้นเช่นกัน

เครื่องมือวัดการแผ่รังสีแสงอาทิตย์มีสองประเภท:

ไพร์เฮลิออมิเตอร์
ไพราโนมิเตอร์

ก่อนที่จะเข้าสู่การทำงานของเครื่องมือเหล่านี้คุณต้องเข้าใจแนวคิดสองสามข้อที่ใช้ในขณะออกแบบอุปกรณ์ ตอนนี้เรามาดูแนวคิดเหล่านั้นกัน

รังสีตัวดำ

ร่างกายสีดำมักจะดูดซับการแผ่รังสีทั้งหมดโดยไม่ปล่อยอะไรกลับสู่ชั้นบรรยากาศและทำให้ร่างกายสีดำบริสุทธิ์ยิ่งขึ้น ความจริงก็คือไม่มีตัวสีดำที่สมบูรณ์แบบในปัจจุบันดังนั้นเราจึงมักจะเลือกตัวที่ดีที่สุดเป็นอันดับสอง หลังจากร่างกายสีดำดูดซับรังสีแล้วมันจะร้อนขึ้นเนื่องจากรังสีนั้นเป็นพลังงานและหลังจากการดูดซึมแล้วอะตอมในร่างกายจะถูกขับออกไป ดำนี้จะใช้เป็นองค์ประกอบหลักในเครื่องมือวัดรังสีดวงอาทิตย์ตรงข้ามกับร่างกายสีดำร่างกายสีขาวจะสะท้อนรังสีทั้งหมดที่ตกกระทบกลับสู่ชั้นบรรยากาศนั่นคือเหตุผลที่เราจะรู้สึกสบายตัวมากขึ้นเมื่อสวมเสื้อผ้าสีขาวในช่วงฤดูร้อน

เทอร์โมคัปเปิล

เทอร์โมคัปเปิลเป็นอุปกรณ์ง่ายๆที่สร้างขึ้นโดยใช้ตัวนำสองตัวที่ทำจากวัสดุที่แตกต่างกันดังแสดงในรูป

ที่นี่มีการเชื่อมต่อสายไฟสองเส้นเพื่อสร้างลูปที่มีสองทางแยกและทางแยกเหล่านี้ถูกกำหนดให้เป็น 'A' & 'B' ตอนนี้เทียนถูกนำมาใกล้ทางแยก 'A' ในขณะที่ทางแยก 'B' ถูกปล่อยให้อยู่คนเดียว เมื่อเทียนอยู่ทางแยกที่ 'A' อุณหภูมิจะสูงขึ้นอย่างมากในขณะที่ทางแยก B ยังคงเย็นที่อุณหภูมิห้อง เพราะความแตกต่างของอุณหภูมินี้แรงดัน (ความแตกต่างที่อาจเกิดขึ้น) จะปรากฏขึ้นที่ทางแยกให้เป็นไปตาม ' Seebeck ผล' เนื่องจากวงจรถูกปิดกระแส 'I' จึงไหลผ่านวงจรดังแสดงในรูปและในการวัดกระแสนี้เราจะเชื่อมต่อแอมป์มิเตอร์เป็นชุด สิ่งสำคัญคือต้องจำไว้ว่าขนาดของกระแส 'I' ในลูปนั้นแปรผันตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิที่ทางแยกดังนั้นความแตกต่างของอุณหภูมิที่สูงขึ้นจึงส่งผลให้ขนาดของกระแสไฟฟ้าสูงขึ้น ดังนั้นโดยการอ่านค่าแอมมิเตอร์เราสามารถคำนวณความแตกต่างของอุณหภูมิที่จุดเชื่อมต่อได้

หลังจากครอบคลุมพื้นฐานแล้วเรามาดูการสร้างและการทำงานของเครื่องมือวัดรังสีดวงอาทิตย์

การทำงานและการก่อสร้าง Pyrheliometer

Pyrheliometer เป็นอุปกรณ์ที่ใช้สำหรับวัดการแผ่รังสีลำแสงโดยตรงที่อุบัติการณ์ปกติ โครงสร้างภายนอกของมันดูเหมือนท่อยาวที่ฉายภาพของกล้องโทรทรรศน์และเราต้องเล็งเลนส์ไปที่ดวงอาทิตย์เพื่อวัดความสว่าง ที่นี่เราจะได้เรียนรู้หลักการทำงานของ Pyrheliometerและโครงสร้างของมัน

หากต้องการทำความเข้าใจโครงสร้างพื้นฐานของ Pyrheliometer ให้ดูที่แผนภาพด้านล่าง

ที่นี่เลนส์จะชี้ไปที่ดวงอาทิตย์และรังสีจะผ่านเลนส์ท่อและในตอนท้ายจะตกกระทบกับวัตถุสีดำที่อยู่ด้านล่าง ตอนนี้ถ้าเราวาดโครงสร้างและวงจรภายในทั้งหมดใหม่อย่างง่ายขึ้นมันจะมีลักษณะดังนี้

ในวงจรจะเห็นได้ว่าตัวสีดำดูดซับรังสีที่ตกลงมาจากเลนส์และตามที่กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ร่างกายสีดำที่สมบูรณ์แบบจะดูดซับรังสีใด ๆ ที่ตกลงมาได้อย่างสมบูรณ์ดังนั้นรังสีที่ตกลงในหลอดจะถูกดูดซับโดยวัตถุสีดำทั้งหมด เมื่อรังสีได้รับการดูดซับอะตอมในร่างกายจะตื่นเต้นเพราะอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นของร่างกายทั้งหมด อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นนี้จะเกิดขึ้นจากทางแยกเทอร์โมคัปเปิล 'A' ขณะนี้มีทางแยก 'A' ของเทอร์โมคัปเปิลที่อุณหภูมิสูงและทางแยก 'B' ที่อุณหภูมิต่ำการไหลของกระแสจะเกิดขึ้นในวงของมันตามที่กล่าวไว้ในหลักการทำงานของเทอร์โมคัปเปิล กระแสไฟฟ้าในลูปนี้จะไหลผ่านกัลวาโนมิเตอร์ซึ่งอยู่ในอนุกรมและทำให้เกิดการเบี่ยงเบน นี้ค่าเบี่ยงเบนเป็นสัดส่วนกับกระแสซึ่งจะแปรผันตามความแตกต่างของอุณหภูมิที่ทางแยก

การเบี่ยงเบน∝ กระแสในลูป∝ ความแตกต่างของอุณหภูมิที่ทางแยก

ตอนนี้เราจะพยายามลบค่าเบี่ยงเบนนี้ในกัลวาโนมิเตอร์ด้วยความช่วยเหลือของวงจร ขั้นตอนที่สมบูรณ์สำหรับการลบล้างความเบี่ยงเบนมีการอธิบายทีละขั้นตอนด้านล่าง

ขั้นแรกให้ปิดสวิตช์ในวงจรเพื่อเริ่มการไหลของกระแส
กระแสเช่นนี้

แบตเตอรี่ -> สวิตช์ -> ตัวนำโลหะ -> แอมมิเตอร์ -> ตัวต้านทานแบบแปรผัน -> แบตเตอรี่

ด้วยกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่านตัวนำโลหะอุณหภูมิจึงสูงขึ้นในระดับหนึ่ง
เมื่อสัมผัสกับตัวนำโลหะอุณหภูมิของจุดต่อ 'B' ก็จะสูงขึ้นเช่นกัน ซึ่งจะช่วยลดความแตกต่างของอุณหภูมิระหว่างทางแยก 'A' และทางแยก 'B'
เนื่องจากการลดความแตกต่างของอุณหภูมิการไหลของกระแสในเทอร์โมคัปเปิลจึงลดลงด้วย
เนื่องจากค่าเบี่ยงเบนเป็นสัดส่วนกับกระแสไฟฟ้าความเบี่ยงเบนของกัลวาโนมิเตอร์ก็ลดลงเช่นกัน
โดยสรุปเราสามารถพูดได้ว่า - ความเบี่ยงเบนในกัลวาโนมิเตอร์สามารถลดลงได้โดยการปรับรีโอสแตทเพื่อเปลี่ยนกระแสในตัวนำโลหะ

ตอนนี้ให้ปรับรีโอสแตทจนกว่าค่าเบี่ยงเบนของกัลวาโนมิเตอร์จะเป็นโมฆะอย่างสมบูรณ์ เมื่อสิ่งนี้เกิดขึ้นเราจะได้รับการอ่านแรงดันและกระแสจากมิเตอร์และทำการคำนวณอย่างง่ายเพื่อกำหนดความร้อนที่ดูดซับโดยตัวสีดำ ค่าที่คำนวณได้นี้สามารถใช้เพื่อกำหนดรังสีได้เนื่องจากความร้อนที่เกิดจากร่างกายสีดำนั้นแปรผันโดยตรงกับรังสี ค่าการแผ่รังสีนี้ไม่มีใครอื่นนอกจากการแผ่รังสีแสงอาทิตย์แบบลำแสงตรงซึ่งเราต้องการวัดตั้งแต่เริ่มต้น และด้วยสิ่งนี้เราสามารถสรุปการทำงานของ Pyrheliometer

การทำงานและการก่อสร้าง Pyranometer

เครื่องวัดรังสีอาทิตย์เป็นอุปกรณ์ที่สามารถใช้ในการวัดรังสีทั้งคานและการฉายรังสีกระจายกล่าวอีกนัยหนึ่งคือใช้ในการวัดรังสีครึ่งวงกลมทั้งหมด (ลำแสงบวกกระจายบนพื้นผิวแนวนอน) ที่นี่เราจะได้เรียนรู้เกี่ยวกับหลักการทำงานของ Pyranometer และโครงสร้างของมัน

อุปกรณ์มีลักษณะคล้ายจานบินซึ่งเป็นรูปทรงที่ดีที่สุดที่เหมาะสมกับวัตถุประสงค์ อุปกรณ์นี้ได้รับความนิยมมากกว่าอุปกรณ์อื่น ๆ และปัจจุบันข้อมูลทรัพยากรพลังงานแสงอาทิตย์ส่วนใหญ่วัดได้โดยใช้อุปกรณ์นี้ คุณสามารถดูภาพต้นฉบับและโครงสร้างภายในของ Pyranometer ด้านล่าง

ที่นี่รังสีจากบรรยากาศโดยรอบผ่านโดมแก้วและตกลงบนตัวสีดำที่อยู่ตรงกลางของเครื่องมือ เช่นเดียวกับก่อนหน้านี้อุณหภูมิของร่างกายจะสูงขึ้นหลังจากดูดซับรังสีทั้งหมดและการเพิ่มขึ้นนี้จะเกิดขึ้นจากห่วงโซ่เทอร์โมคัปเปิลหรือโมดูลเทอร์โมคัปเปิลที่อยู่ใต้ตัวดำโดยตรง ดังนั้นด้านหนึ่งของโมดูลจะร้อนและอีกด้านหนึ่งจะเย็นเนื่องจากตัวระบายความร้อน โมดูลเทอร์โมคัปเปิลสร้างแรงดันไฟฟ้าและสามารถมองเห็นได้ที่ขั้วเอาต์พุต แรงดันไฟฟ้าที่ได้รับที่ขั้วเอาท์พุทเป็นสัดส่วนโดยตรงกับความแตกต่างของอุณหภูมิตามหลักการของเทอร์โมคัปเปิล

เนื่องจากเราทราบว่าความแตกต่างของอุณหภูมิเกี่ยวข้องกับการแผ่รังสีที่ดูดซับโดยร่างกายสีดำเราจึงสามารถพูดได้ว่าแรงดันไฟฟ้าขาออกเป็นสัดส่วนเชิงเส้นตรงกับรังสี

เช่นเดียวกับการคำนวณก่อนหน้านี้ค่าของการแผ่รังสีทั้งหมดสามารถหาได้ง่ายจากค่าแรงดันไฟฟ้านี้ นอกจากนี้ด้วยการใช้ร่มเงาและทำตามขั้นตอนเดียวกันเรายังสามารถรับรังสีกระจาย ด้วยปริมาณรังสีรวมและค่าการแผ่รังสีแบบกระจายสามารถคำนวณค่าการแผ่รังสีของลำแสงได้ ดังนั้นเราสามารถคำนวณทั้งกระจายรังสีแสงอาทิตย์และรังสีทั้งหมดโดยใช้เครื่องวัดรังสีอาทิตย์