- Bức xạ chùm và bức xạ khuếch tán
- Xạ đen
- Cặp nhiệt điện
- Pyrheliometer Làm việc và Xây dựng
- Pyranometer Làm việc và Xây dựng
Chúng ta đều biết rằng sự sống được duy trì trên trái đất là do mặt trời cung cấp đủ nhiệt năng để giữ cho trái đất ấm áp. Năng lượng này được cung cấp bởi mặt trời dưới dạng bức xạ điện từ thường được gọi là bức xạ mặt trời. Một số bức xạ có lợi cho con người trong khi bức xạ khác có hại cho tất cả cuộc sống.
Để bức xạ mặt trời tới bề mặt trái đất, nó phải đi qua bầu khí quyển nơi nó bị hấp thụ, phân tán, phản xạ và truyền đi, dẫn đến giảm mật độ thông lượng năng lượng. Mức giảm này rất đáng kể vì hơn 30% hao hụt xảy ra vào ngày nắng và vào ngày nhiều mây, con số này tăng cao tới 90%. Vì vậy, bức xạ tối đa truyền đến bề mặt trái đất qua bầu khí quyển sẽ không bao giờ cao hơn 80%.
Thông lượng mặt trời rất quan trọng để đo lường, vì nó là cơ sở của sự sống trên trái đất và được sử dụng để chế tạo nhiều sản phẩm cho dù liên quan đến điện tử, cây trồng, thuốc men, mỹ phẩm, v.v. Trong hướng dẫn này, chúng ta sẽ tìm hiểu về bức xạ mặt trời và đo lường và cũng sẽ tìm hiểu về hai công cụ đo năng lượng mặt trời phổ biến nhất - Pyrheliometer và Pyranometer.
Bức xạ chùm và bức xạ khuếch tán
Bức xạ mà chúng ta cảm nhận được trên bề mặt là bức xạ trực tiếp và bức xạ gián tiếp của mặt trời. Bức xạ đến trực tiếp từ mặt trời là bức xạ trực tiếp và nó được gọi là bức xạ chùm. Bức xạ tán xạ và phản xạ được gửi đến bề mặt trái đất từ mọi hướng (phản xạ từ các phân tử, hạt, cơ thể động vật, v.v.) là bức xạ gián tiếp và nó được gọi là bức xạ khuếch tán. Và tổng của cả hai, chùm tia và bức xạ khuếch tán, được định nghĩa là bức xạ toàn cầu hoặc bức xạ toàn phần.
Điều quan trọng là phải phân biệt giữa bức xạ chùm và bức xạ khuếch tán vì bức xạ chùm có thể tập trung trong khi bức xạ khuếch tán thì không. Có nhiều dụng cụ đo bức xạ mặt trời được sử dụng để đo bức xạ chùm và bức xạ khuếch tán.
Bây giờ chúng ta hãy xem xét phổ của bức xạ điện từ trong sơ đồ dưới đây.
Trong toàn bộ quang phổ, chúng ta chỉ xem xét các bước sóng từ tia UV đến tia IR để tính thông lượng mặt trời, bởi vì hầu hết các sóng cao tần từ mặt trời không đến được bề mặt và bức xạ tần số thấp sau IR không đáng tin cậy. Vì vậy, bức xạ mặt trời hoặc thông lượng thường được đo từ tia UV đến tia IR và các thiết bị cũng được thiết kế như vậy.
Dụng cụ đo bức xạ mặt trời có hai loại:
- Pyrheliometer
- Áp kế
Trước khi đi vào hoạt động của các thiết bị này, bạn cần hiểu một số khái niệm được sử dụng trong khi thiết kế các thiết bị. Vì vậy, bây giờ chúng ta hãy xem xét các khái niệm đó.
Xạ đen
Vật đen thường hấp thụ tất cả các bức xạ mà không phát ra bất cứ thứ gì trở lại bầu khí quyển và vật đen càng thuần thì sự hấp thụ càng hoàn hảo. Thực tế là, không có cơ thể đen hoàn hảo nào cho đến thời điểm hiện tại nên chúng tôi thường giải quyết loại tốt thứ hai. Sau khi vật đen hấp thụ bức xạ, nó sẽ nóng lên vì bản thân bức xạ là năng lượng và sau khi hấp thụ, các nguyên tử trong cơ thể sẽ thoát ra ngoài. Vật đen này được sử dụng như một thành phần cốt lõi trong các thiết bị đo bức xạ mặt trời. Đối lập với vật thể màu đen, vật thể màu trắng phản xạ tất cả bức xạ rơi vào nó trở lại bầu khí quyển, đó là lý do tại sao chúng ta sẽ cảm thấy thoải mái hơn khi mặc quần áo màu trắng trong mùa hè.
Cặp nhiệt điện
Cặp nhiệt điện là một thiết bị đơn giản được cấu tạo bằng cách sử dụng hai dây dẫn làm bằng vật liệu khác nhau như thể hiện trong hình.
Ở đây hai dây được kết nối để tạo thành một vòng lặp có hai điểm nối và các điểm nối này được ký hiệu là 'A' & 'B'. Bây giờ một ngọn nến được đưa đến gần đường giao nhau 'A' trong khi đường giao nhau 'B' bị bỏ lại một mình. Với ngọn nến đang có mặt đường giao nhau ở 'A' thì nhiệt độ của nó tăng lên đáng kể trong khi đường giao nhau B vẫn lạnh ở nhiệt độ phòng. Do sự chênh lệch nhiệt độ này, một hiệu điện thế (hiệu điện thế) xuất hiện tại các điểm nối theo ' hiệu ứng Seebeck'. Vì mạch điện được đóng lại nên có dòng điện 'I' chạy qua mạch điện như hình vẽ bên và để đo dòng điện này chúng ta mắc nối tiếp một ampe kế. Điều quan trọng cần nhớ là cường độ dòng điện 'I' trong mạch vòng tỷ lệ thuận với sự chênh lệch nhiệt độtại các điểm nối, do đó sự chênh lệch nhiệt độ cao hơn dẫn đến cường độ dòng điện cao hơn. Vì vậy, bằng cách nhận được số đọc của ampe kế, chúng ta có thể tính toán sự chênh lệch nhiệt độ tại các điểm nối.
Bây giờ sau khi những điều cơ bản đã được trình bày, chúng ta hãy xem xét cấu tạo và hoạt động của các thiết bị đo bức xạ mặt trời.
Pyrheliometer Làm việc và Xây dựng
Pyrheliometer là một thiết bị được sử dụng để đo bức xạ chùm trực tiếp ở mức bình thường. Cấu trúc bên ngoài của nó trông giống như một ống dài chiếu hình ảnh của kính thiên văn và chúng ta phải hướng thấu kính về phía mặt trời để đo độ chói. Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu nguyên lý hoạt động của Pyrheliometer và cấu tạo của nó.
Để hiểu cấu trúc cơ bản của Pyrheliometer, hãy xem sơ đồ bên dưới.
Ở đây thấu kính hướng về phía mặt trời và bức xạ sẽ đi qua thấu kính, ống và cuối cùng rơi vào vật đen có mặt ở phía dưới. Bây giờ nếu chúng ta vẽ lại toàn bộ cấu trúc bên trong và mạch theo cách đơn giản hơn, nó sẽ giống như bên dưới.
Trong mạch, có thể thấy rằng vật đen hấp thụ bức xạ rơi từ thấu kính và như đã thảo luận trước đó, vật đen hoàn hảo hấp thụ hoàn toàn bất kỳ bức xạ nào rơi vào nó, vì vậy bức xạ rơi vào ống sẽ bị vật đen hấp thụ hoàn toàn. Một khi bức xạ được hấp thụ, các nguyên tử trong cơ thể sẽ bị kích thích do nhiệt độ của toàn bộ cơ thể tăng lên. Sự gia tăng nhiệt độ này cũng sẽ xảy ra bởi đường giao nhau giữa cặp nhiệt điện 'A'. Bây giờ với đường giao nhau 'A' của cặp nhiệt điện ở nhiệt độ cao và đường giao nhau 'B' ở nhiệt độ thấp, dòng điện diễn ra trong vòng lặp của nó như đã thảo luận trong nguyên lý làm việc của cặp nhiệt điện. Dòng điện trong vòng lặp này cũng sẽ chạy qua điện kế mắc nối tiếp và do đó gây ra độ lệch trong nó. Điều nàyđộ lệch tỷ lệ với dòng điện, lần lượt tỷ lệ với chênh lệch nhiệt độ tại các điểm nối.
Độ lệch ∝ Dòng điện trong vòng lặp ∝ Chênh lệch nhiệt độ tại các điểm nối.
Bây giờ chúng ta sẽ cố gắng vô hiệu hóa độ lệch này trong điện kế với sự trợ giúp của mạch điện. Quy trình hoàn chỉnh để vô hiệu hóa độ lệch được giải thích theo từng bước dưới đây.
- Đầu tiên, đóng công tắc trong mạch để bắt đầu dòng điện.
- Dòng điện như thế,
Pin -> Công tắc -> Dây dẫn kim loại -> Ampe kế -> Biến trở -> Pin.
- Với dòng điện này chạy qua dây dẫn kim loại, nhiệt độ của nó tăng lên đến một mức độ nhất định.
- Khi tiếp xúc với dây dẫn kim loại, nhiệt độ của mối nối 'B' cũng tăng lên. Điều này làm giảm sự chênh lệch nhiệt độ giữa đường giao nhau 'A' và đường giao nhau 'B'.
- Do sự chênh lệch nhiệt độ giảm nên dòng điện chạy trong cặp nhiệt điện cũng giảm theo.
- Vì độ lệch tỷ lệ với dòng điện nên độ lệch của điện kế cũng giảm.
- Tóm lại, chúng ta có thể nói - Độ lệch trong điện kế có thể được giảm bớt bằng cách điều chỉnh bộ lưu biến để thay đổi dòng điện trong dây dẫn kim loại.
Bây giờ tiếp tục điều chỉnh bộ lưu biến cho đến khi độ lệch điện kế trở nên hoàn toàn vô hiệu. Khi điều này xảy ra, chúng ta có thể thu được các số đọc về điện áp và dòng điện từ đồng hồ và thực hiện một phép tính đơn giản để xác định nhiệt lượng hấp thụ bởi vật đen. Giá trị tính toán này có thể được sử dụng để xác định bức xạ, vì nhiệt do vật đen tỏa ra tỷ lệ thuận với bức xạ. Giá trị bức xạ này không gì khác chính là bức xạ mặt trời chùm trực tiếp mà chúng ta muốn đo ngay từ đầu. Và với điều này, chúng ta có thể kết luận hoạt động của Pyrheliometer.
Pyranometer Làm việc và Xây dựng
Pyranometer là một thiết bị có thể được sử dụng để đo cả bức xạ chùm và bức xạ khuếch tán. Nói cách khác, nó được sử dụng để đo tổng bức xạ bán cầu (chùm cộng với sự khuếch tán trên bề mặt nằm ngang). Sau đây chúng ta sẽ tìm hiểu về nguyên lý làm việc của Pyranometer và cấu tạo của nó.
Thiết bị trông giống như một chiếc đĩa UFO, đây là hình dạng tốt nhất phù hợp với mục đích của nó. Thiết bị này phổ biến hơn những thiết bị khác và hầu hết dữ liệu tài nguyên mặt trời ngày nay được đo bằng cách sử dụng nó. Bạn có thể xem hình ảnh ban đầu và cấu trúc bên trong của Pyranometer bên dưới.
Các bác sĩ cho biết thêm:
Tại đây, bức xạ từ bầu khí quyển xung quanh đi qua vòm kính và rơi vào vật đen nằm ở trung tâm của thiết bị. Giống như trước đây, nhiệt độ của cơ thể tăng lên sau khi hấp thụ tất cả bức xạ và sự gia tăng này cũng sẽ do chuỗi Cặp nhiệt điện hoặc mô-đun Cặp nhiệt điện hiện diện trực tiếp bên dưới vật đen. Vì vậy, một mặt của mô-đun sẽ nóng và mặt khác sẽ lạnh vì tản nhiệt. Mô-đun cặp nhiệt điện tạo ra điện áp và điều này có thể được nhìn thấy ở các cực đầu ra. Điện áp nhận được ở các cực đầu ra tỷ lệ thuận với chênh lệch nhiệt độ theo nguyên tắc của cặp nhiệt điện.
Vì chúng ta biết rằng sự chênh lệch nhiệt độ có liên quan đến bức xạ được vật đen hấp thụ, chúng ta có thể nói điện áp đầu ra tỷ lệ tuyến tính với bức xạ.
Tương tự như tính toán trước, giá trị của tổng bức xạ có thể dễ dàng thu được từ giá trị điện áp này. Cũng bằng cách sử dụng bóng râm và theo quy trình tương tự, chúng ta cũng có thể thu được bức xạ khuếch tán. Với tổng bức xạ và giá trị bức xạ khuếch tán, giá trị bức xạ chùm cũng có thể được tính toán. Do đó, chúng ta có thể tính toán cả bức xạ mặt trời khuếch tán và bức xạ tổng bằng cách sử dụng Pyranometer.