地球を暖かく保つのに十分な熱エネルギーを提供する太陽のおかげで、地球上で生命が維持されていることは誰もが知っています。このエネルギーは、通常太陽放射と呼ばれる電磁放射の形で太陽によって供給されます。一部の放射線は人間にとって有益ですが、別の放射線はすべての生命に有害です。
太陽放射を地球の表面に到達させるには、大気を通過して吸収、散乱、反射、透過する必要があり、その結果、エネルギーフラックス密度が低下します。晴れた日には30％以上の損失が発生し、曇りの日には90％に達するため、この削減は非常に重要です。したがって、大気を介して地表に到達する最大放射線は、80％を超えることはありません。
太陽フラックスは地球上の生命の基盤であり、電子機器、作物、医薬品、化粧品などに関連するかどうかにかかわらず、多くの製品の構築に使用されるため、測定することが非常に重要です。このチュートリアルでは、太陽放射とその測定と2つの最も人気のある太陽エネルギー測定機器-PyrheliometerとPyranometerについても学びます。
ビーム放射と拡散放射
私たちが表面で知覚する放射は、太陽の直接放射と間接放射の両方です。太陽から直接来る放射は直接放射であり、それはビーム放射と呼ばれます。 （分子、粒子、動物の体などから反射された）あらゆる方向から地表に送られる散乱および反射された放射は間接放射であり、拡散放射と呼ばれます。そして、ビーム放射と拡散放射の両方の合計は、グローバル放射または全放射として定義されます。
ビーム放射は集中できますが、拡散放射は集中できないため、ビーム放射と拡散放射を区別することが重要です。ビーム放射と拡散放射を測定するために使用される多くの太陽放射測定器があります。
次に、下の図の電磁放射のスペクトルを見てみましょう。
太陽からの高周波のほとんどは表面に到達せず、IR後の低周波放射は信頼できないため、スペクトル全体で、紫外線からIR光線までの波長のみを考慮して太陽フラックスを計算します。そのため、日射やフラックスは通常、紫外線から赤外線まで測定され、機器もそのように設計されています。
日射測定器には2つのタイプがあります。
- 直達日射計
- 日射計
これらの機器の動作に入る前に、デバイスの設計中に使用されるいくつかの概念を理解する必要があります。それでは、これらの概念を見てみましょう。
黒体放射
黒体は通常、大気中に何も放出せずにすべての放射線を吸収し、黒体をより純粋に吸収します。事実、これまで完璧な黒体は存在しなかったので、私たちは通常、次善の策を選びます。黒体は放射線を吸収した後、放射線自体がエネルギーであるために加熱され、吸収後、体内の原子が排出されます。この黒体は、日射測定器のコアコンポーネントとして使用されます。黒体とは反対に、白い体はその上に降り注ぐすべての放射線を反射して大気に戻すため、夏の間は白い服を着るのがより快適になります。
熱電対
熱電対は、図に示すように、異なる材料で作られた2つの導体を使用して構築された単純なデバイスです。
ここでは、2本のワイヤが接続されて2つのジャンクションを持つループを形成し、これらのジャンクションは「A」および「B」として指定されています。これで、ろうそくがジャンクション「A」の近くに移動し、ジャンクション「B」はそのままになります。キャンドルが「A」の接合部に存在すると、接合部Bが室温で低温のままである間、その温度はかなり上昇します。この温度差のため、「ゼーベック効果」に従って接合部に電圧（電位差）が現れます。回路が閉じているので、図に示すように電流「I」が回路を流れ、この電流を測定するために、電流計を直列に接続します。ループ内の電流「I」の大きさは温度差に正比例することを覚えておくことが重要です。接合部では、温度差が大きいほど電流の大きさが大きくなります。したがって、電流計の読み取り値を取得することにより、接合部の温度差を計算できます。
基本を説明した後、日射測定器の構造と動作を見てみましょう。
直達日射計の動作と構築
直達日射計は、法線入射で直接ビーム放射を測定するために使用されるデバイスです。その外側の構造は望遠鏡の画像を投影する長いチューブのように見え、放射輝度を測定するにはレンズを太陽に向ける必要があります。ここでは、直達日射計の動作原理とその構造について学習します。
直達日射計の基本構造を理解するには、下の図を見てください。
ここでレンズは太陽に向けられており、放射線はレンズ、チューブを通過し、最後に下部にある黒い物体に当たります。ここで、内部構造と回路全体をより簡単な方法で再描画すると、次のようになります。
回路では、黒体がレンズから落ちる放射線を吸収し、前述のように、完全な黒体がそれに当たる放射線を完全に吸収するため、チューブに落ちる放射線は黒い物体に完全に吸収されることがわかります。放射線が吸収されると、体全体の温度が上昇するため、体内の原子が励起されます。この温度上昇は、熱電対接合部「A」でも発生します。ここで、高温の熱電対の接合部「A」と低温の接合部「B」を使用すると、熱電対の動作原理で説明されているように、ループ内で電流が流れます。ループ内のこの電流は、直列の検流計にも流れ、それによって検流計に偏差が生じます。この偏差は電流に比例し、電流は接合部の温度差に比例します。
偏差∝ループ内の電流∝接合部の温度差。
次に、回路を使用して、検流計のこの偏差を無効にしようとします。偏差を無効にするための完全なプロセスは、以下のステップバイステップで説明されています。
- まず、電流を開始するための回路のスイッチを閉じます。
- 電流は次のように流れます。
バッテリー->スイッチ->金属導体->電流計->可変抵抗器->バッテリー。
- この電流が金属導体を流れると、その温度はある程度上昇します。
- 金属導体と接触すると、接合部の「B」温度も上昇します。これにより、ジャンクション「A」とジャンクション「B」の間の温度差が減少します。
- 温度差が減少するため、熱電対に流れる電流も減少します。
- 偏差は電流に比例するため、検流計の偏差も減少します。
- 要約すると、次のように言うことができます-金属導体の電流を変更するようにレオスタットを調整することにより、検流計の偏差を減らすことができます。
次に、検流計の偏差が完全に無効になるまでレオスタットを調整し続けます。これが発生すると、メーターから電圧と電流の読み取り値を取得し、簡単な計算を行って黒体が吸収する熱を決定できます。黒体によって生成される熱は放射に正比例するため、この計算値を使用して放射を決定できます。この日射量は、最初から測定したい直達日射量に他なりません。そしてこれで、直達日射計の動作を結論付けることができます。
日射計の作業と建設
日射計は、ビーム放射と拡散放射の両方を測定するために使用できるデバイスです。言い換えれば、それは全半球放射（ビームと水平面での拡散）を測定するために使用されます。ここでは、日射計の動作原理とその構造について学習します。
この装置は、その目的に最も適した形状のUFO受け皿のように見えます。このデバイスは他のデバイスよりも人気があり、今日ではほとんどの太陽資源データがそれを使用して測定されています。下の日射計の元の写真と内部構造を見ることができます。
ここでは、周囲の大気からの放射がガラスのドームを通過し、機器の中央にある黒体に降り注いでいます。以前と同様に、すべての放射を吸収した後、体の温度が上昇します。この上昇は、黒体の真下にある熱電対チェーンまたは熱電対モジュールでも発生します。そのため、モジュールの片側は熱くなり、もう一方はヒートシンクのために冷たくなります。熱電対モジュールは電圧を生成し、これは出力端子で確認できます。出力端子で受信されるこの電圧は、熱電対の原理に従って温度差に正比例します。
温度差は黒体に吸収される放射に関係していることがわかっているので、出力電圧は放射に直線的に比例していると言えます。
前の計算と同様に、総放射量の値はこの電圧値から簡単に取得できます。また、シェードを使用して同じ手順に従うことで、拡散放射を取得することもできます。全放射と拡散放射の値を使用して、ビーム放射値も計算できます。したがって、日射計を使用して、拡散日射量と全日射量の両方を計算できます。