Métodos de medição de radiação solar usando pireliômetro e piranômetro

Todos nós sabemos que a vida na Terra é sustentada por causa do Sol, pois ele fornece energia térmica suficiente para mantê-la aquecida. Essa energia é fornecida pelo sol na forma de radiação eletromagnética, geralmente chamada de radiação solar. Parte da radiação é benéfica para os humanos, enquanto outra radiação é prejudicial para toda a vida.

Para alcançar a radiação solar na superfície da Terra, ela deve passar pela atmosfera, onde é absorvida, espalhada, refletida e transmitida, o que resulta na redução da densidade do fluxo de energia. Essa redução é muito significativa, pois a perda de mais de 30% ocorre em um dia ensolarado e em um dia nublado chega a 90%. Portanto, a radiação máxima que atinge a superfície da Terra através da atmosfera nunca será superior a 80%.

O fluxo solar é muito importante para medir, pois é a base da vida na terra e é usado na construção de muitos produtos, sejam relacionados à eletrônica, plantações, medicamentos, cosméticos, etc. Neste tutorial, aprenderemos sobre radiação solar e seus medição e também aprenderá sobre os dois instrumentos de medição de energia solar mais populares - pireliômetro e piranômetro.

Radiação de feixe e radiação difusa

A radiação que percebemos na superfície é tanto a radiação direta quanto a radiação indireta do sol. A radiação que vem diretamente do sol é radiação direta e é chamada de radiação de feixe. A radiação espalhada e refletida que é enviada para a superfície da Terra de todas as direções (refletida de moléculas, partículas, corpos de animais, etc.) é radiação indireta e é chamada de radiação difusa. E a soma de ambos, o feixe e a radiação difusa, é definida como radiação global ou radiação total.

É importante diferenciar entre a radiação do feixe e a radiação difusa porque a radiação do feixe pode ser concentrada, enquanto a radiação difusa não. Existem muitos instrumentos de medição da radiação solar que são usados para medir a radiação do feixe e a radiação difusa.

Agora, vamos dar uma olhada no espectro da radiação eletromagnética no diagrama abaixo.

Em todo o espectro, consideramos apenas os comprimentos de onda dos raios UV aos raios IR para calcular o fluxo solar, porque a maioria das ondas de alta frequência do sol não atingem a superfície e a radiação de baixa frequência após o IR não é confiável. Portanto, a radiação solar ou fluxo é geralmente medido de raios UV a raios IV e os instrumentos também são projetados assim.

Os instrumentos de medição da radiação solar são de dois tipos:

Pireliômetro
Piranômetro

Antes de começar a trabalhar com esses instrumentos, você precisa entender alguns conceitos que são usados ao projetar os dispositivos. Portanto, agora vamos examinar esses conceitos.

Radiação de corpo negro

Um corpo negro geralmente absorve todas as radiações sem emitir nada de volta para a atmosfera e quanto mais puro o corpo negro mais perfeita a absorção. O fato é que não existe um corpo negro perfeito presente até agora, então geralmente nos contentamos com o segundo melhor. Depois que o corpo negro absorve a radiação, ela se aquece, pois a própria radiação é energia e, após a absorção, os átomos do corpo são eliminados. Este corpo negro é usado como um componente central em instrumentos de medição da radiação solar. Oposto ao corpo negro, um corpo branco reflete toda a radiação que cai sobre ele de volta para a atmosfera, por isso nos sentiremos mais confortáveis vestindo roupas brancas durante o verão.

Par termoelétrico

O termopar é um dispositivo simples construído com dois condutores feitos de materiais diferentes, conforme mostrado na figura.

Aqui, dois fios são conectados para formar um loop com duas junções e essas junções são designadas como 'A' e 'B'. Agora, uma vela é aproximada da junção 'A', enquanto a junção 'B' é deixada sozinha. Com a junção da vela presente em 'A', sua temperatura aumenta consideravelmente, enquanto a junção B permanece fria em temperatura ambiente. Devido a esta diferença de temperatura, uma tensão (diferença de potencial) aparece nas junções de acordo com o ' efeito Seebeck'. Uma vez que o circuito está fechado, uma corrente 'I' flui através do circuito conforme mostrado na figura e para medir essa corrente conectaremos um amperímetro em série. É importante lembrar que a magnitude da corrente 'I' no circuito é diretamente proporcional à diferença de temperaturanas junções, portanto, diferenças de temperatura mais altas resultam em uma magnitude maior da corrente. Assim, obtendo a leitura do amperímetro, podemos calcular a diferença de temperatura nas junções.

Agora, depois que o básico for coberto, vamos dar uma olhada na construção e funcionamento dos instrumentos de medição da radiação solar.

Pireliômetro Trabalho e Construção

O pireliômetro é um dispositivo usado para medir a radiação de feixe direto com incidência normal. Sua estrutura externa parece um longo tubo projetando a imagem de um telescópio e temos que apontar a lente para o sol para medir o brilho. Aqui aprenderemos o princípio de funcionamento do pireliômetro e sua construção.

Para entender a estrutura básica do Pireliômetro, observe o diagrama mostrado abaixo.

Aqui a lente é apontada para o sol e a radiação vai passar através da lente, tubo e no final cai sobre o objeto preto presente na parte inferior. Agora, se redesenharmos toda a estrutura interna e o circuito de uma maneira mais simples, parecerá algo como a seguir.

No circuito, pode-se ver que o corpo negro absorve a radiação que cai da lente e, como discutido anteriormente, um corpo negro perfeito absorve completamente qualquer radiação que caia sobre ele, de modo que a radiação que cai no tubo é absorvida inteiramente pelo objeto preto. Uma vez que a radiação é absorvida, os átomos do corpo ficam excitados por causa do aumento da temperatura do corpo inteiro. Este aumento de temperatura também será sentido pela junção do termopar 'A'. Agora, com a junção 'A' do termopar em alta temperatura e a junção 'B' em baixa temperatura, um fluxo de corrente ocorre em seu circuito, conforme discutido no princípio de funcionamento do termopar. Esta corrente no circuito também fluirá através do galvanômetro que está em série e, portanto, causando um desvio nele. esteo desvio é proporcional à corrente, que por sua vez é proporcional à diferença de temperatura nas junções.

Desvio ∝ Corrente no loop ∝ Diferença de temperatura nas junções.

Agora tentaremos anular este desvio no galvanômetro com o auxílio do circuito. O processo completo para anular o desvio é explicado passo a passo abaixo.

Primeiro, feche a chave no circuito para iniciar o fluxo de corrente.
A corrente flui como,

Bateria -> Chave -> Condutor de metal -> Amperímetro -> Resistor variável -> Bateria.

Com esta corrente fluindo através do condutor de Metal, sua temperatura aumenta até certo grau.
Estando em contato com o condutor de Metal, a temperatura da junção 'B' também aumenta. Isso reduz a diferença de temperatura entre a junção 'A' e a junção 'B'.
Por causa da redução na diferença de temperatura, o fluxo de corrente no termopar também diminui.
Como o desvio é proporcional à corrente, o desvio do galvanômetro também diminui.
Em resumo, podemos dizer: O desvio no galvanômetro pode ser reduzido ajustando o reostato para alterar a corrente no condutor de metal.

Agora continue ajustando o reostato até que o desvio do galvanômetro se torne completamente vazio. Assim que isso acontecer, podemos obter leituras de tensão e corrente dos medidores e fazer um cálculo simples para determinar o calor absorvido pelo corpo negro. Este valor calculado pode ser usado para determinar a radiação, pois o calor gerado pelo corpo negro é diretamente proporcional à radiação. Este valor de radiação não é outro senão a radiação solar de feixe direto que desejamos medir desde o início. E com isso, podemos concluir o funcionamento do Pireliômetro.

Trabalho e construção do piranômetro

O piranômetro é um dispositivo que pode ser usado para medir a radiação do feixe e a radiação difusa. Em outras palavras, é usado para medir a radiação hemisférica total (feixe mais difuso em uma superfície horizontal). Aqui, aprenderemos sobre o princípio de funcionamento do piranômetro e sua construção.

O dispositivo se parece com um disco voador que é a forma mais adequada para sua finalidade. Este dispositivo é mais popular do que os outros e a maioria dos dados de recursos solares atualmente medidos com ele. Você pode ver a imagem original e a estrutura interna do piranômetro abaixo.

Aqui, a radiação da atmosfera circundante passa pela cúpula de vidro e cai sobre o corpo negro situado no centro do instrumento. Como antes, a temperatura do corpo aumenta após a absorção de toda a radiação e essa elevação também será sentida pela corrente do termopar ou módulo do termopar presente diretamente abaixo do corpo negro. Portanto, um lado do módulo estará quente e o outro frio por causa do dissipador de calor. O módulo termopar gera uma tensão e isso pode ser visto nos terminais de saída. Esta tensão recebida nos terminais de saída é diretamente proporcional à diferença de temperatura de acordo com o princípio de um termopar.

Como sabemos que a diferença de temperatura está relacionada à radiação absorvida pelo corpo negro, podemos dizer que a tensão de saída é linearmente proporcional à radiação.

Semelhante ao cálculo anterior, o valor da radiação total pode ser facilmente obtido a partir deste valor de tensão. Também usando a sombra e seguindo o mesmo procedimento, também podemos obter a radiação difusa. Com a radiação total e o valor da radiação difusa, o valor da radiação do feixe também pode ser calculado. Portanto, podemos calcular a radiação solar difusa e a radiação total usando o piranômetro.