ببساطة فإن جهاز البيرانومتر هو جهاز يقيس الإشعاع الشمسي من مجال رؤية نصف كروي على سطح مستو. وحدات الإشعاع في النظام الدولي للوحدات (SI) هي واط لكل متر مربع (W / m²).
قديما كانت مقاييس الحرارة تستخدم بشكل أساسي في الأبحاث المناخية وأغراض مراقبة الطقس ، إلا أن الاهتمام العالمي الحديث بالطاقة الشمسية أدى أيضًا إلى زيادة الاهتمام بمقاييس الحرارة.
في هذه المقالة سوف نستكشف الجوانب الأساسية لجهاز البيرانومتر: ما الذي يقيسه؟ بماذا يستفاد منه؟ وكيف يعمل؟
ما الذي يقيسه؟
جهاز البيرانومتر: جهاز استشعار الإشعاع الشمسي
تقيس اجهزة البيرانومتر الإشعاع الشمسي الكلّي: مقدار الطاقة الشمسية لكل وحدة مساحة لكل وحدة زمنية واقعة على سطح اتجاه محدد ينبع من مجال رؤية نصف كروي (2π sr) ، يُشار إليه على سبيل المثال ↓.
يشتمل الإشعاع الشمسي الكلّي على ضوء الشمس المباشر وضوء الشمس المنتشر ، كما هو موضح في الشكل 1. يتم تقديم المساهمة من ضوء الشمس المباشر بواسطة E⋅cos (θ) حيث θ هي الزاوية بين السطح الطبيعي وموقع الشمس في السماء و E هو أقصى قدر من ضوء الشمس المباشر. ومن ثم فإن الإشعاع الشمسي الكلّي هو:
Eg↓ = E⋅cos(θ) + Ed
حيث يفسر Ed ضوء الشمس المنتشر.
الشكل 1 يشمل الإشعاع الشمسي الكلّي ضوء الشمس المباشر وضوء الشمس المنتشر
غالبا ما يكون سطح الاهتمام أفقيًا بحيث يتوافق مجال الرؤية نصف الكروي مع قبة السماء. في هذه الحالة ، تكون الكمية المقاسة هي ما يسمى بالإشعاع الأفقي الكلّي (GHI) والمشار إليه بـ Eg ↓ h )انظر الشكل 2 على اليسار (في بعض الحالات يكون السطح مائلاً ، على سبيل المثال في تطبيقات الخلايا الكهروضوئية حيث يتوافق السطح غالبًا مع مستوى الصفيف (POA) للألواح الشمسية (انظر على سبيل المثال الشكل 2 على اليمين).
إذ تكون الكمية المقاسة هي الإشعاع الكلّي المائل (GTI) المشار إليه بـ Eg ↓ t.
هناك حالة خاصة هي الحالة التي يكون فيها السطح أفقيًا ، ولكن مع وجود جهاز البيرانومتر متجهًا لأسفل بدلاً من اتجاه السماء. في هذه الحالة تكون الكمية التي تم قياسها هي الانعكاس المنتشر من سطح الأرض ، ويُشار إليه بـ Er↑
الشكل 2 إلى اليسار: جهاز البيرانومتر أفقي محاذي يقيس الإشعاع الأفقي العالمي (GHI) وإلى اليمين: جهاز بيرانومتر مائل يقيس إشعاعًا مائلًا عالميًا (GTI).
قد يختلف جهاز البيرانومتر اختلافًا كبيرًا اعتمادًا على ارتفاع الشمس في السماء (وبالتالي الموقع على الأرض والوقت من اليوم والوقت من السنة) وعلى عوامل الأرصاد الجوية والبيئية مثل السحب والهباء الجوي والضباب الدخاني والضباب والأمطار و الآخرين. تتراوح القيم النموذجية للإشعاع الأفقي العالمي من 0 إلى 1400 واط / متر مربع. يمكن أن تكون أكبر بسبب الانعكاسات من المباني أو الثلج أو في مثال أكثر غرابة في مركز مُكثّف شمسي.
ما هي اجهزة البيرانومتر المستخدمة؟
الشمس هي المصدر الرئيسي للأرض للطاقة خارج كوكب الأرض. وهذا له آثار مهمة في مجالين: الطقس والمناخ من ناحية ، وإنتاج الطاقة عن طريق حصاد الطاقة الشمسية من ناحية أخرى.
يعد جهاز البيرانومتر أحد القوى الدافعة وراء أنماط الطقس على الأرض ، وبالتالي فهو عامل مهم في دراسات الطقس والمناخ. في مثل هذه الدراسات ، تعمل اجهزة البيرانومتر في الغالب لقياس مؤشر الصحة العالمية لتحديد حادثة الإشعاع على سطح الأرض.
إن مؤشر الصحة العالمية الذي يقيسه المرء خارج الغلاف الجوي للأرض يمكن التنبؤ به إلى حد ما ، ولكن على سطح الأرض يعتمد الإشعاع بشدة على عوامل مثل التغطية السحابية وتركيز الهباء الجوي والضباب والضباب الدخاني.
قياس آخر مثير للاهتمام هو قياس صافي الإشعاع E * = Eg ↓ -Er ↑ أو البياض A = Er ↑ / Eg ↓. في هذه الحالة ، يتم استخدام مقياسين للحرارة متراصين أفقيًا: أحدهما يواجه الأرض والآخر باتجاه السماء.
في صناعة الطاقة الشمسية ، نستخدم اجهزة البيرانومتر لمراقبة أداء محطات الطاقة الكهروضوئية (PV). من خلال مقارنة خرج الطاقة الفعلي من محطة الطاقة الكهروضوئية بالإخراج المتوقع بناءً على قراءة مقياس الحرارة ، يمكن تحديد كفاءة محطة الطاقة الكهروضوئية.
قد يشير الانخفاض في الكفاءة إلى أن صيانة المحطة الكهروضوئية مطلوبة. يمكن أيضًا استخدام أجهزة اجهزة البيرانومتر لتحديد مدى ملاءمة المواقع المحتملة لمحطات الطاقة الكهروضوئية. في هذه الحالة ، نستخدم اجهزة البيرانومتر لتحديد الناتج المتوقع لتركيب الكهروضوئية.
توجد أيضًا مجالات أخرى للتطبيق مثل أتمتة البناء أو الزراعة.
كيف يعمل جهاز البيرانومتر ؟
اجهزة البيرانومتر هي مستشعرات إشعاع تعتمد على ظاهِرة «سيبك« أو » الظَّاهِرَةُ الْكَهْرَحَرَارِيَّةُ « المكونات الرئيسية لمقياس الحرارة هي قبة واحدة أو قبتان ، وجهاز امتصاص أسود ، وثرموبيل ، وجسم جهاز البيرانومتر وفي بعض الحالات إلكترونيات إضافية.
مكونات جهاز البيرانومتر:
تعمل القبة الموجودة على جهاز البيرانومتر كمرشح ينقل الإشعاع الشمسي بأطوال موجية من حوالي 0.3 إلى حوالي 3 × 10 متر (يحتوي هذا على الأشعة فوق البنفسجية القريبة والمرئية والأشعة فوق البنفسجية
أوجزء من الأشعة فوق البنفسجية) انظر الشكل 3) ، لكنها تمنع الإشعاع الحراري بأطوال موجية أطول من 3 ميكرومتر. من حين لآخر يتم استخدام قبة ثانية لتحسين أداء مقياس الحرارة.
تصنع قباب اجهزة البيرانومتر عادةً من زجاج Schott N-BK7 أو زجاج Schott WG295 ، ولكن في بعض الحالات يتم استخدام قباب الياقوت أو السيليكا المنصهرة (Spectrosil أو Infrasil). إن انتقال τ من الإشعاع الشمسي عبر القبة يقترب بشكل مثالي من 100٪ ، ولكنه في الواقع أقرب إلى 92٪. تعمل القبة أيضًا على حماية جهاز الامتصاص الأسود والحرارة من العناصر (المطر والثلج وما إلى ذلك).
يمتص السطح الأسود على مقياس الحرارة الإشعاع المفلتر ويتحول إلى حرارة. إذا كان الانتقال عبر القبة (القبة) هو ، فإن مساحة السطح الأسود هي A ومعامل امتصاص السطح الأسود هو α ، فيمكن حساب امتصاص الحرارة على النحو التالي:
على سبيل المثال α⋅τ⋅A⋅ Eg↓ =
هذا يخلق تدرجًا لدرجة الحرارة من السطح الأسود عبر المبرد الحراري إلى جسم مقياس الحرارة الذي يعمل كمبدد حرارة. يتم تحديد فرق درجة الحرارة من خلال:
ΔT = Rthermal⋅ امتصاص
حيث Rthermal هي المقاومة الحرارية لجهاز استشعار البيرانومتر. تعتمد هذه المقاومة الحرارية على التركيبة المحددة وهندسة مستشعر الحرارة. يتكون الثرموبيل من عدد من المزدوجات الحرارية المتصلة في سلسلة. ستولد كل ازدواج حراري جهدًا يتناسب مع اختلاف درجة الحرارة بين السطح الأسود والجسم:
ش = ς⋅ΔT
أين ς هو معامل سيبيك. على سبيل المثال ، معامل سيبيك للمزدوج الحراري النحاسي الثابت هو 41 × 10 فولت / كلفن.
تصنيف
اعتمادًا على مواصفات جهاز البيرانومتر مثل زمن الاستجابة ، والتعويضات الحرارية ، وعدم الاستقرار ، والخطية ، والاستجابة الاتجاهية ، والاستجابة الطيفية ، والاستجابة لدرجة الحرارة ، والاستجابة للميل ؛ وفي طريقة المعايرة ، يمكن تصنيف جهاز البيرانومتر إما على أنه مقياس درجة حرارة من الفئة A أو الفئة B أو الفئة C وفقًا لمعيار ISO 9060.
يمكن العثور على مناقشة أكثر تعمقًا حول كيفية عمل اجهزة البيرانومتر في كتاب Vignola et al. ⁴
مسطحة طيفية
مواصفات جهاز البيرانومتر
تحدد المواصفة ISO 9060 فئات جهاز البيرانومتر A و B و C. أضيفت فئة فرعية جديدة سميت “مسطح طيفيًا”.
تحتاج الغالبية العظمى من المستخدمين إلى استخدام أدوات الطبقة الفرعية المسطحة طيفيًا ؛ فقط الأدوات المسطحة طيفية تقيس بدقة عالية ، أيضًا عندما تحجب السحابة الشمس ، أو عندما يتضمن الإشعاع إشعاعًا منعكسًا.
تحدث هذه المواقف على سبيل المثال عندما تقيس الإشعاع الأفقي الكلّي (GHI) تحت سماء غائمة جزئيًا أو كليًا ، عند قياس مستوى مصفوفة (POA) أو البياض أو صافي الإشعاع. الأدوات العادية ، فقط من الفئة A أو B أو C ، وليست مسطحة طيفيًا ، تقيس بدقة فقط تحت سماء مشمسة صافية.
يعد استخدام الأدوات “المسطحة طيفيًا” أمرًا سهلاً لأن هذا يضمن: يمكنك القياس بدقة ليس فقط أفقيًا تحت السماء الزرقاء الصافية ولكن أيضًا GHI و POA و albedo
إقرأ أيضاً:
