Солнечная радиация, приборы для ее измерения
Лучистая энергия Солнца, или солнечная радиация – основной источник энергии, приходящей на деятельную поверхность Земли. Она необходима для создания органического вещества в процессе фотосинтеза, влияет на рост и развитие растений, на продолжительность их вегетации, определяет урожайность.
Солнечная радиация состоит из трех составляющих: прямой солнечной радиации, рассеянной и суммарной.
Прямая солнечная радиация(S) – поток солнечных лучей, непосредственно падающих на поверхность Земли. Её интенсивность измеряется в калориях на см 2 в минуту. Она зависит от высоты солнца и состояния атмосферы (облачности, пыли, водяного пара). Это коротковолновая часть спектра, измеряемая актинометром (рис. 2.1).
Рисунок 2.1 – Приборы для измерения радиации: а — актинометр М-3; б — пиранометр M-80M: 1 – термобатарея, 4 – стеклянный колпак, 5 – экран (по А.П. Лосеву, 1994)
Актинометр устанавливается на горизонтальной площадке, нацеливается на солнце, закрепляется, открывается крышка, провода присоединяются к клеммам гальванометра. Если стрелка уходит за «0», провода меняют местами. На концах трубки есть кольца для нацеливания на солнце. На одном отверстие, на другом – точка. Пучок света проходит через отверстие и точно попадает на точку. Крышку закрывают и берут первый отсчет. Крышку снимают с интервалом 10-15 сек, каждый раз записывая отчет и время наблюдения.
Приход прямой радиации на земную поверхность зависит от угла падения солнечных лучей. Поток прямой солнечной радиации, падающей на горизонтальную поверхность, называют инсоляцией.
На негоризонтальную земную поверхность приход радиации зависит не только от высоты Солнца, но и от наклона поверхности, ее ориентации по отношению к сторонам света (экспозиции). Разница в приходе радиации особенно заметна весной и осенью, когда Солнце над горизонтом стоит невысоко. В результате на южных склонах даже при крутизне всего 3-5 0 раньше сходит снег, почва прогревается и поспевает на 7-10 суток раньше, чем на северных, что позволяет проводить посев в более ранние сроки.
Рассеянная радиация(D) – часть солнечной радиации, поступающей на горизонтальную поверхность со всех точек небесного свода за исключением солнца. Измеряется она пиранометром, затененным от прямой радиации. Это коротковолновая часть спектра. Длина волны 0,17-4,0 мк.
Суммарная радиация(Q) – состоит из рассеянной и прямой радиации на горизонтальную поверхность: Q= D+S
Суммарная радиация в пасмурную погоду состоит из одной рассеянной.
Отраженная солнечная радиация(Rk) – часть суммарной радиации, которая отражается земной поверхностью.
Интенсивность суммарной (Q),рассеянной (D)и отраженной (RK)радиации измеряют пиранометромМ-80М (рис. 2.1). При расположении приемной части вверх без затенения измеряют Q, при затенении – Д, а направив ее вниз – RK.
Отражательную способность любой поверхности можно характеризовать величиной ее альбедо(Ак), под которым понимают отношение отраженной солнечной радиации к суммарной. Альбедо обычно выражают в процентах:
А = Rk : Q 100 %.
Для непосредственного измерения и регистрации радиационного баланса служит балансомер (рис. 2.2). Приемником прибора являются две зачерненные с наружной стороны пластинки, расположенные параллельно. К внутренней стороне пластинок приклеены спаи термоэлектических батарей. Подсоединяется к гальванометру. Устанавливается на деревянной рейке на высоте 1,5 м от земли.
Радиационная энергия солнечного потока в Международной системе единиц (СИ) выражается в ваттах на квадратный метр (Вт/м 2 ). Сумма солнечной радиации за какой-либо промежуток времени измеряется в Дж/(м 2 ч), Дж/(м 2 сут) и т.д.
Соотношения между единицами: 1,0 кал/(см 2 мин) = 698 Дж/м 2 сек) = 698 Вт/м 2 ;
1 кал/см 2 = 4,19 х 10 4 Дж/м 2 ;
10 6 Дж/м 2 = 1 МДж/м 2 .
 |
Рисунок 2.3 – Балансомер М-10М:1- корпус, 2- приемная пластинка, 5- медный брусок, 6- изоляция, 9- серебряный слой, 10- константановая лента, 11- рукоятка, 12- теневой экран, 16- винт, 17- чехол (по А.П. Лосеву, 1994)
Растения усваивают только часть солнечной энергии – фотосинтетически активную радиацию (ФАР), световые лучи с длиной волны от 0,38 до 0,71 мкм. Ее величина рассчитывается по формуле:
ФАР = 0,43S + 0,57Д,
где S – прямая радиация, поступающая на горизонтальную поверхность;
D – рассеянная радиация.
Используемая часть ФАР растениями на фотосинтез и выраженная в процентах, называется коэффициентом использования или коэффициентом полезного действия ФАР. По А.А. Ничипорович, посевы сельскохозяйственных культур по использованию ФАР делятся на группы: обычные, использующие 0,5-1,5 % солнечной радиации; хорошие, использующие 1,5-3,0 %; рекордные – 3,5-5,0 %; теоретически возможные – 6-8 %. В сильной степени различается приход солнечной энергии и в зависимости от длины вегетационного периода зоны.
Фитосинтетическая активная радиация (ФАР) позволяет получать такую урожайность возделываемых культур в регионе, которую даже опытные учреждения и сортоучастки пока не имеют. Только за май, июнь, июль в районах Среднего Урала ФАР составляет 2,0 млр. ккал/га, за апрель – октябрь – 3,3 млр. ккал/га. Энергоемкость 1 г сухого вещества на Урале 4,5 ккал (Трушин В. Ф., 1990).
Потенциальная урожайность (пу), т/га определяется по формуле:
Упу = Gфар х Кg : 100g,
где Gфар – сумма ФАР за период вегетации культуры, МДж/га;
Кg – коэффициент полезного использования ФАР, %;
g – калорийность единицы сухого органического вещества.
Месячные суммы ФАР (МДж/м 2 месяц) на метеостанции Свердловска:
март 172, апрель 235, май 293, июнь 323, июль 302, август 235, сентябрь 142, октябрь 71.
1. Рассчитать потенциальную урожайность ячменя на Южном Урале, если посевы используют 2 % ФАР при продолжительности вегетационного периода с 1 мая по 10 августа. Калорийность ячменя 17000 МДж/т.
2. Вычислить потенциальную урожайность овса при коэффициенте использования ФАР 2,5 %. За вегетационный период сумма ФАР равна 1050 МДж/м 2 , калорийность овса 16500 МДж/т.
3. Посевами пшеницы занято 600 га. Вычислить потенциальную урожайность и валовой сбор зерна при продолжительности вегетационного периода с 1 мая по 15 августа. Коэффициент использования ФАР 1,5 %. Калорийность пшеницы 18000 МДж/т.
Вопросы.
1. Виды солнечной радиации?
2. Радиационный баланс?
3. Фотосинтетически активная радиация (ФАР)?
4. В каких единицах измеряется интенсивность солнечной радиации?
5. Приборы для измерения солнечной радиации?
Источник
1.6 Приборы для измерения солнечной радиации
Ряды данных наблюдений за различными видами солнечной радиации имеют свои особенности, связанные со спецификой наблюдений. Прежде всего, наблюдения проводятся в сроки, отличные от сроков, установленных для наблюдения за другими метеорологическими величинами.
Измерения составляющих радиационного баланса производятся 6 раз в сутки: в 0 ч 30 мин, 6 ч 30 мин, 9 ч 30 мин, 12 ч 30 мин, 15 ч 30 мин, 18 ч 30 мин. Наблюдения в срок не позволяют получить достаточно надежные данные. Стоит в момент наблюдения небольшому облачку прикрыть солнце, как измеряемое значение прямой солнечной радиации резко изменится. По этой причине, а также исходя из практической необходимости получать суммарный приход солнечного тепла за некоторый отрезок времени (час, сутки, месяц), при климатологической обработке наряду с характеристиками интенсивности солнечной радиации (энергетической освещенности) рассчитывают характеристики сумм солнечной радиации за часовые интервалы, сутки, месяц.
Характеристики часовых сумм получают либо по данным самописцев (которые имеются примерно на 1/3 актинометрических станций), либо с использованием графиков суточного хода. Такие графики строятся по многолетним средним значениям радиации в сроки наблюдений. С графика для середины часового интервала снимаются значения интенсивности, и по этим данным определяются часовые и суточные суммы. Месячные суммы вычисляются как произведение суточного значения на число календарных дней месяца.
В климатических справочниках помещают обычно следующие климатические показатели:
средняя интенсивность (энергетическая освещенность в кВт/м2) прямой, рассеянной, суммарной радиации и радиационного баланса при ясном небе и при средних условиях облачности;
средние суммы прямой солнечной радиации (МДж/м2) на нормальную к лучу поверхность и на горизонтальную поверхность при ясном небе и средних условиях облачности;
средние суммы суммарной солнечной радиации (МДж/м 2 ) на горизонтальную поверхность при ясном небе и средних условиях облачности;
средние суммы рассеянной солнечной радиации (МДж/м 2 ) на горизонтальную поверхность при средних условиях облачности;
альбедо деятельной поверхности (%) при средних условиях облачности;
средние суммы радиационного баланса деятельной поверхности (МДж/м 2 ) при средних условиях облачности
Средние значения интенсивности солнечной радиации при ясном небе получают при следующих условиях: для рассеянной, суммарной радиации и радиационного баланса — общая облачность не более 2 баллов, солнечный диск и околосолнечная зона радиусом 5° свободны от облаков и следов облаков; для прямой радиации — независимо от облаков, но при диске солнца и околосолнечной зоне 5°, свободных от облаков и их следов.
Характеристики интенсивности солнечной радиации при средних условиях облачности получают путем непосредственного подсчета по данным наблюдений при любых условиях облачности и состояния диска солнца.
Наряду со средними значениями характеристик солнечной радиации вычисляют также средние квадратические отклонения, коэффициенты асимметрии и корреляции суточных сумм радиации (в последнем научно-прикладном справочнике эти характеристики вычислены только для суммарной радиации).
Для прикладных целей рассчитывают климатические характеристики сумм солнечной радиации на вертикальные и наклонные поверхности.
Приборы для измерения солнечной радиации можно разделить на две основные группы: пирогелиометры, используемые для измерений направленного потока излучения H * b и пиранометы или солариметры — для измерений полного потока Htc
В табл. 1.2 приведены основные характеристики приборов, используемые для измерений солнечной энергии.
Т а б л и ц а 1.2 — Классификация солнечных радиометров
Стабильность,% в год
Абсолют ная точно сть %
Типичный отклик при плотности по тока 1кВт ×м -2
Эталонный стандартный пирогелиометр
Направленное излучение (абсолютные измерения, сравнение с нагревом поверхности то ком
Солариметр 1-го класса
Суммарное излучение H1
Суммарное излучение H1
Отклонение на 5 см
Cуммарное излучение H1
Актинометр 2-го класса
Прямое излучение Hb
Количество солнечных часов
Количество солнечных часов
Фотографиро вание со спутника
Количество солнечных часов
Первыми стандартными приборами для измерения прямой солнечной радиации были пиргелиометр Ангстрема, разработанный в Стокгольме, и проточный калориметр Аббота из Смитсонианского института в Вашингтоне. В пиргелиометре Ангстрема приводятся в соответствие тепловые эффекты облучения приемника солнечной энергии и электронагрева затененного элемента. Для измерения уровня электронагрева используются обычные методы электрических измерений. Проточный калориметр Аббота имеет полость, которая поглощает солнечное излучение, а повышение температуры циркуляционной охлаждающей воды пропорционально интенсивности падающего излучения. Пиргелиометр Аббота с серебряным диском является еще одним стандартным прибором, в котором скорость изменения температуры диска приближенно пропорциональна .интенсивности падающего излучения. В течение многих лет отмечалось, что американские и европейские измерения радиации не согласуются между собой и, как указывали различные исследователи во многих странах, расхождение составляло от 2,5 до 6%. В сентябре 1956 г. была установлена новая Международная пиргелиометрическая шкала 1956, которая внесла поправки +1,5% к шкале Ангстрема и —2,0% к смитсонианской шкале Аббота. Впоследствии все приборы калибровались в соответствии с Международной пиргелиометрической шкалой 1956.
Принцип действия большинства пиранометров, которые используются для измерения суммарной радиации, а при затенении от прямых лучей и диффузной радиации, основан на измерении разности температур черных (поглощающих излучение) и белых (отражающих излучение) поверхностей с помощью термоэлементов. Последние дают сигнал в милливольтах, который можно легко контролировать с помощью целого ряда стандартных самопишущих систем.
Характерным примером такого типа приборов является пиранометр Эппли. Другой, хорошо известный тип пиранометра — пиранометр Робича —основан на различном расширении биметаллического элемента, тогда как с помощью дистилляционного пиранометра Беллани, в котором спирт конденсируется в калиброванном конденсаторе, измеряется суммарная солнечная радиация за данный промежуток времени.
Значительно более простые измерения, которые проводятся во многих местах, связаны с определением продолжительности солнечного сияния, т. е. времени, когда диск Солнца не закрыт облаками или дымкой. Она измеряется с помощью самопишущего прибора Кэмпбелла — Стокса, в котором используется сферическая линза, фокусирующая солнечное излучение на термочувствительной бумаге. При наличии прямой солнечной радиации на бумаге появляется след в виде прожога.
На рис.1.18 представлены способы измерения различных составляющих солнечного излучения. При этом предполагается, что детектором является зачерненная поверхность единичной площади с фильтром, обрезающим длинноволновое излучение.
Климатологическими показателями солнечного сияния, регистрируемого гелиографом, служат:
средняя общая продолжительность солнечного сияния (часы и %),
средняя продолжительность сияния в день с солнцем;
среднее месячное значение продолжительности солнечного сияния для каждого часового интервала;
среднее число дней без солнца;
среднее квадратическое отклонение продолжительности солнечного сияния.
Характеристики первого показателя вычисляются непосредственным подсчетом за весь период наблюдений. Относительная характеристика продолжительности солнечного сияния представляет собой отношение наблюдавшейся продолжительности к теоретически возможной, т. е. продолжительности сияния при безоблачном небе от восхода до захода. Для горных станций возможная продолжительность исправляется поправкой на закрытость горизонта.
Вычисление остальных характеристик не встречает, как правило, затруднений.
а) регистрируются только прямые лучи; б) регистрируются только диффузная составляющая; в) регистрируются суммарное излучение: 1 – приемная площадка, перпендикулярная потоку излучения; 2 — горизонтальная приемная площадка; 3 – произвольный угол наклона приемника
Рисунок 1.18 — Способы измерения различных составляющих
Рассмотрим некоторые датчики и приборы, которые используются для регистрации солнечной радиации.
На рисунке 1.19 показан современный датчик радиационного баланса QMN101 предназначенный для последовательного измерения общей (суммарной) радиации, которая является балансом между входящей и выходящей радиаций на открытом воздухе.
Рисунок 1.19 – Внешний вид датчика радиационного
Датчик состоит из двух, покрытых тефлоном, водоустойчивых, черных, конических поглотителей и основан на термобатарее. Напряжение выхода пропорционально радиационному балансу. QMN101 не требует хрупких пластиковых колпаков, что облегчает его обслуживание.
Технические данные датчика радиационного баланса QMN101:
Чувствительность (номинал): 100 мкВ/Вт/м 2 .
Спектральный диапазон: 0.2 – 100 микрон .
Время ответа (1/е): 2 с номинал.
Диапазон: -2000 до +2000 Вт/м 2 .
Рабочая температура: -30…+70°С.
Актинометр (от греч. ακτίς — луч и μέτρον — мера) — измерительный прибор, который служит для измерения интенсивности электромагнитного излучения, преимущественно видимогоиультрафиолетовогосвета. Вметеорологииприменяется для измерения прямойсолнечной радиации.
Так назвал Гершельизобретенный им в 1834 году инструмент, служащий для измерения нагревательной силы солнечных лучей (см. рисунок 1.20). Ещё раньше Гер шеля Соссют построил с этою же целью инструмент, который он назвал гелиотермометром, а позже (1838)Пульеизобрел так называемыйпиргелио метр. Актинометром названы также приборы, измеряющие количество лучистой теплоты, испускаемой в небесное пространство (Пулье, 1838). Самое большое значение имеет Актинометр, изобретенный Пулье (пиргелиометр); в общем он состоит из цилиндрического серебряного сосуда, крышка которого уставлена перпендикулярно к солнечным лучам; сосуд наполнен водой с погруженным в неё шариком очень чувствительного термометра; крышка, воспринимающая лучи, закопчена (покрыта сажей) для большего их поглощения. Из повышения температуры воды в определенное время вычисляют количество поглощенного тепла известною плоскостью в данное время. К этому надо ещё прибавить ту теплоту, которую воспринимающая поверхность теряет через лучеиспускание. Дабы таковую найти, устанавливают Актинометр так, чтобы воспринимающая поверхность была обращена в ту сторону неба, где солнца нет, и по понижению температуры вычисляют потерянное количество тепла. Актинометр иногда называют и обыкновенныйактинограф.
Актинометр с набором фильтров может быть использован для прямой солнечной радиации в различных участках солнечного спектра.
Рисунок 1.20 — Актинометр Гершеля
Пиранометр (греч. πῦρ + άνω + μέτρον — огонь+наверху+мера) — тип актинометра, используемый для измерения солнечной радиации, попадающей на поверхность. Прибор специально разработан, чтобы измерять плотность потока солнечного излучения (то есть в ваттах на квадратный метр), исходящего со всей верхней полусферы. Стандартный пиранометр не требует электропитания.
В качестве датчика пиранометры используют (в зависимости от измеряемого диапазона частот) либо термопары, покрашенные черной краской, либо фотодиод. Датчик помещается под прозрачный стеклянный или пластиковый колпак для защиты от внешнего воздействия.
Пиранометры применяются в метеорологии, климатологии, а также в установках солнечных батарей.
Для сертификации пиранометров используются стандарт ISO 9060 или эквивалентный стандарт Всемирной метеорологической организации. Стандарты используют своеобразную терминологию. Приборы высокой точности соответствуют «вторичному стандарту» (secondary standard) по ISO (или «высокого качества» по терминологии ВМО), а приборы более низкой точности соответствуют «первому классу» (first class) по ISO (или «хорошего качества» по ВМО). Также существует «второй класс» по ISO, еще менее требовательный, чем первый класс.
Термопа́ра (термоэлектрический преобразователь температуры) — термоэлемент, применяемый в измерительных и преобразовательных устройствах, а также в системах автоматизации (см. рисунок 1.21).
Международный стандарт на термопары МЭК 60584 (п.2.2) дает следующее определение термопары: Термопара — пара проводников из различных материалов, соединенных на одном конце и формирующих часть устройства, использующего термоэлектрический эффектдля измерения температуры.
Для измерения разности температур зон, ни в одной из которых не находится вторичный преобразователь (измеритель термо-ЭДС), удобно использовать дифференциальную термопару: две одинаковых термопары, соединенных навстречу друг другу (см. рисунок 1.22). Каждая из них измеряет перепад температур между своим рабочим спаем и условным спаем, образованным концами термопар, подключёнными к клеммам вторичного преобразователя, но вторичный преобразователь измеряет разность их сигналов, таким образом, две термопары вместе измеряют перепад температур между своими рабочими спаями. При температуре спая нихрома и алюминий-никеля равной 300 °C термоэдс составляет 12,2 мВ.
Рисунок 1.21 — Фотография термопары
Рисунок 1.22 — Схема термопары
Фотодио́д — приёмник оптического излучения, который преобразует попавший на его фоточувствительную областьсветв электрическийзарядза счёт процессов в p-n-переходе.
Фотодиод, работа которого основана нафотовольтаическом эффекте(разделение электронов и дырок в p- и n- области, за счёт чего образуется заряд иЭДС), называетсясолнечным элементом. Кроме p-n фотодиодов, существуют и p-i-n фотодиоды, в которых между слоями p- и n- находится слой нелегированного полупроводника i. p-n и p-i-n фотодиоды только преобразуют свет в электрический ток, но не усиливают его, в отличие от лавинных фотодиодов ифототранзисторов.
На рисунке 1.23 приведен вид фотодиода, а на 1.24 и 1.25 структурная схема и обозначения на схемах.
Рисунок 1.23 – Вид фотодиода
1 — кристалл полупроводника; 2 — контакты; 3 — выводы;
Φ — поток электромагнитного излучения; Е — источник постоянного тока; RH — нагрузка.
Рисунок 1.24 — Структурная схема фотодиода.
Рисунок 1.25 — Обозначение на схемах
Актинограф служит для того, чтобы при помощи различной интенсивности окраски чувствительной к светубумаги сравнивать силу химически действующихлучейразличных источников света.
Актинограф состоит из приёмника (как правило термоэлектрического актинометра), вращаемого за светиломгелиостатата, и гальванографа (самопишущего высокочувствительногогальванометрарегистрирующего поток).
Вид актинографа приведен на рис. 1.26.
Для измерения общей солнечной радиации также применяют пиранометры. На рисунке 1.27 показаны пиранометры QMS101 и QMS102.
Рисунок 1.26 — Актинограф (Hurter & Driffield’s)
Пиранометр QMS101 является экономичным датчиком измерения общей солнечной радиации и использует фотодиодный детектор для создания пропорционального замеряемой радиации напряжения выхода. Благодаря уникальной конструкции диффузера, его чувствительность пропорциональна косинусу угла падения радиации, что позволяет производить точные и последовательные измерения.
Пиранометр QMS101 имеет встроенный кабель и разъем и легко устанавливается на кронштейн датчиков.
Рисунок 1.27 – Внешний вид пиранометров QMS101 и QMS102
Пиранометр QMS102 – ISO-cертифицированный пиранометр второго класса. Точный, оптический, стеклянный колпак действует как фильтр, с спектральной полосой пропускания, позволяющий полному солнечному спектру достигнуть датчика. Датчик представляет собой зачерненную термобатарею высокого качества с плоским спектральным выходным сигналом. Нагрев датчика входящей солнечной радиацией вырабатывает сигналы в микровольтовом диапазоне.
QMS101: 0.4…1 .1 микрон
QMS101: 0.3. 2.8 микрон
Также для измерения солнечной радиации на плоской горизонтальной поверхности используется пиранометр CM11 (Вт/м 2 ), который показан на рисунке 1.28. Он состоит из следующих частей:двойной стеклянный колпак, металлический корпус, черный датчик, противосолнечный экран, регулируемая по высоте ножка. Диаметр колпака — 40 мм.
Пиранометр содержит датчик со 100 термопарами, встроенных в подложку для толстопленочных гибридных ИС и помещенный под стеклянный колпак. Белый экран защищает корпус прибора от перегрева. Пиранометр снабжен спиртовым уровнем и винтами для точной настройки при установке.
Технические данные пиранометра:
Спектральный диапазон: 305…2800 нм.
Чувствительность: 4…6 мкВ/Вт м 2 .
Рабочая температура: -40°С. +90°С.
Рисунок 1.28 – Внешний вид пиранометра CM11
Для регистрации длительности солнечного сияния в течении светового дня можно использовать гелиограф DSU12 (рисунок 1.29) и гелиограф (рисунок 1.30) Кемпбелла – Стокса.
Модель гелиографа DSU12 фирмы Vaisala работает на основе замыкания контакта под действием прямого солнечного излучения выше заданного уров ня. Длительность солнечного сияния в течение дня – это сумма продолжительности данных замыканий и может быть легко записана логгером. DSU12 содержит шесть чувствительных зачерненных температурных биметаллических пар элементов, расположенных по окружности.
Гелиограф DSU12 может использоваться на широтах между 0° и 65° в любом полушарии. Датчик необходимо устанавливать на открытом, не попадающим в тень в течение всего дня месте. Благодаря своей форме и геометрии пар элементов DSU12 не нуждается в специальной настройке для широты местности или времени года. Прибор снабжен 2-жильным экранированным кабелем длиной два метра.
Спектральная характеристика: меньше чем –3 дБ между 350 и 1600 нм.
Рабочая температура: -20°С. +50°С.
Рисунок 1.29 – Гелиографа DSU12 фирмы Vaisala
Рисунок 1.30 — Гелиограф Кемпбелла – Стокса.
Источник