Méthodes de mesure du rayonnement solaire à l'aide d'un pyrhéliomètre et d'un pyranomètre

Nous savons tous que la vie est soutenue sur terre grâce au soleil, car il fournit suffisamment d'énergie thermique pour garder la terre au chaud. Cette énergie est fournie par le soleil sous forme de rayonnement électromagnétique qui est généralement appelé rayonnement solaire. Une partie du rayonnement est bénéfique pour les humains tandis qu'un autre rayonnement est nocif pour toute vie.

Pour atteindre le rayonnement solaire à la surface de la terre, il doit traverser l'atmosphère où il est absorbé, diffusé, réfléchi et transmis, ce qui entraîne une réduction de la densité de flux d'énergie. Cette réduction est très significative car plus de 30% de perte se produit lors d'une journée ensoleillée et par temps nuageux, elle atteint 90%. Ainsi, le rayonnement maximal qui atteint la surface de la terre à travers l'atmosphère ne sera jamais supérieur à 80%.

Le flux solaire est très important à mesurer, car il est la base de la vie sur terre et est utilisé dans la construction de nombreux produits, qu'ils soient liés à l'électronique, aux cultures, aux médicaments, aux cosmétiques, etc. Dans ce tutoriel, nous en apprendrons davantage sur le rayonnement solaire et son mesure et apprendra également sur les deux instruments de mesure d'énergie solaire les plus populaires - pyrhéliomètre et pyranomètre.

Rayonnement du faisceau et rayonnement diffus

Le rayonnement que nous percevons en surface est à la fois un rayonnement direct et un rayonnement indirect du soleil. Le rayonnement qui provient directement du soleil est un rayonnement direct et il est appelé rayonnement de faisceau. Le rayonnement diffusé et réfléchi qui est envoyé à la surface de la terre de toutes les directions (réfléchi par des molécules, des particules, des corps animaux, etc.) est un rayonnement indirect et il est appelé rayonnement diffus. Et la somme des deux, le faisceau et le rayonnement diffus, est définie comme le rayonnement global ou le rayonnement total.

Il est important de faire la différence entre le rayonnement du faisceau et le rayonnement diffus car le rayonnement du faisceau peut être concentré alors que le rayonnement diffus ne le peut pas. Il existe de nombreux instruments de mesure du rayonnement solaire qui sont utilisés pour mesurer le rayonnement du faisceau et le rayonnement diffus.

Examinons maintenant le spectre du rayonnement électromagnétique dans le diagramme ci-dessous.

Dans l'ensemble du spectre, nous ne considérons que les longueurs d'onde des rayons UV aux rayons IR pour calculer le flux solaire, car la plupart des ondes haute fréquence du soleil n'atteignent pas la surface et les rayonnements basse fréquence après IR ne sont pas fiables. Ainsi, le rayonnement ou le flux solaire est généralement mesuré des rayons UV aux rayons IR et les instruments sont également conçus comme ça.

Les instruments de mesure du rayonnement solaire sont de deux types:

Pyrhéliomètre
Pyranomètre

Avant d'entrer dans le fonctionnement de ces instruments, vous devez comprendre quelques concepts utilisés lors de la conception des appareils. Alors maintenant, regardons ces concepts.

Rayonnement du corps noir

Un corps noir absorbe généralement toutes les radiations sans rien renvoyer dans l'atmosphère et plus pur le corps noir plus parfait l'absorption. Le fait est qu'il n'y a pas de corps noir parfait présent jusqu'à présent, nous nous contentons donc généralement du deuxième meilleur. Une fois que le corps noir a absorbé le rayonnement, il s'échauffe car le rayonnement lui-même est de l'énergie et après absorption, les atomes du corps sortent. Ce corps noir est utilisé comme composant central des instruments de mesure du rayonnement solaire. En face du corps noir, un corps blanc réfléchit tout le rayonnement qui lui tombe dessus dans l'atmosphère c'est pourquoi nous nous sentirons plus à l'aise avec des vêtements blancs pendant l'été.

Thermocouple

Le thermocouple est un dispositif simple construit à l'aide de deux conducteurs en matériau différent, comme indiqué sur la figure.

Ici, deux fils sont connectés pour former une boucle avec deux jonctions et ces jonctions sont désignées par «A» et «B». Maintenant, une bougie est amenée près de la jonction «A» tandis que la jonction «B» est laissée seule. La bougie étant présente la jonction à «A», sa température augmente considérablement tandis que la jonction B reste froide à température ambiante. Du fait de cette différence de température, une tension (différence de potentiel) apparaît aux jonctions selon «l' effet Seebeck». Comme le circuit est fermé, un courant «I» circule dans le circuit comme indiqué sur la figure et pour mesurer ce courant, nous connecterons un ampèremètre en série. Il est important de se rappeler que l' amplitude du courant `` I '' dans la boucle est directement proportionnelle à la différence de températureaux jonctions, des différences de température plus élevées se traduisent par une intensité plus élevée du courant. Ainsi, en obtenant la lecture de l'ampèremètre, nous pouvons calculer la différence de température aux jonctions.

Maintenant, après avoir couvert les bases, examinons la construction et le fonctionnement des instruments de mesure du rayonnement solaire.

Travail et construction du pyrhéliomètre

Le pyrhéliomètre est un appareil utilisé pour mesurer le rayonnement direct du faisceau à incidence normale. Sa structure extérieure ressemble à un long tube projetant l'image d'un télescope et nous devons pointer la lentille vers le soleil pour mesurer l'éclat. Ici, nous allons apprendre le principe de fonctionnement du pyrhéliomètre et sa construction.

Pour comprendre la structure de base du pyrhéliomètre, regardez le diagramme ci-dessous.

Ici, la lentille est dirigée vers le soleil et le rayonnement passera à travers la lentille, le tube et à la fin tombera sur l'objet noir présent en bas. Maintenant, si nous redessinons la structure interne entière et le circuit d'une manière plus simple, cela ressemblera à quelque chose comme ci-dessous.

Dans le circuit, on peut voir que le corps noir absorbe le rayonnement tombant de la lentille et, comme indiqué précédemment, un corps noir parfait absorbe complètement tout rayonnement qui tombe dessus, de sorte que le rayonnement tombant dans le tube est entièrement absorbé par l'objet noir. Une fois que le rayonnement est absorbé, les atomes du corps sont excités à cause de l'augmentation de la température de tout le corps. Cette augmentation de température sera également ressentie par la jonction de thermocouple «A». Maintenant, avec la jonction «A» du thermocouple à haute température et la jonction «B» à basse température, un flux de courant a lieu dans sa boucle comme discuté dans le principe de fonctionnement du thermocouple. Ce courant dans la boucle passera également à travers le galvanomètre qui est en série et provoquera ainsi une déviation dans celui-ci. Cel'écart est proportionnel au courant, qui à son tour est proportionnel à la différence de température aux jonctions.

Déviation ∝ Courant dans la boucle ∝ Différence de température aux jonctions.

Nous allons maintenant essayer d'annuler cet écart dans le galvanomètre à l'aide du circuit. Le processus complet d'annulation de l'écart est expliqué étape par étape ci-dessous.

Tout d'abord, fermez l'interrupteur dans le circuit pour démarrer le flux de courant.
Le courant coule comme,

Batterie -> Interrupteur -> Conducteur métallique -> Ampèremètre -> Résistance variable -> Batterie.

Avec ce courant traversant le conducteur métallique, sa température augmente jusqu'à un certain degré.
Étant en contact avec le conducteur métallique, la température de la jonction «B» augmente également. Cela réduit la différence de température entre la jonction «A» et la jonction «B».
En raison de la réduction de la différence de température, le flux de courant dans le thermocouple diminue également.
Puisque l'écart est proportionnel au courant, l'écart du galvanomètre diminue également.
En résumé, nous pouvons dire que la déviation du galvanomètre peut être réduite en ajustant le rhéostat pour modifier le courant dans le conducteur métallique.

Continuez maintenant à régler le rhéostat jusqu'à ce que la déviation du galvanomètre soit complètement vide. Une fois que cela se produit, nous pouvons obtenir les lectures de tension et de courant des compteurs et faire un calcul simple pour déterminer la chaleur absorbée par le corps noir. Cette valeur calculée peut être utilisée pour déterminer le rayonnement, car la chaleur générée par le corps noir est directement proportionnelle au rayonnement. Cette valeur de rayonnement n'est autre que le rayonnement solaire direct que l'on souhaite mesurer dès le début. Et avec cela, nous pouvons conclure le fonctionnement du pyrhéliomètre.

Travail et construction du pyranomètre

Le pyranomètre est un appareil qui peut être utilisé pour mesurer à la fois le rayonnement de faisceau et le rayonnement diffus. En d'autres termes, il est utilisé pour mesurer le rayonnement hémisphérique total (faisceau plus diffus sur une surface horizontale). Ici, nous allons apprendre le principe de fonctionnement du pyranomètre et sa construction.

L'appareil ressemble à une soucoupe OVNI qui est la meilleure forme adaptée à son objectif. Cet appareil est plus populaire que les autres et la plupart des données sur les ressources solaires mesurées aujourd'hui à l'aide de celui-ci. Vous pouvez voir l'image originale et la structure interne du pyranomètre ci-dessous.

Ici, le rayonnement de l'atmosphère environnante traverse le dôme de verre et tombe sur le corps noir situé au centre de l'instrument. Comme auparavant, la température du corps augmente après avoir absorbé tout le rayonnement et cette élévation sera également ressentie par la chaîne de thermocouple ou le module de thermocouple présent directement sous le corps noir. Ainsi, un côté du module sera chaud et un autre sera froid à cause du dissipateur thermique. Le module thermocouple génère une tension et cela peut être vu aux bornes de sortie. Cette tension reçue aux bornes de sortie est directement proportionnelle à la différence de température selon le principe d'un thermocouple.

Puisque nous savons que la différence de température est liée au rayonnement absorbé par le corps noir, nous pouvons dire que la tension de sortie est linéairement proportionnelle au rayonnement.

Semblable au calcul précédent, la valeur du rayonnement total peut être facilement obtenue à partir de cette valeur de tension. En utilisant également la teinte et en suivant la même procédure, nous pouvons également obtenir le rayonnement diffus. Avec le rayonnement total et la valeur du rayonnement diffus, la valeur du rayonnement du faisceau peut également être calculée. Par conséquent, nous pouvons calculer à la fois le rayonnement solaire diffus et le rayonnement total à l'aide du pyranomètre.