Bức xạ mặt trời là một trong những nguồn cung cấp năng lượng chính cho Trái đất. Nó không chỉ mang lại sự sống cho thực vật và làm cho Trái đất ấm lên mà còn được sử dụng để sản xuất năng lượng tái tạo.
Có nhiều cách để đo bức xạ mặt trời và mỗi phương pháp đều có những lợi ích và hạn chế riêng. Vì vậy, điều quan trọng là phải có các công cụ để đo và định lượng bức xạ mặt trời.
Nhiệt kế là một trong số chúng và được sử dụng để đo bức xạ mặt trời trực tiếp. Nói cách khác, nhiệt kế đo lượng ánh sáng mặt trời chiếu trực tiếp vào bề mặt. Dụng cụ này được thiết kế chỉ để đo bức xạ mặt trời chứ không phải bức xạ bầu trời khuếch tán.
Trong bài đăng này, chúng ta sẽ khám phá mọi thứ cần biết về nhiệt kế. Bắt đầu nào!
Pyrheliometer là gì?
Pyrheliometer là một công cụ được sử dụng để đo cường độ của ánh sáng mặt trời trực tiếp. Khi tia nắng mặt trời chiếu vào thiết bị, một cảm biến ánh sáng sẽ đo lượng ánh sáng mặt trời và sau đó gửi thông tin này đến màn hình.
Dụng cụ này được tạo thành từ một lỗ nhỏ trên màn hình và một thang đo hiệu chuẩn. Lỗ được sử dụng để đo lượng ánh sáng mặt trời đi qua nó và thang đo hiệu chuẩn được sử dụng để chuyển nó thành một giá trị số.
Pyrheliometers có thể được sử dụng để đo cả mức bức xạ mặt trời ngắn hạn và dài hạn. Chúng thường được sử dụng để đo lượng bức xạ tới trên một bề mặt hoặc để tính tổng lượng bức xạ mà một vị trí nhận được.
Pyrheliometers cùng với pyranometers là những công cụ chính được sử dụng để đo bức xạ mặt trời trực tiếp và toàn cầu. Tuy nhiên, pyrheliometers chỉ được sử dụng để đo bức xạ mặt trời trực tiếp, trong khi pyranomet có thể đo cả bức xạ mặt trời trực tiếp và toàn cầu.
Tại sao chúng ta phải đo bức xạ mặt trời trực tiếp khi chúng ta cũng có thể đo bức xạ mặt trời toàn cầu?
Nguyên nhân chính là do bức xạ mặt trời trực tiếp là thành phần bức xạ mặt trời ảnh hưởng nhiều nhất đến khí hậu Trái đất. Đó là bức xạ đi đến bề mặt Trái đất mà không bị phân tán hoặc hấp thụ bởi bầu khí quyển.
Khi đo bức xạ mặt trời toàn cầu, chúng ta đang bao gồm cả bức xạ đã bị phân tán và hấp thụ bởi khí quyển. Điều này có nghĩa là phép đo không chỉ bị ảnh hưởng bởi bức xạ truyền đến bề mặt Trái đất, mà còn bởi bức xạ phát ra từ bầu khí quyển.
Mặt khác, khi đo bức xạ mặt trời trực tiếp, chúng ta chỉ đo bức xạ truyền đến bề mặt Trái đất. Điều này có nghĩa là phép đo không bị ảnh hưởng bởi bức xạ do khí quyển phát ra.
Đây là lý do tại sao điều quan trọng là phải đo cả bức xạ mặt trời trực tiếp và toàn cầu. Bằng cách đó, chúng ta có thể hiểu chính xác hơn về bức xạ đang ảnh hưởng đến khí hậu Trái đất.
Làm thế nào để một Pyrheliometer hoạt động?
Pyrheliometer hoạt động bằng cách đo lượng bức xạ điện từ tới trực tiếp trên bề mặt của nó. Dụng cụ này bao gồm một ống có một lỗ nhỏ ở một đầu và một cảm biến ánh sáng ở đầu kia.
Khi tia nắng mặt trời chiếu vào thiết bị, chúng sẽ đi qua lỗ và chạm vào cảm biến ánh sáng. Cảm biến này sau đó đo lượng bức xạ đã đi qua lỗ và gửi thông tin này đến màn hình.
Tuy nhiên, có những nhiệt kế không có cảm biến ánh sáng. Thay vào đó, chúng có bề mặt màu đen ở cuối ống. Khi tia nắng mặt trời chiếu vào bề mặt này, chúng sẽ bị hấp thụ và tạo ra nhiệt lượng được truyền đến nhiệt điện.
Chất nhiệt này sau đó tạo ra một dòng điện. Dòng điện đi qua đồng hồ vạn năng được biến đổi thành giá trị số.
Số đọc từ đồng hồ vạn năng tính bằng milivôn và tỷ lệ với lượng bức xạ đã nhận được. Giá trị này sau đó có thể được chuyển đổi thành watt trên mét vuông bằng cách sử dụng hệ số hiệu chuẩn.
Pyrheliometers được lắp đặt trên một giá đỡ theo dõi giúp thiết bị luôn hướng về phía mặt trời. Giá đỡ thường được điều khiển bằng máy tính hoặc hệ thống theo dõi tự động.
Ngàm cho phép di chuyển trên 2 trục: góc phương vị và độ cao. Ngàm phương vị điều khiển chuyển động quay của thiết bị theo trục thẳng đứng, trong khi ngàm nâng điều khiển chuyển động quay của thiết bị theo trục ngang.
Điều này cho phép thiết bị luôn hướng về phía mặt trời bất kể thời gian trong ngày hay mùa.
Làm thế nào để Pyrheliometer theo dõi vị trí của mặt trời?
Pyrheliometers được lắp đặt trên một máy theo dõi năng lượng mặt trời để giữ cho nó luôn hướng vào mặt trời. Bộ theo dõi năng lượng mặt trời liên tục điều chỉnh vị trí của thiết bị để đảm bảo rằng nó luôn hướng về phía mặt trời.
Vị trí lý tưởng của pyrheliometer được tính bằng thuật toán vị trí mặt trời dựa trên tọa độ GPS và thời gian trong ngày. Một số thiết bị theo dõi cũng có thể sử dụng các cảm biến bổ sung (cảm biến mặt trời) để tinh chỉnh vị trí khi mặt trời nhìn thấy và đạt được độ chính xác theo dõi tốt hơn 0,1 °.
Điều quan trọng là các bộ theo dõi phải duy trì ổn định và ổn định trong thời gian dài bất kể điều kiện thời tiết. Do đó, nhiều thiết bị theo dõi nhiệt kế hiện đại bao gồm cảm biến gió và độ nghiêng để bù cho gió giật và các bề mặt không bằng phẳng.
Hiệu chuẩn Pyrheliometer
Việc đo chính xác bức xạ mặt trời chùm trực tiếp rất quan trọng đối với nhiều ứng dụng khoa học và công nghiệp. Đó là lý do tại sao nhiệt kế cần được hiệu chuẩn thường xuyên.
Việc hiệu chuẩn một nhiệt kế thường được thực hiện bằng cách hướng nó vào mặt trời và đo lượng bức xạ bằng nhiệt kế tới. Nhiệt kế được hiệu chuẩn bằng cách điều chỉnh độ lệch 0 và độ lợi của cảm biến cho đến khi giá trị đo được bằng giá trị của nhiệt kế sự cố.
Các máy đo nhiệt độ mới cần phải được hiệu chuẩn khi chúng được lắp đặt lần đầu tiên và sau đó lặp lại sau mỗi 6 tháng đến 1 năm. Điều này là cần thiết để đảm bảo rằng thiết bị vẫn chính xác và cung cấp các phép đo đáng tin cậy.
Vì bức xạ mặt trời vào một ngày nhất định có thể thay đổi đáng kể, nên một máy đo nhiệt độ phải được hiệu chuẩn theo tiêu chuẩn đã biết.
Các yêu cầu về phép đo Pyrheliometer chịu sự điều chỉnh của các hướng dẫn của Tổ chức Tiêu chuẩn hóa Quốc tế (ISO) và Tổ chức Khí tượng Thế giới (WMO). So sánh hiệu chuẩn giữa các nhiệt kế được thực hiện thường xuyên để xác định độ chính xác của chúng.
Các cuộc so sánh nhiệt kế quốc tế diễn ra 5 năm một lần tại Trung tâm bức xạ thế giới ở Davos, nhằm mục đích đảm bảo sự truyền tải toàn cầu của Tham chiếu đo bức xạ thế giới.
Trong quá trình so sánh này, tất cả các bên liên quan tham gia mang theo các thiết bị, hệ thống theo dõi năng lượng mặt trời và thu thập dữ liệu của họ đến Davos để thực hiện các phép đo bức xạ mặt trời đồng thời với Nhóm Tiêu chuẩn Thế giới.
Lợi ích của việc sử dụng Pyrheliometer là gì?
Có một số lợi ích khi sử dụng Pyrheliometer. Một số lợi ích này bao gồm:
- Khả năng đo cường độ ánh sáng mặt trời trực tiếp
- Khả năng tính toán lượng bức xạ tới trên bề mặt
- Khả năng đo lượng ánh sáng mặt trời tập trung vào một khu vực nhỏ
Những hạn chế của việc sử dụng Pyrheliometer là gì?
Cũng có một số hạn chế khi sử dụng Pyrheliometer. Một số hạn chế bao gồm:
- Thiết bị chỉ có thể đo lượng ánh sáng mặt trời trực tiếp
- Thiết bị không thể đo ánh sáng mặt trời khuếch tán
- Thiết bị không thể đo ánh sáng mặt trời phản chiếu
- Thiết bị không thể đo bức xạ nhiệt
Làm thế nào chính xác là Pyrheliometers?
Độ chính xác của Pyrheliometer có thể khác nhau tùy thuộc vào loại Pyrheliometer đang được sử dụng. Tuy nhiên, hầu hết các Pyrhelimeters có độ chính xác ± 3%.
Các loại Pyrheliometers khác nhau là gì?
Có hai loại Pyrheliometers: SHP1 và CHP1.
SHP1
Khi so sánh với loại CHP1, loại SHP1 có giao diện tốt hơn vì nó bao gồm cả o / p tương tự cải tiến và RS-485 Modbus kỹ thuật số. Loại đồng hồ này có thời gian phản hồi dưới 2 giây và nhiệt độ điều chỉnh dao động từ -40 ° C đến 70 ° C.
CHP1
Máy đo bức xạ CHP1 là loại được sử dụng phổ biến nhất để đo trực tiếp bức xạ mặt trời.
Đồng hồ này có một đầu dò nhiệt và hai cảm biến nhiệt độ. Nó tạo ra o / p tối đa là 25mV trong điều kiện khí quyển bình thường. Đây là loại thiết bị tuân thủ nghiêm ngặt các tiêu chuẩn ISO và WMO gần đây nhất về tiêu chí Pyrheliometer.
Loại Pyrheliometer nên được sử dụng tùy thuộc vào loại ứng dụng đang được sử dụng. Một số yếu tố cần được xem xét khi chọn Pyrheliometer bao gồm:
- Kích thước của khẩu độ
- Dải bước sóng đang được đo
- Độ chính xác của Pyrheliometer
- Loại bức xạ đang được đo
Pyrheliometers được sử dụng ở đâu?
Pyrheliometers được sử dụng trong nhiều ứng dụng, bao gồm:
Nghiên cứu năng lượng mặt trời
Các nghiên cứu về năng lượng mặt trời được hưởng lợi từ độ chính xác cao và phản ứng nhanh của máy đo nhiệt độ trong việc tính toán bức xạ bình thường trực tiếp (DNI). Phép đo này là cần thiết để xác nhận các sản phẩm bức xạ có nguồn gốc từ vệ tinh và các phép đo trên mặt đất.
Hệ thống năng lượng nhiệt mặt trời
Pyrheliometers được sử dụng cùng với các cảm biến khác để đo thông lượng bức xạ nhiệt. Thông tin này sau đó được sử dụng để thiết kế và tối ưu hóa các hệ thống nhiệt mặt trời.
Hệ thống quang điện
Hệ thống PV năng lượng mặt trời chuyển đổi ánh sáng mặt trời thành năng lượng điện. Khi lắp đặt hệ thống PV năng lượng mặt trời, điều quan trọng là phải biết lượng ánh sáng mặt trời trực tiếp có sẵn tại địa điểm. Thông tin này có thể thu được bằng cách sử dụng Pyrheliometer.
Thiết bị máy bay
Pyrheliometers được sử dụng trong máy bay để đo lượng ánh sáng mặt trời tập trung vào một khu vực nhỏ. Thông tin này sau đó được sử dụng để giúp duy trì hệ thống định vị và liên lạc của máy bay.
Dự báo thời tiết
Pyrheliometers cũng được sử dụng trong dự báo thời tiết để đo lượng ánh sáng mặt trời trực tiếp. Thông tin này giúp các nhà khí tượng học hiểu rõ hơn bức xạ của mặt trời ảnh hưởng đến thời tiết như thế nào.
Hàng hải
Hàng hải cũng dựa vào việc sử dụng Pyrheliometers. Những thiết bị này được sử dụng để tính toán vị trí của mặt trời, sau đó được sử dụng để giúp điều hướng một con tàu.
Đo độ ẩm của đất
Pyrheliometers cũng có thể được sử dụng để đo lượng ánh sáng mặt trời chiếu tới trên bề mặt. Thông tin này có thể được sử dụng để giúp xác định tốc độ bay hơi và thoát hơi nước của đất.
Khảo sát đất đai
Pyrheliometers cũng được sử dụng trong khảo sát đất liền để đo lượng ánh sáng mặt trời chiếu tới trên bề mặt. Thông tin này có thể được sử dụng để giúp xác định độ lớn của bề mặt.
Kĩ thuật hàng không vũ trụ
Kỹ thuật hàng không vũ trụ cũng sử dụng Pyrheliometers để đo lượng ánh sáng mặt trời chiếu tới trên bề mặt. Trong lĩnh vực này, các thiết bị được sử dụng để đo tải nhiệt trên một cấu trúc.
Nghiên cứu khí hậu
Pyrheliometers cũng được sử dụng trong nghiên cứu khí hậu để đo lượng ánh sáng mặt trời chiếu tới trên bề mặt. Các nhà nghiên cứu khí hậu sử dụng thông tin này để giúp hiểu khí hậu Trái đất đang thay đổi như thế nào.
Pyrheliometers là một công cụ có giá trị để đo bức xạ mặt trời và có thể được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau. Bằng cách hiểu những hạn chế của việc sử dụng Pyrheliometer, bạn có thể đảm bảo rằng bạn đang nhận được số đọc chính xác nhất có thể.
Mẹo để duy trì Pyrheliometer của bạn
Máy đo nhiệt độ yêu cầu bảo trì tối thiểu. Tuy nhiên, có một số mẹo có thể được tuân theo để giúp bảo trì nhạc cụ:
- Giữ Pyrheliometer sạch sẽ và không có bụi bẩn
- Đảm bảo khẩu độ rõ ràng và không bị cản trở
- Kiểm tra kính thiên văn xem có bị hỏng hoặc mòn không
- Giữ thiết bị ở nơi an toàn khi không sử dụng
Bằng cách làm theo các mẹo này, bạn có thể giúp duy trì Pyrheliometer của mình và đảm bảo rằng nó cung cấp các kết quả đọc chính xác.
Góc đo Pyrheliometer
Khi sử dụng nhiệt kế, góc mà nó hướng vào sẽ ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Nhiều người có quan niệm sai lầm rằng nửa góc mở của kính thiên văn của máy đo hình cầu là cái mà chúng ta định nghĩa là ‘trường nhìn’.
Tuy nhiên, đây không phải là trường hợp. Thay vào đó, trường nhìn được xác định là góc được thiết bị phụ trợ tại mục tiêu. Nói cách khác, góc giữa đường ngắm tới mục tiêu và đường phân giác vuông góc của khẩu độ.
Kích thước vật lý của máy dò cũng sẽ chiếm một số trường nhìn của khẩu độ, điều này sẽ làm giảm góc có thể nhìn thấy mục tiêu.
Pyrheliometers sử dụng một hàm hình học được gọi là hàm chấp nhận để tích hợp tất cả các bức xạ. Hàm chấp nhận là một đồ thị của góc đặc được máy dò chấp nhận như một hàm của góc từ trục quang học.
Hàm chấp nhận có thể được sử dụng để tính toán phản ứng góc của máy dò, điều này rất quan trọng khi cố gắng sửa bất kỳ lỗi góc nào.
Khi sử dụng nhiệt kế, điều quan trọng là phải hiểu các yếu tố khác nhau có thể ảnh hưởng đến độ chính xác của phép đo. Bằng cách hiểu các yếu tố này, chúng tôi có thể thực hiện các bước cần thiết để đảm bảo rằng các phép đo của chúng tôi chính xác nhất có thể.
Những gì cần tìm để chọn một Pyrheliometer?
Dải quang phổ
Khi chọn một Pyrheliometer, điều quan trọng là phải xem xét phạm vi quang phổ mà thiết bị bao phủ. Thiết bị phải bao phủ dải bước sóng đang được đo.
Kích thước khẩu độ
Kích thước khẩu độ cũng rất quan trọng cần xem xét khi chọn Pyrheliometer. Thiết bị phải có kích thước khẩu độ lớn để cho phép các phép đo chính xác.
Thời gian đáp ứng
Bất kỳ thiết bị đo nào cũng cần thời gian để đáp ứng với sự thay đổi của thông số được đo. Thời gian đáp ứng của Pyrheliometer nên được xem xét khi chọn thiết bị.
Nhiệt độ hoạt động
Nhiệt độ hoạt động của Pyrheliometer cũng nên được xem xét khi mua hàng. Thiết bị phải có dải nhiệt độ hoạt động rộng để cho phép sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau.
Góc nhìn
Để chỉ đo ánh sáng mặt trời trực tiếp, thiết bị phải có trường nhìn hạn chế dưới ánh nắng trực tiếp. Điều này sẽ giảm thiểu lượng ánh sáng mặt trời phản xạ và khuếch tán được đo.
Mặt trời được nhìn từ bên ngoài bầu khí quyển của Trái đất như một cái đĩa với khoảng cách góc là 0,27 °. Mặt trời xuất hiện lớn hơn nhiều so với mặt đất. Kích thước nhìn thấy của nó được quyết định bởi bầu khí quyển: mặt trời càng lớn trên bầu trời, bầu trời càng tối.
Theo tiêu chuẩn của WMO (Tổ chức Khí tượng Thế giới), tất cả các nhiệt kế hiện đại đều có cùng một trường nhìn, được xác định bởi một nửa góc mở là 2,5 °. Điều này có nghĩa là phép đo bức xạ mặt trời trực tiếp sẽ có một số bức xạ ‘vòng tròn’.
Lượng bức xạ mặt trời trực tiếp thay đổi đáng kể tùy thuộc vào độ cao của mặt trời trên bầu trời (và do đó vị trí trên hành tinh, thời gian trong ngày và mùa), cũng như các yếu tố khí hậu và môi trường như mây, sol khí, khói, sương mù , lượng mưa, và những thứ khác.
Các giá trị bức xạ mặt trời trực tiếp điển hình thay đổi từ 0 đến cực đại lý thuyết của hằng số mặt trời, vào khoảng 1361 W / m2.
Sự chính xác
Khi sử dụng nhiệt kế, hiệu suất của nó tương quan với nhiều thông số như nhiệt độ, mức độ bức xạ, v.v.
Thông thường, các bức xạ được tính toán bằng cách sử dụng con số độ nhạy được cung cấp. Nếu các điều kiện sai lệch nhiều so với các điều kiện hiệu chuẩn, thì sẽ có độ không đảm bảo đo trong các liên kết truyền được tính toán.
WMO dự kiến mức độ không chính xác tối đa trong tổng số bức xạ hàng giờ là 3% đối với máy đo nhiệt độ hạng nhất. Vì một số biến thể phản hồi sẽ cân bằng lẫn nhau nếu thời gian tích hợp được kéo dài, nên tổng số hàng ngày dự kiến sẽ có độ chính xác không chính xác là 2%.
