Дозиметр солнечной радиации

При создании любых конструкций, использующих солнечную энергию, необходимо знать полное количество солнечного света, пригодного для фотоэлектрического преобразования. Хотя энергия солнечного излучения в определенные моменты времени может быть велика, редко удается установить по этим мгновенным значениям характер солнечного излучения в течение суток. Для этого необходимо усреднить значение солнечной энергии за длительный период времени.

Количество попадающего на освещаемую поверхность потенциально полезного солнечного излучения определяется понятием, именуемым инсоляцией. Солнечная инсоляция сильно изменяется от одной точки земной поверхности к другой. Пустыни Нью-Мехико получают значительно больше солнечного света, чем Чикаго или Сан-Франциско. При нахождении величины инсоляции какого-либо района необходимо учитывать несколько факторов.

Для учета всех факторов, влияющих на изменение используемой солнечной энергии, необходимо ввести единицу измерения, совершенно отличную от тех, которыми мы пользовались до сих пор. Наиболее эффективной является длительность солнечного облучения, т. е. время полезного использования солнечной энергии (в часах). Словосочетание «полезное использование» будет нередко упоминаться и в дальнейшем.

Измерить длительность солнечного облучения довольно просто. По существу все, что необходимо сделать,— это подсчитать количество часов за день, в течение которых светит солнце, т. е. количество полезных для использования часов. На наше измерение будут влиять несколько факторов.

Несомненно, наиболее важным фактором является угол падения солнечного света на поверхность Земли. При вращении Земли вокруг Солнца ее ось не перпендикулярна направлению на Солнце, а наклонена к нему под углом около 23 °. Фактически слегка наклонены оси вращения 5 из 9 планет Солнечной системы. Следовательно, солнечные лучи падают на Землю не точно перпендикулярно к экватору. Вместо этого точка перпендикулярного падения перемещается в течение года то севернее, то южнее экватора. Этот эффект отражается в смене времен года.

Когда Северный полюс отклонен от Солнца, как показано на рис. 1, Солнце освещает области вращающегося земного шара значительно южнее экватора; для тех, кто живет в Северном полушарии, Солнце проходит по небу низко над горизонтом.

Дозиметр солнечной радиации

Рис. 1

 

Дозиметр солнечной радиации

Рис. 2

В результате этого дни становятся короткими. Чем короче дни, тем меньше энергии поступает от Солнца, и наступает зима.

С вращением Земли вокруг Солнца Северный полюс постепенно поворачивается к Солнцу. Весной взаимное расположение Земли и Солнца таково, что солнечная энергия падает непосредственно на экватор.

Тем временем Земля продолжает свое движение вокруг Солнца. Когда она проходит половину орбиты, Северный полюс поворачивается в сторону Солнца (рис. 2). Это позволяет солнечной радиации концентрировать свою энергию севернее экватора.

Дни становятся длиннее, и Земля получает возможность поглощать и запасать большее количество поступающей солнечной энергии. Для нас увеличение инсоляции ощущается как наступление лета. Разница между длительностью летнего и зимнего дня для большей части континентальной территории Соединенных Штатов Америки составляет 6 ч (рис. 3).

Дозиметр солнечной радиации

Рис, 3

Земля продолжает свое путешествие, проходит полный цикл и снова приходит в начальную точку. Затем сезонный и солнечный циклы начинаются снова.

Конечно, для живущих в Южном полушарии сезоны будут совершенно противоположны нашим. Когда мы мерзнем от холода зимой, они греются на солнце в течение долгих летних дней.

Изменение высоты подъема солнца над горизонтом в течение года можно точно предсказать и легко учесть. С другой стороны, местные погодные условия также заметно влияют на солнечную инсоляцию, но их труднее предсказать.

Больше всего на погоду влияют облака. Пусть даже не полностью закрывая солнце, они могут значительно ослабить прохождение солнечного света. В зависимости от типа облачности интенсивность солнечного излучения может уменьшаться на 20—50 %.

Особую проблему представляет разнообразие формы и размеров облаков. Легкие, перистые облака лишь незначительно снижают количество солнечного света, достигающего земной поверхности. Следовательно, ими можно в какой-то степени пренебречь. С другой стороны, плотные, кучевые облака пропускают очень мало света. Если в облачном покрове имеются разрывы, солнце будет то появляться, то вновь пропадать. Следовательно, необходимо оценить количество солнечного света, проникающего через облачный покров. Достаточно ли его для фотоэлектрического преобразования? Или освещенность слишком мала?

Чтобы все это точно учесть, необходимо определить нижний предельный уровень света, еще целесообразный для фотоэлектрического преобразования. Расчет ведется, если интенсивность света превышает этот уровень. В противном случае расчет прекращается.

Характер местности, освещаемой солнцем

Туман, дождь или мгла также вносят свои поправки. Фактически погода — единственная в своем роде переменная условий окружающей среды. Участки местности, находящиеся на расстоянии всего лишь 50 км друг от друга, могут иметь совершенно различные условия инсоляции.

В заключение необходимо рассмотреть рельеф местности. Предположим, что имеется большой холм, загораживающий солнце до 10 ч утра. Таким образом, если даже восход солнца происходит в 7 ч утра, мы не сможем воспользоваться его энергией, пока оно не покажется над вершиной холма. По существу теряются 3 ч, потенциально пригодные для использования.

Заходящее солнце ставит перед нами еще одну проблему, так как вполне вероятно, что вершины деревьев загородят его лучи в 4 ч дня. Хотя это, может быть, и не помешает вечернему отдыху на прохладной веранде, но наверняка снизит количество используемой солнечной энергии.

И хотя закат может быть восхитительным, лучи закатного солнца далеко не так энергичны, как нам бы хотелось. Совокупность нескольких факторов сужает границы наибольшей продуктивности солнечного излучения в интервале приблизительно от 10 ч утра до 4 ч дня. При этом необходимо учитывать изменение угла падения солнечных лучей при движении солнца по небосклону в течение дня, если в вашем распоряжении нет устройства слежения за движением Солнца. Солнечные лучи, падающие на освещаемую поверхность под очень малым углом, становятся малопригодными для использования.

Всеми вышеизложенными факторами и определяется общее время полезного использования солнечной энергии.

В настоящее время достаточно просто сконструировать измеритель солнечной инсоляции, удовлетворяющий указанным выше требованиям. Если мы хотим установить реальную продолжительность временного интервала, в течение которого солнечное освещение полезно применительно к нашим фотоэлектрическим преобразователям, естественно выбрать в качестве датчика излучения кремниевый солнечный элемент.

Для данной конструкции потребуется маломощный источник питания, который генерирует напряжение 1,5 В при токе 3 мА. Его можно изготовить из нескольких небольших элементов, соединенных последовательно по способу, напоминающему укладку черепичной крыши (гл. 1). Затем солнечную батарею следует присоединить к кварцевым механическим часам, потребляющим очень мало энергии. Когда солнечный свет попадет на фотоэлектрический преобразователь, выделяющаяся электрическая энергия приведет часы в движение. Регистрируя промежуток времени за день, в течение которого работали часы, вы получите длительность солнечного облучения за день (в часах).

Чтобы обнаружить разницу в интенсивности солнечного излучения, к солнечной батарее подключается резистор, который играет роль нагрузки солнечных элементов, несколько снижая их напряжение. Пока интенсивность света не превышает определенный уровень, соответствующий уровню полезной работы солнечной батареи, напряжения, развиваемого ею, недостаточно для питания часов и это время не регистрируется.

Измеритель инсоляции

Корпус измерителя солнечной инсоляции изготовлен полностью из акрилового пластика, например плексигласа. Я взял лист плексигласа, который иногда используется для создания двойных оконных рам и обычно имеется в продаже. От этого листа следует отрезать два куска размером 10 X 12 см2, один кусок размером 10 X 10 см2 и один кусок размером 14 X 14 см2.

Затем кусок размером 14x14 см2 разрежьте по диагонали на два треугольника. Далее в центре пластины размером 10x10 см2 просверлите отверстие диаметром 9 мм. Высверливая отверстие в таком термопластичном материале, как акрил, необходимо избегать нагрева сверла, иначе пластик будет плавиться. Эту же предосторожность соблюдайте и при отпиливании пластика. Наилучшего результата можно достичь при небольших скоростях сверления и резания, но при достаточном давлении.

Теперь можно приступать к сборке. Во-первых, необходимо закрепить кварцевые часы с помощью гаек в отверстии диаметром

9 мм на пластине размером 10 х 10 см2. При желании можно снабдить таймер циферблатом от настенных часов (он прижимается соединительными гайками). Для своей модели я просто просверлил по кругу в пластине 12 отверстий для индикации положения стрелок.

Теперь детали склеиваются вместе согласно рис. 4. Хотя предпочтителен акриловый клей, однако можно воспользоваться другим типом клея. Я рекомендую приклеить прямоугольные пластины сначала только к одной треугольной пластине и лишь затем присоединить вторую треугольную пластину. Это позволит точнее совместить детали и избежать размазывания клея.

Затем солнечная батарея укрепляется на листе пластика, расположенном за часами. Легкая солнечная батарея без труда крепится на пластик за токоподводящие проводники, присоединенные к контактам элемента, с помощью капелек клея. Необходимо избегать попадания клея на поверхность солнечных элементов.

Дозиметр солнечной радиации

Рис. 4

Необходимо отметить, что проводники не изолированы и никак не помечены. Проводник, идущий с лицевой (светочувствительной) поверхности элемента, соедините с отрицательным (—) контактом питания часов. Другой проводник, идущий с тыльной поверхности, присоединяется к положительному (+) входу питания. Наконец, в качестве нагрузки к выводам солнечной панели припаивается резистор 220 Ом. Теперь конструкция готова к измерениям.

Прибором можно пользоваться двумя способами. Можно начать хотя бы с того, что установить часы на легкозапоминающееся время (я обычно ставлю на 12 ч) и направить датчик на юг. Азимутальный угол солнечной батареи составляет 45°, что приблизительно соответствует правильной установке для большинства районов США.

Измерения начинаются рано утром, с рассвета. Теперь до самого заката солнца прибор будет фиксировать число часов, в течение которых солнце дает достаточное для использования количество энергии. При этом автоматически учитываются влияние проплывающих облаков и периоды падения лучей под острым углом к поверхности (при которых на батарею падает очень малое количество энергии). В конце дня можно непосредственно снять показание числа полезных солнечных часов за день. Если стрелка показывает на 5, значит, было 5 полезных часов. Вновь установите часы — и они готовы к следующему дню.

С помощью другого метода можно получить совокупное значение инсоляции. Просто отмечаются показания каждый день без перевода часов и подсчитывается полное количество оборотов стрелки в течение измерения. В результате получаются условия инсоляции за длительный период времени.

Можно определить среднее значение длительности солнечного облучения (в часах) несколькими различными способами: за неделю, за сезон, за год. Все зависит от того, какие необходимые данные.

Литература: Байерс Т. 20 конструкций с солнечными элементами: Пер. с англ.— М.: Мир, 1988 год.

0 1442 Энергия солнечных лучей
дозиметр солнечная радиация солнечная энергия
cashback