日射線量計。スキーム、説明

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日射量計。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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太陽エネルギーを使用する構造物を作成する場合、光電変換に利用できる太陽光の総量を知る必要があります。特定の時間における太陽放射のエネルギーは高くなることがありますが、これらの瞬間値から日中の太陽放射の性質を判断することはほとんど可能ではありません。これを行うには、長期間にわたる太陽エネルギー値を平均する必要があります。

日射線量計

照射された表面に降り注ぐ潜在的に有用な太陽放射の量は、日射量と呼ばれる概念によって決まります。日射量は、地球の表面のある地点から別の地点まで大きく異なります。ニューメキシコ州の砂漠は、シカゴやサンフランシスコよりもはるかに多くの日光を受けます。地域の日射量を求めるときは、いくつかの要素を考慮する必要があります。

日射時間 (時間単位)

使用される太陽エネルギーの変化に影響を与えるすべての要因を考慮するには、これまで使用してきた測定単位とはまったく異なる測定単位を導入する必要があります。最も効果的なのは太陽照射の継続時間、つまり太陽エネルギーを有効に利用できる時間（時間単位）です。今後「有益な利用」という言葉がよく出てくるでしょう。

太陽への曝露時間を測定するのは非常に簡単です。基本的に、XNUMX 日に太陽が輝いている時間、つまり使用可能な時間を数えるだけで済みます。私たちの測定はいくつかの要因の影響を受けます。

季節の影響

間違いなく、最も重要な要素は、地表への太陽光の入射角です。地球が太陽の周りを回転するとき、その軸は太陽の方向に対して垂直ではなく、約 23 度の角度で傾いています。実際、太陽系の 5 つの惑星のうち 9 つの回転軸はわずかに傾いています。傾いた。

したがって、太陽光線は赤道に対して正確に垂直に地球に当たりません。代わりに、垂直入射点は、年間を通じて赤道の北または南のいずれかに移動します。この効果は季節の変化にも反映されます。

日射線量計
Pic.1

図のように北極が太陽から遠ざかる方向に傾くと、 1. 太陽は、回転する地球の赤道のかなり南側の領域を照らします。北半球に住んでいる人にとって、太陽は地平線の低い位置で空を横切ります。

日射線量計
Pic.2

その結果、日が短くなってしまいます。日が短くなると太陽からのエネルギーも減り、冬が始まります。

地球が太陽の周りを回転するにつれて、北極は徐々に太陽の方向を向きます。春には、地球と太陽の相対的な位置は、太陽エネルギーが赤道に直接降り注ぐような位置になります。

その間、地球は太陽の周りを動き続けます。北極点が軌道の半分を通過すると、北極点は太陽の方向を向きます（図2）。これにより、太陽放射が赤道の北側にエネルギーを集中させることができます。

日が長くなり、地球はより多くの太陽エネルギーを吸収して蓄えることができるようになりました。私たちにとって、日射量の増加は夏の始まりのように感じられます。米国本土のほとんどの地域では、夏と冬の日の長さの差は 6 時間です (図 3)。

日射線量計
Pic.3

地球は旅を続け、一周して再び出発点に戻ります。その後、季節周期と太陽周期が再び始まります。

もちろん、南半球に住んでいる人にとっては、季節は私たちの季節とはまったく逆になります。私たちが凍えるような冬でも、彼らは夏の長い日中に日光浴をします。

現地の気象条件

年間を通して地平線からの太陽の高さの変化を正確に予測し、簡単に考慮することができます。一方で、地域の気象条件も日射量に顕著な影響を与えますが、予測するのはより困難です。

天気に最も影響を与えるのは雲です。完全に太陽光を遮ることはできませんが、太陽光の通過を大幅に減らすことができます。曇りの種類によっては、日射量が 20 ～ 50% 減少することがあります。

特に問題となるのは、雲の形と大きさの多様性です。軽い巻雲は、地表に到達する太陽光の量をわずかに減少させるだけです。したがって、それらはある程度無視できます。一方、密な積雲はほとんど光を通過させません。雲に切れ目があると、太陽が現れたり、また消えたりします。したがって、雲量を透過する太陽光の量を推定する必要があります。太陽光発電変換には十分ですか？それとも光が弱すぎますか？

これらすべてを正確に考慮するには、光電変換に実用的な光の下限レベルを決定する必要があります。光強度がこのレベルを超えた場合に計算が実行されます。それ以外の場合、計算は停止します。

霧、雨、もやも独自の調整を行います。実際、天気は固有の環境変数です。互いにわずか 50 km しか離れていない地域でも、日射条件がまったく異なる場合があります。

太陽に照らされた地域の自然

最後に、地形を考慮する必要があります。午前10時まで太陽を遮る大きな丘があるとします。したがって、たとえ太陽が午前7時に昇ったとしても、それが丘の頂上に現れるまで、私たちはそのエネルギーを利用することができません。基本的に、使用できる可能性のある時間が 3 時間無駄になります。

夕日は、午後 4 時に木々の頂上で光を遮られる可能性が高いため、別の問題を引き起こします。これにより、夕方に涼しいベランダでリラックスすることは妨げられないかもしれませんが、太陽エネルギーの使用量は確実に削減されます。

夕日は素晴らしいものですが、夕日の光は私たちが期待するほど活発ではありません。いくつかの要因の組み合わせにより、午前 10 時頃から午後 4 時頃までの時間帯における太陽放射の最大生産性の境界が狭まります。この場合、自由に使える太陽の動きを追跡する装置がない場合、太陽が日中に空を横切って移動するときの太陽光線の入射角の変化を考慮する必要があります。。非常に小さな角度で照射面に当たる太陽光線は使用に適さなくなります。

上記のすべての要因によって、太陽エネルギーの総利用時間が決まります。

日射計

現在、上記の要件を満たす日射量計を設計することは非常に簡単です。太陽照明が太陽光発電コンバータにとって有用である実際の時間間隔を確立したい場合、放射線センサーとしてシリコン太陽電池を選択するのは自然です。

この設計には、1,5 mA で 3 V を生成する低電力電源が必要です。これは、瓦屋根を敷くのと同じように、いくつかの小さな要素を直列に接続して作ることができます (第 1 章)。次に、太陽電池を消費電力が非常に少ないクォーツ機械式時計に接続する必要があります。太陽光が光起電力コンバーターに当たると、放出された電気エネルギーによって時計が動きます。時計が動作していた XNUMX 日あたりの時間を記録することにより、XNUMX 日あたりの太陽曝露期間 (時間単位) が得られます。

日射の強さの違いを検出するために、抵抗器が太陽電池に接続され、これが太陽電池の負荷として機能し、太陽電池の電圧をわずかに低下させます。光の強度が太陽電池の有効動作レベルに対応する一定のレベルを超えるまで、太陽電池によって発生する電圧は時計に電力を供給するのに十分ではないため、この時間は記録されません。

メーター設計

日射量計の本体はすべてプレキシガラスなどのアクリルプラスチックでできています。二重サッシ窓の作成に使用されることもあり、一般的に市販されているパースペックスのシートを使用しました。このシートから、10x12 cmのサイズの10枚、10x2 cm14のサイズの14枚、および2xXNUMX cmXNUMXのサイズのXNUMX枚を切り取る必要があります。

次に、14x14 cm2 の部分を対角線で 10 つの三角形に切ります。次に、10x2 cm9 のプレートの中心に直径 XNUMX mm の穴を開けます。アクリルなどの熱可塑性材料に穴を開ける場合は、ドリルを加熱しないようにする必要があります。加熱しないとプラスチックが溶けてしまいます。プラスチックを切断するときも同じ注意事項に従ってください。最良の結果は、低い穴あけ速度と切断速度で、しかし十分な圧力をかけて達成することができます。

これで組み立てを開始できます。まず、9×10 cm10のプレート上の直径2 mmの穴にナットでクォーツ時計を固定する必要があります。必要に応じて、壁掛け時計のダイヤルをタイマーに装備することができます（接続ナットで押されます）。私のモデルでは、矢印の位置を示すために、プレートに円形に 12 個の穴を開けました。

これで、図のようにパーツが接着されました。 4. アクリル接着剤が好ましいですが、他の種類の接着剤も使用できます。最初に長方形のプレートを XNUMX つの三角形のプレートだけに接着し、それから XNUMX 番目の三角形のプレートを取り付けることをお勧めします。こうすることでパーツをより正確に位置合わせでき、接着剤の汚れを避けることができます。

次に、ソーラーパネルは時計の後ろにあるプラスチックのシートに取り付けられます。軽量の太陽電池は、接着剤を滴下してセルの接点に取り付けられた通電導体を使用して、プラスチックに簡単に取り付けることができます。太陽電池の表面に接着剤がつかないようにする必要があります。

日射線量計
Pic.4

導体は絶縁されておらず、いかなる方法でもマークされていないことに注意してください。要素の前面 (感光性) 表面からの導体を時計のマイナス (-) 電源接点に接続します。背面からの別の導体は、正 (+) 電源入力に接続されます。最後に、220 オームの抵抗を負荷としてソーラーパネルの端子にはんだ付けします。これで、構造を測定する準備が整いました。

日射量測定

このデバイスは 12 つの方法で使用できます。少なくとも、時計を覚えやすい時間に設定し（私は通常 45 時に設定します）、センサーを南に向けることから始めることができます。太陽電池アレイの方位角は XNUMX° で、これは米国のほとんどの地域でほぼ正しい設置です。

測定は早朝、夜明けから始まります。これで、デバイスは日没まで、太陽が使用に十分なエネルギーを供給できる時間を記録します。この場合、通過する雲の影響と、表面に対して鋭角で降下する光線の周期 (非常に少量のエネルギーがバッテリーに当たる角度) が自動的に考慮されます。一日の終わりに、その日の有効な日照時間を直接読み取ることができます。針が 5 を指している場合は、有効な時間が 5 時間あることを意味します。時計をリセットすると、次の日の準備が整います。

別の方法を使用して、累積日射量値を取得することもできます。時計を変更せずに毎日測定値を記録し、測定中の針の総回転数を数えます。その結果、長期間にわたる日射条件が発生します。

太陽にさらされる平均期間 (時間単位) は、週ごと、季節ごと、年間など、いくつかの異なる方法で決定できます。それはすべて、どのようなデータが必要かによって異なります。

著者：バイヤーズT。

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