UNIVERSITATEA POLITEHNICA BUCURESTI

UNGHIURI UTILIZATE IN MASURAREA

SOARELUI PE BOLTA CEREASCA

NUME: ZECIU NICOLETA

GRUPA: 744

Informatii generale privind SoareleLa fel ca şi celelalte stele, Soarele este o enormă sferă cu raza de 695.000 km, având o

densitate medie de 1400 kg/m3, iar masa lui reprezintă 99,85% din masa totala a sistemului

solar. El este format în principal din hidrogen ( 71% hidrogen, 27% heliu şi 2% alte elemente). În

centrul Soarelui temperatura este de 15.6 milioane grade Kelvin iar presiunea este de 250

miliarde atmosfere, de 100 de milioane de ori mai mare decât cea din centrul Pământului. În

centrul miezului, densitatea Soarelui este de 150 de ori mai mare decât cea a apei. Energia

solară (386 miliarde de miliarde de megawaţi) provine din reacţiile termonucleare ce au loc în

nucleul sau, unde la temperaturi ridicate patru nuclee de hidrogen fuzionează pentru a produce

un nucleu de heliu cu eliberarea unei energii uriaşe. În fiecare secunda, aproximativ 700000000

tone de hidrogen sunt convertite în 695000000 tone de heliu şi 5000000 tone de energie sub

formă de raze gama. Energia eliberată în acest proces este echivalentă cu cea eliberată de

explozia a 100 de miliarde de bombe cu hidrogen pe secundă. În drumul său spre suprafaţa,

energia este continuu absorbită şi reemisă la temperaturi tot mai scăzute astfel încât în

momentul când ajunge la suprafaţa, este în mare parte lumină vizibila.

Pentru ultima porţiune de 20% din distanţa pe care ii are de parcurs până la suprafaţa,

energia este transportată mai mult prin convecţie decât prin radiaţie.

Soarele este format dintr-o parte centrală şi atmosfera solară. Atmosfera solară este

compusă din: fotosfera, cromosfera şi coroana solară.

Radiaţia solaraSoarele este o masa de materie gazoasă şi fierbinte care emite radiaţii la o temperatura

efectiva de aproximativ 6000oC şi care degaja cantităţi enorme de energie la suprafaţa lui. O

mică fracţiune din această energie ajunge pe Pământ.

Din punct de vedere observaţional, radiaţia solară este caracterizată cantitativ prin

marimea numită constanta solara. Constanta solară reprezintă cantitatea de energie solară

(integrala) ce este primită pe o suprafaţă normala (plasată perpendicular pe directia razelor

solare) situată la limita atmosferei terestre, la distanţa medie a Pământului de Soare, în

unitatea de timp. Valoarea constantei solare este de 1,355 kW/m2 (1.94 cal/cm pătrat pe

minut). Această valoare se modifică datorită variaţiei periodice a distantei Pământ – Soare şi

datorită fenomenelor solare.

Fluxul integral de energie radiantă care vine de la Soare spre Pământ este variabil, în

funcţie de variaţia distantei Pământ – Soare. Distanţa medie Pământ - Soare este de

aproximativ 149 milioane km, iar traiectoria Pământului în jurul Soarelui este o usoară elipsă

excentrica; această distanţă se modifică periodic odată cu solstiţiul de vara, respectiv solstiţiul

de iarna.

Radiaţia ce vine de la soare include tot spectrul radiaţiei electromagnetice. Atmosfera

terestră este transparentă la majoritatea radiaţiilor de anumite lungimi de undă din spectrul

vizibil dar absoarbe radiaţia ultravioleta. O parte din lumina este reflectată înapoi în spaţiu de

catre nori. Altă parte din radiaţie este reflectată de suprafaţa pământului, în special de zapadă

şi gheaţa. Procentul de radiaţie solară absorbită de pământ depinde de abundenţa şi distributia

norilor, pământului, apei, ghetii şi a vegetaţiei. Albedo-ul este procentul de radiaţie reflectată

comparativ cu cea absorbita. Oceanele au un albedo scazut (7 la 23 %), deoarece apă este

întunecată şi absoarbe lumina incidenta. Suprafaţa pământului are un albedo ce se modifică de

la scazut la moderat (8-35 %). Gheaţa are un albedo ridicat (40-90%), ea reflectând majoritatea

luminii ce cade pe ea. Un albedo mediu este în jur de 30%.

Radiaţia globala primită de la Soare de catre o suprafaţa orizontala la nivelul solului,

pentru o zi senina, se compune din suma între radiaţia directă şi radiaţia difuza.Radiaţia solară

directă depinde de orientarea suprafeţei receptoare.Radiaţia difuză poate fi considerată

aceeaşi, indiferent de orientarea suprafeţei receptoare, chiar dacă în realitate există mici

diferente.

Radiaţia solară este influentată de modificarea unghiului de înaltime al Soarelui, a

înclinarii axei Pământului, de modificarea distantei Pământ – Soare precum şi de latitudinea

geografica.

Factorii meteorologici care au o influentă importantă asupra radiaţiei solare la suprafaţa

Pământului sunt: transparentă atmosferei, nebulozitatea, felul şi pozitia norilor.

Relaţia dintre factorii meteorologici şi radiaţia solară este monitorizată lunar şi pentru

fiecare anotimp în diferite zone.

Schema generala de functionare a unui piranometruÎn contextul actualei crize energetice relativ acute, comunitatea ştiinţifică

internaţională,reconsideră toate abordările referitoare la energiile regenerabile. Între acestea,

energia solară prezintă unul dintre cele mai importante potenţiale, peste tot în lume, deoarece

pentru o perioadă de timp foarte lungă, Soarele poate fi considerat o uriaşa sursă gratuită de

energie.

Aşa cum s-a arătat anterior, nivelul intensităţii radiaţiei solare, în afara limitelor

atmosferei,este relativ constant, a fost denumit constanta solară şi această valoare a fost

determinată experimental prin măsurători cu tehnologie specifică sateliţilor, obţinându-se o

valoare de cca. 1350…1366W/m2.

De la limita atmosferei, până la suprafaţa terestră, intensitatea radiaţiei solare se reduce

datorită câtorva efecte cunoscute (reflexie, dispersie, absorbţie, etc.), iar valoarea intensităţii

radiaţiei solare, la nivelul solului, prezintă valori diferite, în funcţie de:

- Poziţia geografică (latitudine, longitudine, altitudine);

- Condiţii meteorologice;

- Prezenţa sau absenţa poluării, etc.

Există două tipuri de radiaţie solară, care se manifestă la nivelul solului şi anume

radiaţiadirectă şi radiaţia difuză, suma dintre cele două reprezentând radiaţia totală.

În continuare va fi prezentat un sistem original de monitorizare a intensităţii radiaţiei

solare,realizat pentru a măsura şi a permite calculul intensităţii tuturor celor trei tipuri de

radiaţie solară.

Acest sistem de monitorizare a fost implementat în localitatea Cluj Napoca, la sediul

Facultăţii deMecanică.

Pentru măsurarea intensităţii radiaţiei solare totale şi difuze, au fost utilizate două

piranometre de tip CMP3, ale companiei Kipp & Zonen din Olanda. Unul a fost utilizat pentru

determinarea intensităţii radiaţiei totale, iar celălat (umbrit în timpul realizării experimentelor),

a fost utilizat pentru determinarea intensităţii radiaţiei solare difuze. În figură 2.1, este

prezentat modelul 3D al unui piranometru, iar în figura 2.2, schema constructivă a unui

piranometru.

1 – circuit electronic imprimat; 2 – senzor de radiaţie solară; 3 – dom de sticlă;

4 – corp; 5 – conector electric; 6 – cablu electric; 7 – şurub pentru reglarea

nivelului orizontal; 8 – elemente de fizare; 9 – capac pt acces la conexiunile electrice;

10 – conector electric filetat; 11 – poloboc.

În tabelul alăturat sunt prezentate câteva caracteristici ale piranometrelor utilizate

Caracteristica ValoareTimpderăspuns(95%) 18sRatăanualădemodificareastabilităţii ±1%

Neliniaritate(0…1000W/m2) ±2.5%

Eroaredirecţională(la80°şi 1000W/m2) ±20W/m2Dependenţasensibilităţiidetemperatură ±5%(-10…+40°C)

Eroaremaximăla1000W/m2 ±2%Sensibilitate 5…15µV/W/m2Domeniultemperaturilordelucru -40…+80°CDomeniulspectral 310…2800nmIntensitateamaximăaradiaţieisolare 2000W/m2Acurateţezilnicăestimată ±10%

caracteriticile piranometrelor utilizate

Masurarea radiatiei difuze si globaleDeterminarea intensitatii radiatiei difuze se face cu ajutorul piranometrelor,

instrumente prevazute cu un ecran care nu lasa radiatia directa sa ajunga la partea receptoare.

Tot cu piranometrele se poate masura intensitatea radiatiei globale, daca indepartam ecranul

respectiv. Ca si celelalte instrumente actinometrice, ele pot fi absolute si relative:

-piranometrul absolut tip Angstrom;

-piranometrul relativ Arago-Davy-Kalitin;

-piranometrul termoelectric Savinov-Ianisevski;

-piranometrul relativ Ianisevski;

-piranograful (actinograful) cu lamele bimetalice Robitsch.

Piranometrul absolut tip Angstrom:

Exprimă valoarea intensităţii radiaţiei difuze sau globale în cal/cm2min sau în ly/min .

Piesa sa receptoare este formată din două perechi de lame subţiri de manganin . O

pereche de lame este vopsită în negru şi absorb în totalitate radiaţiile ce cad pe ele , iar

cealaltă pereche este vopsită în alb de magneziu şi reflectă aproape în totalitate fluxurile solare.

Ele sunt dispuse alternativ şi sunt protejate de o calotă semisferică de sticlă , ce permite

trecerea radiaţiilor de undă scurtă (0,34-2,5) şi le reţine pe cele de undă lungă emise de

atmosferă sau de corpurile din jur . Această calotă are rolul şi de a anihila influenţele vântului şi

ale precipitaţiilor şi acţionează diferenţiat asupra radiaţiilor solare lăsând să ajungă către piesa

receptoare doar radiaţia solară difuză, cea directă fiind reflectată.

Ecranul de umbrire este un disc metalic vopsit în negru şi susţinut de o tijă.

Sudurile unor cupluri termoelectrice confecţionate din manganin şi constantan sunt

lipite de părţile inferioare ale lamelor .În circuitul acestora este conectat un galvanometru

sensibil. Lamele negre se încălzesc , în timp , prin absorbţia radiaţiei globale şi difuze ce cade pe

suprafaţa lor .În acelaşi timp , lamele albe păstrează temperatura mediului înconjurător .

Diferenţa termică creată astfel duce la apariţia unui curent termoelectric , care produce

devierea acului indicator al galvanometrului . Pentru aducerea acului în poziţia zero , lamele

albe sunt încălzite artificial , prin intermediul unui curent electric de compensaţie produs de o

baterie de elemente şi reglat de un reostat . Abia când temperaturile celor două perechi de

lame sunt egale , acul galvanometric revine în poziţia zero .

Cantităţile de căldură ce se produc în lamele negre (qn) şi în lamele albe (qa) depind de

coeficientul de absorbţie pentru radiaţia difuză sau globală a lamelor negre (n) şi a lamelor

albe (a) , de coeficientul de permeabilitate a sticlei (p) , de suprafaţa lamelor (s) şi de mărimea

intensităţii radiaţiei globale sau difuze: qn = 2I p n s şi qa = 2I p a s .

Cum cantitatea de căldură a lamelor negre trebuie să fie egală cu cea a lamelor albe , se

adaugă cantitatea de căldură produsă de curentul de compensaţie la cea a lamelor albe: q n =

qa + 2 60 cri2 , în care c – este constanta lui Joule (0,24) ; r – este rezistenţa introdusă în

circuit de reostat ( a curentului electric de compensaţie ) , iar i – este intensitatea curentului

electric de compensaţie citită de miliampermetru ( măsurată în mA ) .

Cum qn = 2I p n s şi qa = 2I p a s , iar qn = qa + 2 60 cri2 ⇒2I p n s = 2I p a s +

2 60 cri2 , de unde se deduce valoare intensităţii :

I = 60 cri2 / p s ( n - a ).

Pentru determinarea radiaţiei difuze piesa receptoare se umbreşte cu un ecran special ,

iar pentru măsurarea radiaţiei globale , ecranul se îndepărtează .

Sub acţiunea radiaţiei difuze lamele se încalzesc diferenţiat, dezvoltînd un curent

termoelectric care produce devierea acului galvanometric.

Pentru compensare se produce cu ajutorul unei baterii şi unui reostat o cantitate de

căldură egală cu cea produsă de radiaţia difuză în lamele negre. Când temperatura se

egalizează, acul galvanometric revine la 0.

I=intensitatea radiaţiei difuze care ajunge la lame;

p=coeficientul de permeabilitate a sticlei;

s=suprafaţa lamelor;

aa şi an=coeficienţii de absorbţie pentru radiaţia difuză a lamelor negre şi albe;

i=intensitatea curentului de compensare citit la miliampermetru;

c=constantă din legea lui Joule egală cu 0,24;

r=rezistenţa introdusă în circuit de reostat.

Formula de calcul este: ID,Q = K · i². Se realizează trei măsurători ale D şi tot atâtea ale

Q, media lor introducându-se în formula de calcul. Trebuie făcută obligatoriu următoarea

precizare: atunci când se determină radiaţia globală, ecranul de umbrire este detaşat, iar

anexarea lui se face doar în momentul determinării intensităţii radiaţiei difuze.

Formula de calcul obtinuta dupa inlocuirea lui Qn si Qa in formula Qn=Qa+2·60·0,24·r·i

Trebuie menţionat că , fluxul radiaţiei difuze este în funcţie de : înălţimea Soarelui deasupra

orizontului , nebulozitate , latitudine , altitudine , dar şi de prezenţa sa absenţa sratului de

zăpadă .

Piranometrul termoelectric Savinov-Ianisevski

Piranometrul termoelectric tip Ianîşevskieste un instrument radiometric relativ şi este

alcătuit din patru părţi principale : piesa receproare pentru radiaţii , suportul , ecranul de

umbrire şi dispozitivul de uscare .

Piesa receptoare este reprezentată de o termobaterie de formă pătrată cu latura de

3cm. Aceasta se compune dintr-o serie de termocupluri confecţionate din benzi subţiri de

manganin şi constantan . Sensibilitatea ei este de 8 mv la 1 cal / cm 2min , iar rezistenţa

termoelementelor este 30 ohmi .

Partea superioară a termobateriei ( care se expune radiaţiilor solare ) se vopseşte cu

negru de fum şi cu alb de magneziu asemenea unei table de şah .

Coeficientul de absorbţie pentru radiaţiile de undă scurtă au valori foarte mari în cazul

negrului de fum şi valori nesemnificative în cazul albului de magneziu . Din această cauză ,

sudurile de culoare neagră ale termobateriei se încălzesc sub incidenţa radiaţiei difuze sau

globale , iar cele de culoare albă rămân la temperatura mediului înconjurător . Diferanţa

termică apărută astfel generează un curent termoelectric a cărui intensitate se măsoară cu

galvanometrul cuplat la piranometru .

Termobateria se fixează pe o placă metalică de care este izolată cu ajutorul unei foiţe

subţiri de hârtie specială . La rândul său , placa se prinde cu şuruburi de corpul instrumentului.

De la termosudurile marginale ale bateriei pornesc doi conductori care fac legătura între

piranometru şi galvanometrul său . Deasupra plăcii metalice există o altă placă , decupată în

mijloc după dimensiunile termobateriei , cu care se găseşte în acelaşi plan orizontal . Aceasta

este fixată de prima cu ajutorul unor şuruburi mici şi poartă numele de diafragmă .

Calota semisferică de sticlă se prinde de inelul metalic, de care sunt prinse şi cele două

plăci . Aceasta are rolul de proteja termobateria împotriva vântului şi a precipitaţiilor şi de a

reţine radiaţiile de undă lungă , permiţând pătrunderea numai a radiţiilor de undă scurtă .

Capul piranometrului este format din cele două plăci metalice , inelul de fixare, calota

semisferică de sticlă şi termobaterie . Orizontalizarea instrumentului se realizează cu ajutorul

unei nivele cu bulă de aer, care este fixată pe o prelungire laterală a plăcii ce susţine

termobateria.

Suportul piranometrului este alcătuit dintr-un tub metalic fixat pe un trepied , care este

situat pe o placă metalică circulară .La extremitatea superioară a tubului se înşurubează în

poziţie orizontală capul piranometrului .Tot de suport este fixată şi o pârghie orizontală , la

capătul căreia este montată o tijă cilindrică prevăzută cu un disc metalic de umbrire .

Ecranul se umbrire este reprezentat de un disc metalic al cărui diametru este egal cu cel

al calotei semisferice de sticlă. El este fixat la capătul superior al tijei cilindrice . În timpul

măsurării radiaţiei difuze , el permite ecranarea unei părţi din bolta cerească cu raza de 5 , care

are în centrul său Soarele .

Dispozitivul de uscare este un tub de sticlă fixat cu ceară roşie într-o bucşe de la partea

inferioară a capului piranometrului .În interiorul lui se introduce o substanţă higroscopică

( clorură de calciu , silicagel , natriu metalic sau sulfat de cupru calcinat) care absoarbe vaporii

de apă , împiedicându-i să condenseze pe partea interioară a calotei de sticlă sau pe faţa piesei

receptoare .

Piesa receptoare se ecranează numai în timpul observaţiilor privind intensitatea radiaţiei

difuze . După efectuarea determinării , capul piranometrului se închide cu un capac metalic

vopsit în alb , care este folosit pentru protejarea piesei receptoare şi pentru determinarea

punctului „zero” al galvanometrului .

După îndepărtarea capacului , se fac mai multe citiri , în mod alternativ , cu ecran,

pentru intensitatea radiaţiei difuze şi, fără ecran, pentru intensitatea radiaţiei globale .La

sfârşitul observaţiilor , capacul se pune la loc şi se repetă citirile pentru determinarea punctului

„zero” al galvanometrului .

Piesa sensibilă e protejată de o calotă (semisferică) de sticlă, întregul aparat fiind

prevăzut cu un ecran inelar dispus perpendicular pe axa pământului, pentru a umbri piesa

sensibilă, în scopul determinării radiaţiei difuze.

Expus radiaţiei difuze, va avea o diferenţă de temperatură între lamele negre şi albe,

producându-se un curent termoelectric a cărui intensitate (i) va fi egală cu intensitatea I a

radiaţiei difuze: I=K·i.

Coeficientul de proporţionalitate K se deduce prin determinarea simultană a radiaţiei

difuze şi globale cu piranometrul, precum şi a intensităţii radiaţiei solare directe, cu ajutorul

actinometrului Michelson.

Pentru radiaţia globală avem I’+I=Ki1, iar pentru cea difuză I=Ki.

Făcând diferenţa între ultimele 2 ralatii vom avea: I’=K(i1-i).

Dacă cu ajutorul actinometrului determinăm valoarea I’ a radiaţiei directe, vom putea

afla valoarea K întrucât intensităţile i1 şi i ale curentului termoelectric se citesc la galvanometrul

sensibil al aparatului.

Datorită faptului că , intensitatea radiaţiei difuze (i) şi intensitatea radiaţiei globale ( I+i )

sunt proporţionale cu numărul de diviziuni cu care deviază acul galvanometrului , înmulţind cu

factorul de transformare ( C ) , obţinem relaţiile : I = Cn0 şi I + i = C n , în care : n0 –este număr

mediu de diviziuni corespunzător

poziţiei „zero” a galvanometrului , iar n –este numărul mediu de diviziuni cu care deviază

acul galvanometric .

Făcând diferenţa celor două relaţii , obţinem : I = ( n – n0 ) C.

Atunci când se calculează intensitatea radiaţiei globale , trebuie avut în vedere , pe lângă

factorul de transformare , şi coeficientul de corecţie , care se înmulţeşte cu factorul de

transformare . Coeficientul de corecţie este raportul dintre factorul de transformare la

înălţimea dată şi factorul de transformare normal .

Formula de calcul este: ID,Q = K · n. Trebuie să se ţină seama ca galvanometrul să se

găsească la o distanţă de cel puţin 5 m faţă de instrument. Amplasarea instrumentelor şi a

aparaturii se face exclusiv pe platforma radiometrică. Toate instrumentele se găsesc fixate la

capătul liber al unei bucăţi de lemn (50-60 cm lungime, 5-6 cm lăţime), fixată la celălalt capăt pe

un stâlp de lemn cu înălţimea de 1,5 m. Fără nici o excepţie, instrumentarul şi aparatura sunt

vopsite în alb la exterior şi în negru la interior.

Piranometrul relativ Arago-Davy-Kalitin

Este alcătuit din două termometre identice ,unul dintre ele având rezervorul acoperit cu

negru de fum , iar celălalt cu alb de magneziu

Ambele rezervoare sunt protejate împotriva vântului şi a precipitaţiilor atmosferice de

un înveliş sferic de sticlă , din interiorul căruia s-a scos aerul.

Pentru efectuarea determinărilor intensităţii radiaţiei difuze sau globale , termometrele

cu mercur ale piranometrului se fixează pe un suport în poziţie orizontală.

Se citesc temperaturile tn şi ta indicate de termometrul cu rezervorul negru şi de cel cu

rezervorul alb , apoi se calculează diferenţa dintre valorile citite , iar valoarea obţinută se

înmulţeşte cu factorulde transformare (B) , obţinându-se :

I = B ( tn– ta)

Factorul de transformare (B) reprezintă cantitatea de căldură exprimată în

miliacalorii/cm2.min , corespunzătoare diferenţei termice de 1°C dintre cele două termometre .

Acest factor se obţine prin compararea indicaţiilor unui piranometru Arago-Davy cu cele ale

unui radiometru , după metoda „soare-lună”.

Astfel , se fac citirile valorilor ecranate şi neecranate indicate de cele două termometre

la intervale de 25 de minute , iar în ultimele 5 minute de expunere la Soare sedetermină

intensitatea radiaţiei solare directe (S) , cu ajutorul unui radiometru.[