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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Dosimeter der Sonnenstrahlung. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Alternative Energiequellen Bei der Errichtung von Bauwerken, die Solarenergie nutzen, ist es notwendig, die Gesamtmenge an Sonnenlicht zu kennen, die für die Photovoltaik-Umwandlung zur Verfügung steht. Obwohl die Energie der Sonnenstrahlung zu bestimmten Zeiten hoch sein kann, ist es selten möglich, aus diesen Momentanwerten die Art der Sonnenstrahlung während des Tages zu bestimmen. Dazu ist es notwendig, den Solarenergiewert über einen längeren Zeitraum zu mitteln.
Die Menge potenziell nützlicher Sonnenstrahlung, die auf eine beleuchtete Oberfläche fällt, wird durch ein Konzept namens Sonneneinstrahlung bestimmt. Die Sonneneinstrahlung variiert stark von einem Punkt auf der Erdoberfläche zum anderen. Die Wüsten von New Mexico erhalten deutlich mehr Sonnenlicht als Chicago oder San Francisco. Bei der Ermittlung der Sonneneinstrahlung einer Region müssen mehrere Faktoren berücksichtigt werden. Dauer der Sonneneinstrahlung (in Stunden) Um alle Faktoren zu berücksichtigen, die die Veränderung der genutzten Sonnenenergie beeinflussen, ist die Einführung einer völlig anderen Maßeinheit als der bisher verwendeten erforderlich. Am effektivsten ist die Dauer der Sonneneinstrahlung, also die Zeit der sinnvollen Nutzung der Sonnenenergie (in Stunden). Der Begriff „nützliche Nutzung“ wird in Zukunft häufig fallen. Die Dauer der Sonneneinstrahlung zu messen ist ganz einfach. Im Wesentlichen muss lediglich die Anzahl der Stunden pro Tag gezählt werden, in denen die Sonne scheint, also die Anzahl der nutzbaren Stunden. Unsere Messung wird von mehreren Faktoren beeinflusst. Einfluss der Jahreszeit Der wichtigste Faktor ist zweifellos der Einfallswinkel des Sonnenlichts auf die Erdoberfläche. Wenn sich die Erde um die Sonne dreht, steht ihre Achse nicht senkrecht zur Richtung der Sonne, sondern ist in einem Winkel von etwa 23° dazu geneigt. Tatsächlich sind die Rotationsachsen von 5 der 9 Planeten im Sonnensystem leicht geneigt geneigt. Folglich treffen die Sonnenstrahlen nicht genau senkrecht zum Äquator auf die Erde. Stattdessen bewegt sich der Punkt des senkrechten Einfalls das ganze Jahr über entweder nördlich oder südlich des Äquators. Dieser Effekt spiegelt sich im Wechsel der Jahreszeiten wider.
Wenn der Nordpol von der Sonne weg geneigt ist, wie in Abb. 1, Die Sonne beleuchtet Bereiche des rotierenden Globus deutlich südlich des Äquators; Für diejenigen, die auf der Nordhalbkugel leben, steht die Sonne tief am Horizont.
Dadurch werden die Tage kürzer. Je kürzer die Tage, desto weniger Energie kommt von der Sonne und der Winter setzt ein. Während sich die Erde um die Sonne dreht, dreht sich der Nordpol allmählich in Richtung der Sonne. Im Frühling ist die relative Position von Erde und Sonne so, dass die Sonnenenergie direkt auf den Äquator fällt. Unterdessen setzt die Erde ihre Bewegung um die Sonne fort. Wenn er die Hälfte seiner Umlaufbahn erreicht hat, wendet sich der Nordpol der Sonne zu (Abb. 2). Dadurch kann die Sonnenstrahlung ihre Energie nördlich des Äquators konzentrieren. Die Tage werden länger und die Erde kann mehr einfallende Sonnenenergie aufnehmen und speichern. Für uns fühlt sich die zunehmende Sonneneinstrahlung wie der Beginn des Sommers an. Der Unterschied zwischen der Länge der Sommer- und Wintertage beträgt für die meisten kontinentalen Vereinigten Staaten 6 Stunden (Abbildung 3).
Die Erde setzt ihre Reise fort, durchläuft einen vollständigen Zyklus und erreicht wieder ihren Ausgangspunkt. Dann beginnen die Jahreszeiten- und Sonnenzyklen von neuem. Natürlich sind die Jahreszeiten für diejenigen, die auf der Südhalbkugel leben, völlig entgegengesetzt zu unseren. Wenn wir im Winter frieren, sonnen sie sich an den langen Sommertagen. Lokale Wetterbedingungen Änderungen der Höhe der Sonne über dem Horizont im Laufe des Jahres können genau vorhergesagt und leicht berücksichtigt werden. Andererseits haben auch lokale Wetterbedingungen einen deutlichen Einfluss auf die Sonneneinstrahlung, sind jedoch schwieriger vorherzusagen. Wolken beeinflussen das Wetter am stärksten. Auch wenn sie die Sonne nicht vollständig abschirmen, können sie den Durchtritt von Sonnenlicht deutlich reduzieren. Je nach Art der Bewölkung kann die Intensität der Sonneneinstrahlung um 20-50 % abnehmen. Ein besonderes Problem ist die Vielfalt der Wolkenformen und -größen. Leichte Zirruswolken reduzieren die Menge des Sonnenlichts, das die Erdoberfläche erreicht, nur geringfügig. Daher können sie bis zu einem gewissen Grad vernachlässigt werden. Andererseits lassen dichte Cumuluswolken nur sehr wenig Licht durch. Bei Unterbrechungen der Wolkendecke erscheint die Sonne und verschwindet wieder. Daher ist es notwendig, die Menge an Sonnenlicht abzuschätzen, die die Wolkendecke durchdringt. Reicht es für die Photovoltaik-Umwandlung? Oder ist das Licht zu schwach? Um all dies genau zu berücksichtigen, ist es notwendig, den unteren Grenzlichtpegel zu bestimmen, der für die photoelektrische Umwandlung noch praktisch ist. Die Berechnung wird durchgeführt, wenn die Lichtintensität diesen Wert überschreitet. Andernfalls wird die Berechnung abgebrochen. Auch Nebel, Regen oder Dunst nehmen ihre eigenen Anpassungen vor. Tatsächlich ist das Wetter eine einzigartige Umweltvariable. Gebiete, die nur 50 km voneinander entfernt liegen, können völlig unterschiedliche Sonneneinstrahlungsbedingungen aufweisen. Die Natur des von der Sonne beleuchteten Gebiets Schließlich ist es notwendig, das Gelände zu berücksichtigen. Angenommen, es gibt einen großen Hügel, der die Sonne bis 10 Uhr morgens blockiert. Selbst wenn die Sonne also um 7 Uhr morgens aufgeht, können wir ihre Energie nicht nutzen, bis sie über der Spitze des Hügels erscheint. Im Wesentlichen werden 3 Stunden potenziell nutzbarer Zeit verschwendet. Die untergehende Sonne stellt uns vor ein weiteres Problem, da es wahrscheinlich ist, dass die Baumkronen ihre Strahlen um 4 Uhr blockieren. Das hindert Sie zwar nicht daran, abends auf einer kühlen Veranda zu entspannen, aber es reduziert auf jeden Fall die Menge der verbrauchten Sonnenenergie. Und obwohl Sonnenuntergänge atemberaubend sein können, sind die Strahlen der untergehenden Sonne bei weitem nicht so energiereich, wie wir es gerne hätten. Die Kombination mehrerer Faktoren verengt die Grenzen der größten Produktivität der Sonnenstrahlung im Zeitraum von etwa 10 bis 4 Uhr. In diesem Fall ist es notwendig, die Änderung des Einfallswinkels der Sonnenstrahlen zu berücksichtigen, wenn die Sonne tagsüber über den Himmel wandert, wenn Sie nicht über ein Gerät zur Verfolgung der Sonnenbewegung verfügen . Sonnenstrahlen, die in einem sehr kleinen Winkel auf die beleuchtete Fläche fallen, werden unbrauchbar. Alle oben genannten Faktoren bestimmen die Gesamtnutzzeit der Solarenergie. Einstrahlungsmesser Derzeit ist es recht einfach, einen Sonneneinstrahlungsmesser zu entwerfen, der die oben genannten Anforderungen erfüllt. Wenn wir die tatsächliche Dauer des Zeitintervalls ermitteln möchten, in dem die Sonneneinstrahlung für unsere Photovoltaik-Wandler nützlich ist, ist es naheliegend, eine Silizium-Solarzelle als Strahlungssensor zu wählen. Dieses Design erfordert ein Netzteil mit geringem Stromverbrauch, das 1,5 V bei 3 mA erzeugt. Es kann aus mehreren kleinen, in Reihe geschalteten Elementen hergestellt werden, die an das Verlegen eines Ziegeldachs erinnern (Kapitel 1). Die Solarzelle soll dann an eine mechanische Quarzuhr angeschlossen werden, die sehr wenig Strom verbraucht. Wenn Sonnenlicht auf den Photovoltaik-Wandler trifft, wird die Uhr durch die freigesetzte elektrische Energie in Bewegung gesetzt. Indem Sie die Zeitspanne pro Tag aufzeichnen, in der die Uhr lief, erhalten Sie die Dauer der Sonneneinstrahlung pro Tag (in Stunden). Um Unterschiede in der Intensität der Sonneneinstrahlung zu erkennen, wird an die Solarbatterie ein Widerstand angeschlossen, der die Solarzellen belastet und deren Spannung leicht reduziert. Bis die Lichtintensität einen bestimmten Wert überschreitet, der dem Nutzwert der Solarbatterie entspricht, reicht die von ihr entwickelte Spannung nicht aus, um die Uhr mit Strom zu versorgen, und diese Zeit wird nicht aufgezeichnet. Zählerdesign Das Gehäuse des Sonneneinstrahlungsmessgeräts besteht vollständig aus Acrylkunststoff, beispielsweise Plexiglas. Ich habe eine Plexiglasplatte verwendet, die manchmal zur Herstellung von Doppelschiebefenstern verwendet wird und im Handel erhältlich ist. Aus diesem Blatt sollten Sie zwei Stücke mit den Maßen 10x12 cm schneiden, ein Stück mit den Maßen 10x10 cm2 und ein Stück mit den Maßen 14x14 cm2. Dann schneiden Sie ein Stück mit den Maßen 14x14 cm2 diagonal in zwei Dreiecke. Als nächstes bohren Sie ein Loch mit einem Durchmesser von 10 mm in die Mitte der 10x2 cm9 großen Platte. Wenn Sie ein Loch in ein thermoplastisches Material wie Acryl bohren, dürfen Sie den Bohrer nicht erhitzen, da sonst der Kunststoff schmilzt. Beachten Sie die gleiche Vorsichtsmaßnahme beim Absägen von Kunststoff. Die besten Ergebnisse lassen sich bei niedrigen Bohr- und Schnittgeschwindigkeiten, aber mit ausreichendem Druck erzielen. Jetzt können Sie mit dem Zusammenbau beginnen. Zunächst müssen Sie die Quarzuhr mit Muttern in einem Loch mit einem Durchmesser von 9 mm auf einer Platte von 10 x 10 cm2 befestigen. Auf Wunsch können Sie den Timer mit einem Zifferblatt einer Wanduhr ausstatten (es wird mit Verbindungsmuttern gedrückt). Für mein Modell habe ich einfach 12 kreisförmige Löcher in die Platte gebohrt, um die Position der Pfeile anzuzeigen. Nun werden die Teile gemäß Abb. zusammengeklebt. 4. Obwohl Acrylkleber bevorzugt wird, können auch andere Arten von Kleber verwendet werden. Ich empfehle, die rechteckigen Platten zunächst nur auf eine dreieckige Platte zu kleben und dann die zweite dreieckige Platte anzubringen. Dadurch können Sie die Teile genauer ausrichten und ein Verschmieren des Klebers vermeiden. Das Solarpanel wird dann auf einer Kunststoffplatte hinter der Uhr montiert. Eine leichte Solarbatterie lässt sich ganz einfach auf Kunststoff befestigen, indem stromführende Leiter mit Klebstofftropfen an den Zellkontakten befestigt werden. Es ist zu vermeiden, dass Klebstoff auf die Oberfläche der Solarzellen gelangt.
Es ist zu beachten, dass die Leiter weder isoliert noch in irgendeiner Weise gekennzeichnet sind. Verbinden Sie den von der vorderen (lichtempfindlichen) Oberfläche des Elements kommenden Leiter mit dem negativen (-) Stromkontakt der Uhr. Ein weiterer von der Rückseite kommender Leiter wird an den positiven (+) Stromeingang angeschlossen. Abschließend wird ein 220-Ohm-Widerstand als Last an die Anschlüsse des Solarpanels angelötet. Jetzt ist die Struktur bereit für Messungen. Einstrahlungsmessung Das Gerät kann auf zwei Arten verwendet werden. Sie können beginnen, indem Sie die Uhr zumindest auf eine leicht zu merkende Zeit einstellen (ich stelle sie normalerweise auf 12 Uhr) und den Sensor nach Süden richten. Der Azimutwinkel der Solaranlage beträgt 45°, was ungefähr der korrekten Installation für die meisten Gebiete der Vereinigten Staaten entspricht. Die Messungen beginnen früh am Morgen, im Morgengrauen. Bis zum Sonnenuntergang zeichnet das Gerät nun die Anzahl der Stunden auf, in denen die Sonne genügend Energie zur Nutzung bereitstellt. Dabei wird der Einfluss vorbeiziehender Wolken und Perioden einfallender Strahlen in einem spitzen Winkel zur Oberfläche (bei denen nur sehr wenig Energie auf die Batterie fällt) automatisch berücksichtigt. Am Ende des Tages können Sie direkt die Anzahl der nützlichen Sonnenstunden des Tages ablesen. Wenn der Zeiger auf 5 zeigt, dann gab es 5 nützliche Stunden. Stellen Sie die Uhr zurück und schon ist sie für den nächsten Tag bereit. Mit einer anderen Methode kann der kumulative Sonneneinstrahlungswert ermittelt werden. Notieren Sie einfach jeden Tag die Messwerte, ohne die Uhr umzustellen, und zählen Sie die Gesamtzahl der Umdrehungen des Zeigers während der Messung. Die Folge sind Einstrahlungsverhältnisse über einen langen Zeitraum. Sie können die durchschnittliche Dauer der Sonneneinstrahlung (in Stunden) auf verschiedene Arten ermitteln: pro Woche, pro Jahreszeit, pro Jahr. Es hängt alles davon ab, welche Daten benötigt werden. Autor: Byers T.
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