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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Dosimetro di radiazione solare. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Fonti di energia alternative Quando si realizzano strutture che utilizzano l'energia solare, è necessario conoscere la quantità totale di luce solare disponibile per la conversione fotovoltaica. Sebbene l'energia della radiazione solare in determinati momenti del tempo possa essere grande, raramente è possibile stabilire da questi valori istantanei la natura della radiazione solare durante il giorno. Per fare questo, è necessario mediare il valore dell'energia solare su un lungo periodo di tempo.
La quantità di radiazione solare potenzialmente utile che cade sulla superficie illuminata è determinata da un concetto chiamato insolazione. L'insolazione solare varia notevolmente da un punto all'altro della superficie terrestre. I deserti del New Mexico ricevono molta più luce solare di Chicago o San Francisco. Quando si determina il valore di insolazione di un'area, è necessario tenere conto di diversi fattori. Durata dell'esposizione solare (in ore) Per tenere conto di tutti i fattori che influenzano il cambiamento nell'uso dell'energia solare, è necessario introdurre un'unità di misura completamente diversa da quelle che abbiamo utilizzato finora. La più efficace è la durata dell'esposizione solare, cioè il tempo di utilizzo utile dell'energia solare (in ore). La frase "uso vantaggioso" sarà spesso menzionata in futuro. Misurare la durata dell'esposizione solare è abbastanza semplice. In sostanza, basta contare il numero di ore al giorno durante le quali splende il sole, cioè il numero di ore utili per l'utilizzo. Diversi fattori influenzeranno la nostra misurazione. Influenza della stagione Indubbiamente, il fattore più importante è l'angolo di incidenza della luce solare sulla superficie terrestre. Quando la Terra ruota intorno al Sole, il suo asse non è perpendicolare alla direzione del Sole, ma è inclinato ad esso di un angolo di circa 23. Infatti, gli assi di rotazione di 5 dei 9 pianeti del Sistema Solare sono leggermente inclinato. Pertanto, i raggi del sole cadono sulla Terra non esattamente perpendicolari all'equatore. Invece, il punto di caduta perpendicolare si sposta a nord e poi a sud dell'equatore durante l'anno. Questo effetto si riflette nel cambio delle stagioni.
Quando il Polo Nord è inclinato rispetto al Sole, come mostrato in Fig. 1, il Sole illumina le regioni del globo rotante ben a sud dell'equatore; per chi vive nell'emisfero boreale, il Sole attraversa il cielo basso sull'orizzonte.
Di conseguenza, le giornate si accorciano. Più brevi sono i giorni, minore è l'energia proveniente dal Sole e arriva l'inverno. Mentre la Terra ruota intorno al Sole, il Polo Nord si gira gradualmente verso il Sole. In primavera, la disposizione reciproca della Terra e del Sole è tale che l'energia solare cade direttamente sull'equatore. Nel frattempo, la Terra continua il suo movimento intorno al Sole. Quando supera metà dell'orbita, il Polo Nord si gira verso il Sole (Fig. 2). Ciò consente alla radiazione solare di concentrare la sua energia a nord dell'equatore. Le giornate si allungano e la Terra è in grado di assorbire e immagazzinare più energia solare in arrivo. Per noi, l'aumento dell'insolazione sembra l'inizio dell'estate. La differenza tra la lunghezza delle giornate estive e quelle invernali per la maggior parte degli Stati Uniti continentali d'America è di 6 ore (Fig. 3).
La terra continua il suo viaggio, compie un ciclo completo e ritorna al punto di partenza. Quindi ricominciano i cicli stagionali e solari. Certo, per chi vive nell'emisfero australe, le stagioni saranno esattamente opposte alle nostre. Quando facciamo freddo in inverno, si crogiolano al sole durante le lunghe giornate estive. Condizioni meteorologiche locali Il cambiamento dell'altezza del sorgere del sole sopra l'orizzonte durante il corso dell'anno può essere previsto con precisione e facilmente spiegato. D'altra parte, anche i modelli meteorologici locali hanno un marcato effetto sull'insolazione solare, ma sono più difficili da prevedere. Le nuvole influenzano maggiormente il tempo. Anche se non coprono completamente il sole, possono indebolire notevolmente il passaggio della luce solare. A seconda del tipo di nuvolosità, l'intensità della radiazione solare può diminuire del 20-50%. Un problema particolare è la varietà di forme e dimensioni delle nuvole. I cirri leggeri riducono solo leggermente la quantità di luce solare che raggiunge la superficie terrestre. Pertanto, possono essere trascurati in una certa misura. D'altra parte, i cumuli densi lasciano entrare pochissima luce. Se ci sono interruzioni nella copertura nuvolosa, il sole apparirà e scomparirà di nuovo. Pertanto, è necessario stimare la quantità di luce solare che penetra attraverso la copertura nuvolosa. È sufficiente per la conversione fotoelettrica? O la luce è troppo bassa? Per tener conto con precisione di tutto ciò, è necessario determinare il livello di luce limite inferiore ancora appropriato per la conversione fotoelettrica. Il calcolo viene eseguito se l'intensità della luce supera questo livello. In caso contrario, il calcolo è terminato. Nebbia, pioggia o foschia apportano anche le loro correzioni. In effetti, il tempo è una variabile ambientale unica nel suo genere. Aree distanti solo 50 km possono avere condizioni di insolazione completamente diverse. La natura della zona illuminata dal sole In conclusione, è necessario considerare il terreno. Supponiamo che ci sia una grande collina che blocca il sole fino alle 10 del mattino. Pertanto, anche se il sole sorge alle 7 del mattino, non saremo in grado di utilizzare la sua energia fino a quando non apparirà sopra la cima della collina. In sostanza si perdono 3 ore, potenzialmente utilizzabili. Il sole al tramonto ci pone un altro problema, poiché è probabile che le cime degli alberi blocchino i suoi raggi alle 4:XNUMX. Anche se questo potrebbe non interferire con il riposo serale nella fresca veranda, ridurrà sicuramente la quantità di energia solare utilizzata. E mentre il tramonto può essere sorprendente, i raggi del sole al tramonto non sono neanche lontanamente così energici come vorremmo. La combinazione di diversi fattori restringe i confini della massima produttività della radiazione solare nell'intervallo dalle 10:4 alle XNUMX:XNUMX circa. In questo caso, è necessario tenere conto del cambiamento dell'angolo di incidenza dei raggi solari mentre il sole si sposta nel cielo durante il giorno, se non si dispone di un dispositivo per tracciare il movimento del sole. I raggi del sole che cadono sulla superficie illuminata con un angolo molto piccolo diventano inadatti all'uso. Tutti i suddetti fattori determinano il tempo utile totale dell'energia solare. Misuratore di insolazione Allo stato attuale, è abbastanza semplice progettare un misuratore di insolazione solare che soddisfi i requisiti di cui sopra. Se vogliamo stabilire l'effettiva durata dell'intervallo di tempo durante il quale l'illuminazione solare è utile in relazione ai nostri convertitori fotovoltaici, è naturale scegliere una cella solare in silicio come sensore di radiazione. Questo progetto richiederà un alimentatore a bassa potenza che generi 1,5 V a 3 mA. Può essere costituito da diversi piccoli elementi collegati in serie in un modo che ricorda la posa di un tetto di tegole (capitolo 1). Quindi la batteria solare dovrebbe essere collegata a un orologio meccanico al quarzo, che consuma pochissima energia. Quando la luce solare colpisce il convertitore fotovoltaico, l'energia elettrica rilasciata metterà in moto l'orologio. Registrando la quantità di tempo al giorno in cui l'orologio ha funzionato, otterrai l'esposizione solare al giorno (in ore). Per rilevare la differenza di intensità della radiazione solare, viene collegato un resistore alla batteria solare, che svolge il ruolo di caricare le celle solari, riducendone leggermente la tensione. Finché l'intensità luminosa non supera un certo livello, corrispondente al livello di lavoro utile della batteria solare, la tensione da essa sviluppata non è sufficiente per alimentare l'orologio e questo tempo non viene registrato. Design del misuratore Il corpo del misuratore di insolazione solare è realizzato interamente in plastica acrilica, come il plexiglass. Ho preso un foglio di plexiglass, che a volte viene utilizzato per creare infissi a doppia finestra e di solito è disponibile in commercio. Da questo foglio dovrebbero essere tagliati due pezzi di 10x12 cm, un pezzo di 10x10 cm2 e un pezzo di 14x14 cm2. Quindi tagliare un pezzo di 14x14 cm2 in diagonale in due triangoli. Successivamente, al centro della piastra 10x10 cm2, praticare un foro del diametro di 9 mm. Quando si pratica un foro in un materiale termoplastico come l'acrilico, è necessario evitare il calore, altrimenti la plastica si scioglierà. Usa la stessa precauzione quando tagli la plastica. I migliori risultati si ottengono con basse velocità di foratura e taglio, ma con una pressione sufficiente. Ora puoi iniziare a montare. Per prima cosa è necessario fissare l'orologio al quarzo con i dadi in un foro del diametro di 9 mm su una piastra di 10x10 cm2. Se lo si desidera, è possibile dotare il timer di un quadrante di un orologio da parete (viene premuto con dadi di collegamento). Per il mio modello, ho semplicemente praticato 12 fori circolari nella piastra per indicare la posizione delle frecce. Ora le parti sono incollate insieme come mostrato in Fig. 4. Sebbene sia preferito l'adesivo acrilico, è possibile utilizzare altri tipi di adesivo. Consiglio di incollare prima le lastre rettangolari su una sola lastra triangolare e solo successivamente di attaccare la seconda lastra triangolare. Ciò ti consentirà di combinare più accuratamente le parti ed evitare di sbavare la colla. Il pannello solare viene quindi fissato a un foglio di plastica dietro l'orologio. Una batteria solare leggera è facilmente attaccata alla plastica per i conduttori che trasportano corrente attaccati ai contatti dell'elemento, usando goccioline di colla. È necessario evitare di far aderire la colla sulla superficie delle celle solari.
Si noti che i conduttori non sono isolati e non sono contrassegnati in alcun modo. Collegare il conduttore proveniente dalla superficie frontale (fotosensibile) dell'elemento al contatto negativo (-) dell'alimentazione dell'orologio. L'altro conduttore proveniente dal retro è collegato all'ingresso di alimentazione positivo (+). Infine, un resistore da 220 ohm viene saldato ai terminali del pannello solare come carico. Il disegno è ora pronto per le misurazioni. Misurazione dell'insolazione Il dispositivo può essere utilizzato in due modi. Puoi almeno iniziare impostando l'orologio su un orario facile da ricordare (di solito lo metto alle 12) e puntare il sensore verso sud. L'angolo di azimut del pannello solare è di 45°, che è approssimativamente l'installazione corretta per la maggior parte delle aree degli Stati Uniti. Le misurazioni iniziano la mattina presto, all'alba. Ora, fino al tramonto, il dispositivo registrerà il numero di ore durante le quali il sole fornisce energia sufficiente per l'utilizzo. Ciò tiene automaticamente conto dell'influenza delle nuvole di passaggio e dei periodi di incidenza dei raggi ad angolo acuto rispetto alla superficie (in corrispondenza dei quali una piccolissima quantità di energia cade sulla batteria). A fine giornata puoi leggere direttamente il numero di ore di sole utili al giorno. Se la lancetta indica 5, allora c'erano 5 ore utili. Imposta di nuovo l'orologio ed è pronto per il giorno successivo. Usando un altro metodo, puoi ottenere il valore cumulativo dell'insolazione. Le letture vengono semplicemente annotate ogni giorno senza cambiare l'orologio e viene contato il numero totale di giri della lancetta durante la misurazione. Il risultato sono condizioni di insolazione per un lungo periodo di tempo. È possibile determinare il valore medio della durata dell'esposizione solare (in ore) in diversi modi: per settimana, per stagione, per anno. Tutto dipende da quali dati sono necessari. Autore: Byers T.
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