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无线电电子与电气工程百科全书 太阳辐射剂量计。 无线电电子电气工程百科全书
在建造任何使用太阳能的结构时，有必要了解可用于光伏转换的阳光总量。 尽管太阳辐射在某些时刻的能量可能很大，但很难从这些瞬时值确定白天太阳辐射的性质。 为此，需要对很长一段时间内太阳能的价值进行平均。
落在照明表面上的潜在有用的太阳辐射量由称为日照的概念确定。 地球表面某一点与另一点的太阳辐射差异很大。 新墨西哥州的沙漠比芝加哥或旧金山接收到更多的阳光。 在计算任何区域的日照量时，必须考虑几个因素。 日照时间（小时） 为了考虑到影响太阳能使用量变化的所有因素，有必要引入一种与我们迄今为止使用的完全不同的测量单位。 最有效的是太阳照射的持续时间，即有效利用太阳能的时间（以小时为单位）。 “有益利用”这个词以后会经常被提及。 测量阳光照射的持续时间非常简单。 本质上，需要做的就是计算每天有阳光照射的小时数，即可用小时数。 有几个因素会影响我们的测量。 季节的影响 毫无疑问，最重要的因素是太阳光在地球表面的入射角。 当地球绕太阳旋转时，它的轴并不垂直于太阳的方向，而是与太阳倾斜约23°。事实上，太阳系的5颗行星中有9颗的旋转轴稍微倾斜。倾斜。 因此，太阳光线不会完全垂直于赤道照射到地球。 相反，垂直入射点全年都会在赤道以北或以南移动。 这种效应体现在季节的变化上。
当北极偏离太阳时，如图所示。 1，太阳照亮旋转地球赤道以南的区域； 对于生活在北半球的人来说，太阳穿过地平线低处的天空。
结果，白天变得越来越短。 白天越短，来自太阳的能量就越少，冬天就来临了。 当地球绕太阳旋转时，北极逐渐转向太阳。 春天，地球和太阳的相对位置使得太阳能直接落在赤道上。 与此同时，地球继续绕太阳运动。 当它经过轨道的一半时，北极转向太阳（图2）。 这使得太阳辐射能够将其能量集中在赤道以北。 白天越来越长，地球能够吸收和储存更多的太阳能。 对我们来说，日照的增加感觉就像夏天的来临。 美国大陆大部分地区的夏季和冬季白天长度相差 6 小时（图 3）。
地球继续它的旅程，经历一个完整的循环，然后再次回到起点。 然后季节和太阳周期再次开始。 当然，对于生活在南半球的人来说，季节将与我们完全相反。 当我们冬天寒冷的时候，他们却在漫长的夏天晒太阳。 当地天气状况 全年太阳距地平线高度的变化可以准确预测并轻松考虑。 另一方面，当地的天气条件也对日照有显着影响，但更难以预测。 云对天气的影响最大。 即使它们没有完全阻挡阳光，它们也会显着减少阳光的通过。 根据多云类型，太阳辐射强度可能会降低 20-50%。 一个特殊的问题是云的形状和大小多种多样。 轻型卷云仅略微减少到达地球表面的阳光量。 因此，它们在某种程度上可以被忽略。 另一方面，浓密的积云透入的光线非常少。 如果云层破裂，太阳就会出现，然后又消失。 因此，有必要估计穿透云层的阳光量。 光电转换够用吗？ 或者光线太暗？ 为了准确地考虑所有这些，有必要确定对于光电转换仍然实用的光的下限水平。 如果光强度超过该水平，则进行计算。 否则，计算停止。 雾、雨或霾也会做出修正。 事实上，天气是一个独特的环境变量。 相距仅 50 公里的区域可能具有完全不同的日照条件。 太阳照射区域的性质 最后，还需要考虑地形。 假设有一座大山遮挡阳光直到上午 10 点。 因此，即使太阳在早上7点升起，我们也无法利用它的能量，直到它出现在山顶上。 基本上 3 个小时的潜在可用时间被浪费了。 夕阳给我们带来了另一个问题，因为下午 4 点钟时树顶很可能会遮挡阳光。 虽然这可能不会阻止您晚上在凉爽的阳台上放松，但它肯定会减少太阳能的使用量。 虽然日落令人惊叹，但夕阳的光线并不像我们希望的那样充满活力。 几个因素的结合缩小了大约上午 10 点到下午 4 点期间太阳辐射最大生产力的界限。 在这种情况下，如果您没有可跟踪太阳运动的设备，则有必要考虑白天太阳在天空中移动时太阳光线入射角的变化。 太阳光线以非常小的角度落在照明表面上变得不适合使用。 所有上述因素决定了太阳能的总使用时间。 日照仪 目前，设计满足上述要求的日照计相当简单。 如果我们想确定太阳光照对光伏转换器有用的时间间隔的实际持续时间，很自然地选择硅太阳能电池作为辐射传感器。 该设计需要一个能够在 1,5 mA 电流下产生 3 V 电压的低功耗电源。 它可以由几个串联的小元件制成，其方式让人想起铺设瓦片屋顶（第 1 章）。 那么太阳能电池应该安装在石英机械表上，这样消耗的能量就很少。 当阳光照射到光伏转换器时，释放出的电能将导致手表走动。 通过记录每天时钟运行的时间段，您将获得每天暴露在阳光下的持续时间（以小时为单位）。 为了检测太阳辐射强度的差异，太阳能电池上连接了一个电阻，该电阻充当太阳能电池的负载，稍微降低其电压。 直到光强度超过与太阳能电池的有用操作水平相对应的一定水平之前，其产生的电压不足以为时钟供电，并且不会记录该时间。 仪表设计 日照计的主体完全由有机玻璃等丙烯酸塑料制成。 我拿了一块有机玻璃，它有时用来制作双层窗框，通常可以在市场上买到。 应从这张纸上切出两块尺寸为 10x12 厘米的材料，一块尺寸为 10x10 厘米 2 的材料和一块尺寸为 14x14 厘米 2 的材料。 然后将 14x14 cm2 的一块沿对角线切成两个三角形。 接下来，在 10x10 cm2 板的中心钻一个直径为 9 毫米的孔。 在亚克力等热塑性材料上钻孔时，必须避免加热钻头，否则塑料会熔化。 锯掉塑料时请遵循相同的预防措施。 在低钻孔和切割速度但压力足够的情况下可以获得最佳结果。 现在你可以开始组装了。 首先，需要将石英钟用螺母固定在 9x10 cm10 板上直径 2 毫米的孔中。 如果需要，您可以为计时器配备一个挂钟表盘（用连接螺母压紧）。 对于我的模型，我只是在板上的一个圆圈中钻了 12 个孔来指示箭头的位置。 现在部件被粘合在一起，如图所示。 4. 虽然优选丙烯酸胶，但也可以使用其他类型的胶。 我建议先将矩形板粘合到一个三角形板上，然后再连接第二个三角形板。 这将使您能够更准确地组合部件并避免弄脏胶水。 然后将太阳能电池板固定在时钟后面的一块塑料板上。 使用胶水滴，可以将轻型太阳能电池轻松地固定在塑料上，以便将载流导体固定在元件的触点上。 必须避免太阳能电池表面沾上胶水。
应该注意的是，导体没有绝缘，也没有以任何方式标记。 将来自元件前（光敏）表面的导体连接到时钟的负极 (-) 电源触点。 来自后表面的另一根导体连接到正极 (+) 电源输入。 最后，将一个220欧姆的电阻焊接到太阳能电池板端子上作为负载。 该设计现已准备好进行测量。 日照测量 该设备可以通过两种方式使用。 您可以首先将时钟设置为易于记忆的时间（我通常将其设置为 12 点）并将传感器指向南方。 太阳能电池阵列的方位角为 45°，这大约是美国大部分地区的正确安装方式。 测量从清晨黎明开始。 现在，直到日落之前，该设备将记录太阳提供足够能量可供使用的小时数。 这会自动考虑经过的云层的影响以及与表面成锐角的光线入射周期（此时极少量的能量落在电池上）。 一天结束时，您可以直接读取每天的有用日照时数。 如果指针指向 5，则还有 5 小时可用。 重置时钟，为第二天做好准备。 使用另一种方法，您可以获得日照的累积值。 只需记下每天的读数，无需更改时钟，并计算测量过程中指针的总转数。 结果是长时间的日照条件。 您可以通过几种不同的方式确定日光照射的平均持续时间（以小时为单位）：每周、每个季节、每年。 这完全取决于需要什么数据。 作者：拜尔斯 T.
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