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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Dosímetro de radiação solar. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Fontes de energia alternativa Ao criar qualquer estrutura que utilize energia solar, é necessário conhecer a quantidade total de luz solar disponível para conversão fotovoltaica. Embora a energia da radiação solar em determinados momentos possa ser elevada, raramente é possível determinar a partir destes valores instantâneos a natureza da radiação solar durante o dia. Para fazer isso, é necessário calcular a média do valor da energia solar durante um longo período de tempo.
A quantidade de radiação solar potencialmente útil que incide sobre uma superfície iluminada é determinada por um conceito denominado insolação. A insolação solar varia muito de um ponto para outro da superfície terrestre. Os desertos do Novo México recebem significativamente mais luz solar do que Chicago ou São Francisco. Ao encontrar a quantidade de insolação de qualquer região, vários fatores devem ser levados em consideração. Duração da exposição solar (em horas) Para ter em conta todos os factores que influenciam a variação da energia solar utilizada, é necessário introduzir uma unidade de medida completamente diferente daquelas que utilizámos até agora. O mais eficaz é a duração da irradiação solar, ou seja, o tempo de utilização útil da energia solar (em horas). A frase “uso benéfico” será frequentemente mencionada no futuro. Medir a duração da exposição solar é bastante simples. Essencialmente, tudo o que precisa ser feito é contar o número de horas por dia durante as quais o sol brilha, ou seja, o número de horas úteis. Nossa medição será influenciada por vários fatores. Influência da temporada Sem dúvida, o fator mais importante é o ângulo de incidência da luz solar na superfície terrestre. Quando a Terra gira em torno do Sol, seu eixo não é perpendicular à direção do Sol, mas está inclinado em relação a ele em um ângulo de cerca de 23. Na verdade, os eixos de rotação de 5 dos 9 planetas do Sistema Solar são ligeiramente inclinado. Conseqüentemente, os raios solares não atingem a Terra exatamente perpendicularmente ao equador. Em vez disso, o ponto de incidência perpendicular move-se ao longo do ano para norte ou para sul do equador. Este efeito se reflete na mudança das estações.
Quando o Pólo Norte está inclinado para longe do Sol, como mostrado na Fig. 1, O Sol ilumina áreas do globo em rotação significativamente ao sul do equador; Para quem vive no Hemisfério Norte, o Sol cruza o céu baixo no horizonte.
Como resultado, os dias ficam mais curtos. Quanto mais curtos os dias, menos energia vem do Sol e o inverno chega. À medida que a Terra gira em torno do Sol, o Pólo Norte gradualmente se volta em direção ao Sol. Na primavera, a posição relativa da Terra e do Sol é tal que a energia solar incide diretamente sobre o equador. Enquanto isso, a Terra continua seu movimento em torno do Sol. Quando passa na metade de sua órbita, o Pólo Norte se volta em direção ao Sol (Fig. 2). Isto permite que a radiação solar concentre sua energia ao norte do equador. Os dias estão ficando mais longos e a Terra é capaz de absorver e armazenar mais energia solar. Para nós, o aumento da insolação parece o início do verão. A diferença entre a duração dos dias de verão e inverno na maior parte do território continental dos Estados Unidos é de 6 horas (Figura 3).
A terra continua sua jornada, passa por um ciclo completo e volta ao ponto de partida. Então os ciclos sazonais e solares recomeçam. É claro que para quem vive no Hemisfério Sul as estações serão completamente opostas às nossas. Quando estamos congelando no inverno, eles aproveitam o sol durante os longos dias de verão. Condições climáticas locais As mudanças na altura do Sol acima do horizonte ao longo do ano podem ser previstas com precisão e facilmente levadas em consideração. Por outro lado, as condições climáticas locais também têm um efeito marcante na insolação solar, mas são mais difíceis de prever. As nuvens são as que mais influenciam o clima. Mesmo que não bloqueiem completamente o sol, podem reduzir significativamente a passagem da luz solar. Dependendo do tipo de nebulosidade, a intensidade da radiação solar pode diminuir em 20-50%. Um problema específico é a diversidade de formatos e tamanhos de nuvens. Nuvens cirros leves reduzem apenas ligeiramente a quantidade de luz solar que atinge a superfície da Terra. Portanto, eles podem ser negligenciados até certo ponto. Por outro lado, nuvens cúmulos densas permitem a passagem de muito pouca luz. Se houver interrupções na cobertura de nuvens, o sol aparecerá e desaparecerá novamente. Portanto, é necessário estimar a quantidade de luz solar que penetra na cobertura de nuvens. É suficiente para conversão fotovoltaica? Ou a luz está muito baixa? Para levar tudo isso em consideração com precisão, é necessário determinar o nível limite inferior de luz que ainda é prático para a conversão fotoelétrica. O cálculo é realizado se a intensidade da luz ultrapassar este nível. Caso contrário, o cálculo é interrompido. Nevoeiro, chuva ou neblina também fazem seus próprios ajustes. Na verdade, o clima é uma variável ambiental única. Áreas localizadas a apenas 50 km uma da outra podem ter condições de insolação completamente diferentes. A natureza da área iluminada pelo sol Finalmente, é necessário considerar o terreno. Suponha que haja uma grande colina que bloqueie o sol até as 10h. Assim, mesmo que o sol nasça às 7h, não poderemos utilizar sua energia até que ele apareça no topo do morro. Essencialmente, 3 horas de tempo potencialmente utilizável são desperdiçadas. O sol poente apresenta-nos outro problema, pois é provável que as copas das árvores bloqueiem os seus raios às 4 horas da tarde. Embora isso possa não impedir que você relaxe na varanda fresca à noite, certamente reduzirá a quantidade de energia solar utilizada. E embora o pôr do sol possa ser incrível, os raios do sol poente não são tão energéticos quanto gostaríamos que fossem. A combinação de vários fatores estreita os limites da maior produtividade da radiação solar no intervalo aproximado das 10h às 4h. Neste caso, é necessário levar em consideração a mudança no ângulo de incidência dos raios solares à medida que o sol se move no céu durante o dia, caso você não tenha à sua disposição um dispositivo para rastrear o movimento do Sol . Os raios solares que incidem sobre a superfície iluminada em um ângulo muito pequeno tornam-se impróprios para uso. Todos os fatores acima determinam o tempo útil total da energia solar. Medidor de insolação Atualmente, é bastante simples projetar um medidor de insolação solar que atenda aos requisitos acima. Se quisermos estabelecer a duração real do intervalo de tempo durante o qual a iluminação solar é útil para os nossos conversores fotovoltaicos, é natural escolher uma célula solar de silício como sensor de radiação. Este projeto exigirá uma fonte de alimentação de baixa potência que gere 1,5 V a 3 mA. Pode ser feito a partir de vários pequenos elementos ligados em série de uma forma que lembra a colocação de um telhado de telha (Capítulo 1). A célula solar deve então ser conectada a um relógio mecânico de quartzo que consome muito pouca energia. Quando a luz solar atinge o conversor fotovoltaico, a energia elétrica liberada fará com que o relógio se mova. Ao registrar o período de tempo por dia durante o qual o relógio funcionou, você obterá a duração da exposição solar por dia (em horas). Para detectar diferenças na intensidade da radiação solar, um resistor é conectado à bateria solar, que atua como carga nas células solares, reduzindo ligeiramente sua tensão. Até que a intensidade da luz ultrapasse um determinado nível correspondente ao nível de funcionamento útil da bateria solar, a tensão por ela desenvolvida não é suficiente para alimentar o relógio e este tempo não é registado. Projeto do medidor O corpo do medidor de insolação solar é feito inteiramente de plástico acrílico, como plexiglass. Usei uma folha de perspex, que às vezes é usada para criar janelas de guilhotina dupla e está comumente disponível comercialmente. Desta folha deverá cortar dois pedaços de 10x12 cm, um pedaço de 10x10 cm2 e um pedaço de 14x14 cm2. Em seguida, corte um pedaço medindo 14x14 cm2 na diagonal em dois triângulos. A seguir, faça um furo com diâmetro de 10 mm no centro da placa de 10x2 cm9. Ao fazer um furo em um material termoplástico como o acrílico, evite aquecer a broca, caso contrário o plástico derreterá. Observe a mesma precaução ao serrar plástico. Os melhores resultados podem ser alcançados com baixas velocidades de perfuração e corte, mas com pressão suficiente. Agora você pode começar a montar. Primeiramente é necessário fixar o relógio de quartzo com porcas em um furo de 9 mm de diâmetro em uma placa de 10x10 cm2. Se desejar, você pode equipar o temporizador com um mostrador de relógio de parede (é pressionado com porcas de conexão). Para o meu modelo, simplesmente fiz 12 furos em círculo na placa para indicar a posição das setas. Agora as peças estão coladas conforme Fig. 4. Embora a cola acrílica seja preferida, outros tipos de cola podem ser usados. Eu recomendo colar as placas retangulares primeiro em apenas uma placa triangular e depois fixar a segunda placa triangular. Isso permitirá alinhar as peças com mais precisão e evitar manchas de cola. O painel solar é então montado em uma folha de plástico localizada atrás do relógio. Uma bateria solar leve pode ser facilmente fixada em plástico usando condutores condutores de corrente presos aos contatos da célula com gotas de cola. É necessário evitar que cola fique na superfície das células solares.
Deve-se observar que os condutores não são isolados ou marcados de forma alguma. Conecte o condutor que vem da superfície frontal (fotossensível) do elemento ao contato de potência negativo (-) do relógio. Outro condutor vindo da superfície traseira é conectado à entrada de energia positiva (+). Finalmente, um resistor de 220 ohms é soldado aos terminais do painel solar como carga. Agora a estrutura está pronta para medições. Medição de insolação O dispositivo pode ser usado de duas maneiras. Você pode começar pelo menos acertando o relógio para um horário fácil de lembrar (normalmente coloco para 12 horas) e apontando o sensor para o sul. O ângulo de azimute do painel solar é de 45°, que é aproximadamente a instalação correta para a maioria das áreas dos Estados Unidos. As medições começam de manhã cedo, ao amanhecer. Agora, até o pôr do sol, o aparelho registrará o número de horas durante as quais o sol fornece energia suficiente para uso. Nesse caso, a influência da passagem de nuvens e os períodos de queda dos raios em um ângulo agudo em relação à superfície (nos quais uma quantidade muito pequena de energia incide sobre a bateria) são automaticamente levados em consideração. No final do dia, você pode fazer uma leitura direta do número de horas úteis de sol do dia. Se o ponteiro apontar para 5, então foram 5 horas úteis. Acerte o relógio e estará pronto para o dia seguinte. Utilizando outro método, o valor de insolação cumulativa pode ser obtido. Basta anotar as leituras todos os dias sem alterar o relógio e contar o número total de voltas do ponteiro durante a medição. O resultado são condições de insolação durante um longo período de tempo. Você pode determinar a duração média da exposição solar (em horas) de diversas maneiras: por semana, por estação, por ano. Tudo depende de quais dados são necessários. Autor: Byers T.
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