Изобретение относится к приборам для измерения интенсивности прямой солнечной радиации по степени нагрева поглощающей радиацию зачерненной поверхности и может быть использован в устройствах, использующих солнечную энергию, например, для определения количества солнечной радиации, поступающего на поверхность солнечного коллектора.

Уровень техники

Наиболее известны конструкции актинометров, описанные на |bttp://wvvw.propogodu.ru/alphabet 570 ].

Основной принцип действия актинометра основан на поглощении падающей радиации зачернённой поверхностью и превращении её энергии в теплоту. Актинометр является относительным прибором, т.к. об интенсивности радиации судят по различным явлениям, сопровождающим нагревание.

Известен чувствительный элемент актинометра (пат.РФЛЬ2011953), содержащий корпус,

выполненный в виде полого шара из теплоизоляционного материала и батарею термопар. Батарея термопар установлена так, что последовательные спаи термопары закреплены на диаметрально противоположных точках поверхности шара. Термоэлектроды проходят внутри шара, а наружная поверхность шара покрыта поглощающим покрытием. Таким образом, спаи последовательно соединенных отрезков изолированной проволоки, например медной и константановой, пропущенные через отверстия в полом пластмассовом шаре, постоянно обращены к солнцу своими "горячими спаями" и к земле - холодными. Независимо от времени суток 50% спаев находятся в "горячей" и 50% - в "холодной" зоне независимо от угла касания лучистой энергии, с инерцией порядка 1-3 с. Эта конструкция решает задачу определения суммарного количества солнечного излучения в течение длительного времени и подходит для метеонаблюдений. В описанным выше устройстве в качестве датчиков использованы термопары. Термопары охватывают весь спектр солнечного излучения, однако требуют сложной температурной компенсации и ручной калибровки, что делает датчики на их основе очень дорогими. Еще одним существенным недостатком термопар является проблема отвода тепла перед следующим измерением, поэтому для достижения теплового баланса, промежутки между измерениями должны быть достаточно большими.

Широкое распространение получили термоэлектрические актинометры, например, термоэлектрический актинометр Савинова — Янишевского, конструкция которого описана в [http://www.propogodu.ru/alphabet/570 ].

Приёмной частью служит тонкий зачернённый с наружной стороны серебряный диск, к внутренней стороне которого приклеены центральные спаи термоэлементов, состоящих из зигзагообразно соединённых полосок манганина и константана (т. н. звёздочка Савинова). Периферийные спаи приклеены к медному кольцу в корпусе. При падении на приёмную поверхность солнечных лучей центральные спаи нагреваются, в то время как периферийные затенены; в результате возникает термоэлектрический ток, пропорциональный разности температур центральных и периферийных спаев, которая в свою очередь пропорциональна измеряемому потоку радиации.

Эта конструкция решает задачу определения суммарного количества солнечного излучения в течение длительного времени и подходит для метеонаблюдений. Однако в случае необходимости определения количества солнечной энергии, поступающей на неподвижную поверхность, например, поверхность солнечного коллектора, результаты измерения не соответствует количеству солнечного излучения, которое поступило на плоскую поверхность коллектора. Это обусловлено тем, что при определении количества солнечного излучения, падающего на панели солнечных коллекторов, следует учитывать, что панели солнечного коллектора устанавливается под определенным фиксированным углом к поверхности земли. Поэтому количество солнечной радиации, поступающее на поверхность коллектора, зависит не только от интенсивности солнечного излучения, но и от положения солнца.

Чтобы получить информацию о количестве солнечной энергии, падающей на плоскую наклонную поверхность (например, за сутки) при помощи существующих приборов, требуется, помимо традиционного актинометра, измеряющего интенсивность солнечной радиации, еще, как минимум, прибор, определяющий положения солнца на небосклоне для вычисления проекции плоскости в каждый момент измерения. Кроме того, для обработки результатов и вычисления падающей на наклонную поверхность энергии могут использоваться разные математические модели, которые могут давать не совпадающие результаты. Задача изобретения

Задачей настоящего изобретения является создание конструкции актинометра для прямого круглогодичного мониторинга солнечного излучения, поступающего на плоскую поверхность, установленную в фиксированном положении под углом к поверхности земли и расширение арсенала устройств для измерения приходящей на плоскую наклоненную поверхность суммарной солнечной радиации.

Сущность изобретения

Поставленная задача решается тем, в актинометре, содержащем датчик с пластиной, приемная поверхность которой покрыта термопоглощающим покрытием, средства для преобразования тепловой энергии солнечного излучения, поглощенной приемной поверхностью, в электрическую энергию, соединенные с указанной пластиной, и средства для измерения электрического тока, пропорционального падающей на приемную поверхность лучистой энергии, в соответствии с изобретением средства для преобразования тепловой энергии в электрическую включают термомодуль Пельтье, установленный в корпусе датчика под зачерненной пластиной, теплопроводник, контактирующий одной своей поверхностью с нижней поверхностью пластины, а другой своей поверхностью с термомодулем Пельтье, причем в пазу между тештопроводником и пластиной установлен первый термодатчик, а рабочая поверхность пластиной защищена прозрачным куполом, закрепленном в указанном корпусе.

Суть действия прибора состоит в контролируемом отборе тепла, поступающего от солнца на зачерненную медную пластину датчика. При нагреве контрольной пластины включается термомодуль Пельтье и охлаждает ее до требуемой температуры, т.е. отбирает тепло и сбрасывает через радиатор в атмосферу. Так как количество тепла, перекачиваемое термомодулем пропорционально количеству пропущенного через него электричества, то подсчитав количество этой электроэнергии, мы получим и количество падающей на пластину солнечной энергии.

Сами по себе термомодули, использующие эффект Пельтье, широко известны, и производятся серийно. Однако использование таких термомодулей в актинометрах авторам неизвестно.

Применение термомодулей Пельтье позволяет расширить диапазон используемых технических средств для регистрации солнечной радиации. Особенности конструкции этих элементов позволяют фиксировать приемную пластину под тем же углом относительно земли, что и поверхность солнечного коллектора. Этим обеспечивается прямое и точное измерение потока солнечного излучения, падающего на поверхность солнечного коллектора Прозрачный купол защищает датчик актинометра от атмосферных воздействий, что позволяет использовать устройство круглогодично. Кроме того, актинометр на основе термомодулей Пельтье может быть выполнен достаточно компактным, а для интерпретации результатов измерения не требуется применения сложных математических моделей.

Целесообразно, чтобы корпус датчика актинометра включал вторую камеру почти идентичной конструкции, отличающуюся только тем, что вторая приемная пластина защищена светоотражающим экраном, закрепленном в указанном корпусе, а внутреннее пространство обеих камер сообщается между собой. Это позволяет снизить температурную зависимость и повысить точность измерения. Количество солнечной радиации в этой конструкции определяется по разности токов, проходящих через термоэлементы.

В том случае, если используется однокамерный вариант датчика актинометра, целесообразно на его корпусе с внутренней стороны установить дополнительный термодатчик. В этом случае количество солнечной энергии определяется по количеству электроэнергии, поступившей на термоэлемент, необходимой для выравнивания показаний термодатчиков.

При использовании однокамерного варианта датчика актинометра целесообразно, чтобы средства для измерения электрического тока были выполнены в виде измерительного блока, который электрически связан с термодатчиками и термомодулем. Измерительный блок включает блок управления, на который поступают сигналы термодатчиков. Блок управления вырабатывает управляющий сигнал, с помощью которого регулируется электрический ток, поступающий от источника постоянного тока на термомодуль для выравнивания показаний термодатчиков. Измерительный блок снабжен интерфейсом для связи с компьютером.

Целесообразно, чтобы корпус датчика актинометра был снабжен теплоотводом в виде радиатора, расположенным с «горячей» стороны термомодуля.

Для улучшения термоизоляции и повышения точности целесообразно, чтобы между термомодулем и корпусом была установлена термоизоляционная прокладка.

Целесообразно, чтобы пластины и тешюпроводник были выполнены из меди.

Для еще большего снижения температурной зависимости целесообразно, чтобы внутреннее пространство корпуса было вакуумировано.

При использовании двухкамерного варианта датчика актинометра средства для измерения электрического тока, поданного на указанные термомодули, могут быть выполнены в виде измерительного блока, включающего первый управляемый регулятор тока, электрически связанный с первым термодатчиком, и первым термомодулем, и второй управляемый регулятор тока, связанный со вторым термодатчиком и вторым термомодулем. Источник питания постоянного тока, электрически связан с первым и вторым управляемыми регуляторами тока. Измеритель дифференциального тока, включен между первым и вторым термомодулями и через преобразователь подключен к интерфейсу для связи с компьютером.

Краткое описание чертежей Изобретение иллюстрируется чертежами, на которых

Фиг.1 изображает однокамерный датчик актинометра, выполненный в соответствии с изобретением, в поперечном разрезе;

Фиг.2 изображает блок-схему актинометра с однокамерным датчиком, выполненного в соответствии с изобретением;

I

Фиг.З изображает двухкамерный датчик актинометра, выполненный в соответствии с изобретением, в поперечном разрезе;

Фиг.4 изображает блок-схему актинометра с двухкамерным датчиком, выполненного в соответствии с изобретением;

Наилучший пример воплощения изобретения Как показано на фиг.1, датчик актинометра включает литой пластиковый корпус 1, в который встроен на стадии изготовления медный теплопроводник 2. К теплопроводнику 2 крепится медная пластина 3 с термопоглощающим покрытием. Термопоглощающе покрытие представляет собой слой сажи, черной краски или подобного вещества. В пазу между пластиной 3 и теплопроводником 2 размещается термодатчик 4. В качестве термодатчика может использоваться, например, терморезистор. Пространство перед пластиной 3 закрыто прозрачным, например, стеклянным куполом 5, который герметично установлен в специальное углубление на корпусе 1. Чтобы исключить влияние теплопотерь через купол 5 и стенки корпуса 1 внутреннее пространство датчика вакуумируется. В нижней части корпуса 1 между теплопроводником 2 и медным ребристым теплоотводом 6 установлен термомодуль 7. Перед установкой на рабочие поверхности термомодуля 7 наносят специальную термопасту, которая обеспечивает надежную передачу тепла в местах контакта. Теплоотвод (радиатор) 6 крепится к корпусу 1 винтами, изготовленными из материала с высоким термосопротивлением (например, из пластмассы). Теплоотвод может быть также вьшолнен из меди. Чтобы исключить контакт термомодуля 7 с наружным воздухом между корпусом 1 и радиатором 6 укладывается термоизоляционная прокладка 8. Также на корпусе 1 крепится второй термодатчик 4 и кабельный разъем (на рисунке не показаны). Измерения проводятся в соответствии со схемой на фиг.2. Как указано выше, датчик актинометра имеет два термодатчика: первый термодатчик 4 на фиг.1 - для измерения температуры пластины и второй, не показанный на фиг.1, термодатчик - для измерения температуры корпуса 1 датчика. Сигналы от первого и второго термодатчиков 4 поступают на компаратор блока управления 9 (фиг.2), управляющего регулятором 10 тока Блок измерения также включает источник , 1 постоянного тока, через регулятор 10 тока электрически связанный с термомодулем 7 (фиг.1). Информация об электрическом токе, подаваемом на термомодуль 7, фиксируется датчиком тока и через преобразователь 12 и интерфейс 13 поступает на компьютер (на фиг. не показан).

Как показано на фиг.З, датчик актинометра может иметь и двухкамерное выполнение. В этом случае корпус 16 датчика включает первую камеру 17, идентичную описанной вьппе конструкции, и вторую камеру 18, в которой, вместо прозрачного стеклянного купола 19, установлен светоотражающй экран 20, закрепленный в корпусе 16. Внутреннее пространство камеры 17 и камеры 18 сообщаются между собой, например, с помощью канала 21. С «горячей» стороны термомодулей 22,23, как и в описанной вьппе однокамерной конструкции, размещен теплоотвод.

Блок-схема актинометра, в котором использован двухкамерный датчик, приведена на фиг.4. Как видно из фиг.4, термодатчики 26, 27 установленные в камерах 17, 18, электрически связаны с управляемыми регуляторами тока 28, 29 соответственно. Управляемые регуляторы тока 28, 29 электрически связаны с термоэлектрическими модулями 22, 23 соответственно. Регуляторы тока 28, 29 запитаны от источника 30 постоянного тока. Измеритель 31 дифференциального тока включен между первым и вторым термомодулями 22, 23 и через преобразователь 32 подключен к интерфейсу 33 для связи с компьютером (на фиг.не показан). Актинометр с однокамерным датчиком (фиг.1,2) работает следующим образом.

При отсутствии солнечного излучения температура пластины 3 равна температуре корпуса 1, т.е. температуре наружного воздуха.

Сигналы от термодатчиков поступают на компаратор блока управления 9 управляющего регулятором 10 тока. При равенстве сигналов термодатчиков ток в цепи питания термомодуля 7 равен нулю. При попадании на пластину 3 датчика солнечного излучения происходит ее нагрев, что фиксируется термодатчиком 4. И если термодатчик 4, установденный на пластине 3, фиксирует повышение температуры, блок управления 9 через регулятор тока 10 подает ток от источника питания 11 на термомодуль 7, который начинает отбор тепла с пластины 3 датчика.

Информация от датчика тока через преобразователь 12 и интерфейс 13 поступает на компьютер, где происходит ее обработка и запись. По мере охлаждения пластины 3 ток через термомодуль 7 уменьшается и, когда показания термодатчиков выровняются, процесс охлаждения стабилизируется. При снижении интенсивности солнечной радиации, когда термо датчик, установленный на пластине 3, фиксирует снижение температуры относительно температуры корпуса 1, фиксируемой вторым термодатчиком, ток через термомодуль 7 начинает уменьшаться до тех пор, пока вновь не восстановится тепловой баланс. С увеличением интенсивности солнечного излучения процесс повторяется.

Работа актинометра, в котором использована двухкамерная конструкция датчика, отличается от работы актинометра с однокамерным датчиком только тем, что количество солнечной радиации определяется по разности токов, проходящих через термоэлементы. Промьшшенная применимость

Описанный актинометр может быть вьшолнен из производящихся серийно стандартных элементов и обычных конструкционных материалов.