CZ18667U1 - Termoelektrický snímač efektivní hodnoty stereoinsolace - Google Patents

Description

Technické řešení se týká termoelektrického snímače efektivní hodnoty stereoinsolace, což je zařízení umožňující měření energie záření v oblasti spektra vlnových délek a intenzit charakte5 ristických pro sluneční záření s prostorovou všesměrovou citlivostí.

Dosavadní stav techniky

Měření slunečního záření je základní a principiálně důležitou součástí meteorologických a klimatologických informací. Absorbovaná energie záření Slunce (tj. rozdíl mezi dopadající a odraženou částí) jakékoliv těleso ohřívá. V meteorologii se tím stává zdrojem energie pro všechny následné procesy v atmosféře, hydrosféře i ve svrchní vrstvě pevného povrchu planety. Nerovnoměrný ohřev různých oblastí Země (určovaný zejména denní rotací a ročním oběhem okolo Slunce) je hnací silou všech aktuálních povětrnostních jevů (počasí) i spoluurčujícím komplexem faktorů vytvářejících podnebí neboli klima.

Exaktní měření složek slunečního záření (dopadajícího, rozptýleného, odraženého, absorbované15 ho, pronikajícího) jsou velmi náročná a nákladná, jak na technické vybavení, tak i na metodiku měření, kalibraci přístrojů a zpracování naměřených hodnot. Proto je hustota aktinometrických profesionálních stanic poměrně malá (v ČR asi 10 stanic v síti Českého hydrometeorologického ústavu) a časové řady dat jsou ve srovnání s jinými meteorologickými prvky krátké (v ČR má měření delší než padesát roků jen observatoř v Hradci Králové).

Pro účely studia globálního klimatu a makroklimatu se jednotlivé toky energie slunečního záření definují a také měří jako hustota zářivého toku dopadajícího na vodorovný povrch snímače. V technických disciplinách, zejména v heliotechnice, je obvykle měřena radiace dopadající na plochu orientovanou kolmo k paprskům přicházející od slunečního disku. Intenzita záření dopadající na obecně orientovanou plochu se zpravidla z měřených hodnot vypočítává.

V oblasti zemědělského výzkumu je sluneční záření (kromě energetického významu) primárním zdrojem energie pro produkci biomasy prostřednictvím fotosyntézy a tím zdrojem výroby potravin, krmiv i tepla. Dopadající sluneční záření na porost se z podstatné části odráží zpět do atmosféry, částečně se absorbuje a jistý podíl dále proniká do spodních vrstev porostu. Výsledné poměry jsou proto komplikované a vlastní radiační poleje silně nehomogenní. Značnou proměnli30 vost působí složitý denní chod intenzity záření, ovlivňovaný pohybem Slunce po obloze a oblačností. Detailní studium energetických i fyziologických procesů uvnitř porostu proto vyžaduje poměrně velký počet efektivních hodnot během celé doby vegetace, nejlépe získaný registrací všech složek slunečního záření v celém vertikálním profilu.

V posledních desetiletích se k měření slunečního záření v porostu používají trubicové solari35 metry snímající střední efektivní intenzitu jak dopadající energie slunečního záření, tak i odražené energie záření od povrchu půdy a rostlin pod místem měření. Obě složky jsou snímány na horizontálně orientované ploše solarimetru. Z takto získaných hodnot je možné stanovit množství a formu využité solární energie porostem v průběhu času vztažených k vodorovné ploše v dané výšce měření.

Komplexní studium tepelné bilance životního prostředí je podmíněno spolehlivými kvantitativními informacemi o slunečním záření, jeho proměnlivosti v čase i prostoru, transformaci vlivem odrazu a absorpce, a tím i podílu na ohřívání aktivního povrchu. Všeobecné studium energie slunečního záření má proto nezastupitelnou roli nejen při hodnocení efektivity produkce biomasy zemědělských plodin, lesních ekosystémů, ale i při ochraně a tvorbě životního prostředí v pod45 mínkách predikovaných změn klimatu. Problematika stereoinsolace nebyla dosud studována, protože nejsou k dispozici vhodné snímače efektivní hodnoty pro použití v porostech.

- 1 CZ 18667 Ul

Podstata technického řešení

Uvedené nedostatky odstraňuje termoelektrický snímač efektivní hodnoty stereoinsolace podle technického řešení, jehož podstata spočívá v tom, že se snímač skládá z dělené kovové trubice, kde jednotlivé části jsou spojeny vodičem za vytvoření alespoň jednoho termočlánku v termo5 baterii, přičemž každý termočlánek se skládá z části s bílým povrchem a části s černým povrchem, celý snímač je chráněn krytem, přičemž přívodní vodič vede do zobrazovacího měřicího zařízení. Snímač je možné připevnit na stojan.

Termoelektrický snímač podle technického řešení se dále vyznačuje tím, že dělená kovová trubice je z mědi nebo železa nebo hliníku.

Termoelektrický snímač podle technického řešení je též vyznačen tím, že vodič mezi termočlánky v termobaterií je z konstantanu.

Termoelektrický snímač podle technického řešení se ještě vyznačuje tím, že kryt je skleněný.

Termoelektrický snímač podle technického řešení má citlivou plochu ve tvaru protáhlého tenkého válce, čímž se podstatně odlišuje od dosud používaných obdobných snímačů. To umožňuje měření ve studovaném prostředí bez narušení jeho přirozené struktury a tím i ovlivnění radiačního pole.

Hlavní výhodou navrhované konstrukce termoelektrického snímače podle technického řešení je integrální prostorová citlivost k dopadajícímu záření ze všech směrů (stereoinsolace), tzn. reagující i na podíl zářivé energie, který vznikne rozptylem a mnohonásobným odrazem v porostu, který je nedílnou a také využívanou součástí slunečního záření.

Výsledky zkušebních měření navazují na dlouholeté praktické zkušenosti pracoviště dokumentované řadou oponovaných prací publikovaných v ČR a v zahraničí a ve srovnání s dosavadními znalostmi lze předpokládat, že získané údaje budou podnětem k principiálně novému širšímu pohledu na fýtoaktinometrické studie a tím i využívání obnovitelných zdrojů energie.

Efektivní hodnota měřené stereoinsolace je dána délkou snímače a úzce souvisí s nehomogenitou pole zářivé energie a je do značné míry volitelná (typické hodnoty pro většinu zemědělských plodin 1 až 2 m).

Vlastní snímač je tvořen určitým počtem termočlánků v termobaterií snímající teplotní rozdíl mezi ozářenými plochami s odlišnou absorpční schopností pro sluneční záření. Jednotlivé aktivní sekce termobaterie, tedy termočlánky, jsou tvořeny částí kovové trubice upravené do charakteristického tvaru a vzájemným propojením vodičem z komplementárního kovu tvořícího termočlánky. Povrch vytvořené termobaterie je následně upraven tak, aby jednotlivé spoje byly sériově napojeny na plochy s rozdílnou absorpční schopností.

Termoelektrický snímač podle technického řešení jev optimálním případě dlouhý 1 až 2 m a obsahuje 10 až 30 aktivních termočlánků 2, každý s částí 3 s bílým povrchem a částí 4 s černým povrchem. Termočlánky 2 jsou sériově propojeny do termobaterie. Je nutné, aby dělená kovová trubice I byla z vodivého kovu, jako je měď, železo nebo hliník a propojovací komplementární vodič 5 a 6 mezi termočlánky 2 byl ze slitiny konstantan. Napěťová citlivost snímače podle technického řešení je srovnatelná s průmyslově vyráběnými aktinometrickými snímači, tj. řádově milivolty při plném ozáření běžně se vyskytujícími toky slunečního záření, vnitřní odpor snímače je malý, řádově ohmy až desítky ohmů, jako vhodné indikační zařízení (univerzální) slouží galvanoměry, registrační přístroje, dataloggery, měřicí ústředny. Kalibrace snímače podle technického řešení se provádí metodou slunce - stín podle kalibračních standardů World Meteorological Organization nebo Národního radiačního centra ČHMÚ v Hradci Králové. Dělená kovová trubice 1 je opatřena trubicovým krytem 7, zejména skleněným, chránícím citlivé plochy termočlánků 2 z bílých částí 3 a černých částí 4 proti vodě a znečištění prachem a odstraňuje i vliv infračervené dlouhovlnné složky záření okolních těles. Nové prostorové uspořádání snímače umožňuje integrální prostorovou citlivost k dopadajícím a odraženým radiačním tokům ze všech

-2CZ 18667 Ul směrů ve spektru vlnových délek typických pro sluneční záření. Získané hodnoty je možné odečítat na měřicím zařízení připojeném pomocí přívodních kabelů 8 ke snímači. Snímače je možné umístit kdekoliv, např. do porostu pomocí jednoduchých stojanů 9.

Přehled obrázků na výkresech

Na přiložených výkresech je na obr. 1 schematicky znázorněn celý snímač podle technického řešení při měření v porostu v porovnání s dosavadními snímači, kde značí A - termoelektrický snímač prostorové stereoinsolace podle technického řešení, B - liniový solarimetr v pozici pro měření odraženého záření, pro měření globálního záření byl otočen citlivou plochou o 180°, C další snímače na měření radiace. Na obr. 2 je schéma snímače podle technického řešení, na ío obr. 3 je fotografie snímače podle technického řešení. Na obr. 4 je graf 1, který uvádí hodnoty globálního záření snímané liniovým solarimetrem v porostu kukuřice nad povrchem půdy, v porostu ve výšce cca 1 m a nad porostem, místem měření byla Praha 6 - Suchdol, 6. až 7. 8. 2007. Na obr. 5 je graf 2, který uvádí sluneční záření naměřené termoelektrickým snímačem podle technického řešení v porostu kukuřice nad povrchem půdy, v porostu ve výšce cca 1 m a nad porostem, místem měření byla Praha 6 - Suchdol, 6. až 7. 8. 2007. Na obr. 6 je tabulka 1 s hodnotami ze základního statistického porovnání obou souborů získaných pomocí dvou odlišných typů snímačů (globální záření - liniový solarimetr, stereoinsolace - termoelektrický snímač podle technického řešení).

Následující příklad provedení termoelektrický snímač podle technického řešení pouze dokládá, aniž by ho jakkoliv omezoval.

Příklad provedení

K měření byl připraven termoelektrický snímač ve tvaru dlouhého úzkého válce. Skládal se z měděné dělené trubice I o délce 1 m, na které bylo umístěno 12 aktivních termočlánků 2 v termobaterii. Každý termočlánek 2 se skládal z části 3 s bílým povrchem a části 4 s černým povr25 chem, přičemž propojení mezi termočlánky 2 bylo provedeno konstantanovým vodičem 5 a 6. Snímač podle technického řešení byl pomocí přívodního vodiče 8 spojen s galvanoměrem. Pro dokonalou ochranu proti prachu a vlhkosti bylo vše uloženo do dlouhého skleněného krytu 7 a snímač byl upevněn na stojanu 9.

Měření probíhalo v několika patrech vzrostlého porostu kukuřice s kontrolním použitím liniové30 ho solarimetru (AO170402) a nově s termoelektrickým snímačem podle technického řešení, který snímal efektivní hodnoty stereoinsolace slunečního záření dopadajícího ze všech stran na válcovou plochu. Umístění obou snímačů v horním patře porostu, resp. nad porostem jsou na obr. 1.

Rozdíly mezi získanými výsledky jsou patrné na grafu 1 (obr. 4) a grafu 2 (obr. 5) a ve statistic35 kém porovnání v tabulce 1 (obr. 6).

Získané a zpracované výsledky dokumentují kvalitativně nový pohled, který se liší od standardních aktinometrických údajů z měření liniovými snímači s plošným povrchem. Lze předpokládat přehodnocení řady dříve získaných výsledků radiačních měření v oblasti slunečního záření, kdy právě určitá rozporná zjištění při měření podmínek porostového mikroklimatu byla podnětem pro vznik snímače podle technického řešení.

Průmyslová využitelnost

Termoelektrický snímač efektivní hodnoty stereoinsolace má integrální prostorovou citlivost k dopadajícím a odraženým radiačním tokům ze všech směrů ve spektru vlnových délek typických pro sluneční záření, což umožňuje lepší využívání perspektivních obnovitelných zdrojů energie.

-3CZ 18667 Ul

Claims (8)

1. Termoelektrický snímač efektivní hodnoty stereoinsolace, vyznačující se tím, že se snímač skládá z dělené kovové trubice (1), kde jednotlivé části jsou spojeny vodičem (5 a 6) za vytvoření alespoň jednoho termočlánku (2) v termobaterii, přičemž každý termočlánek (2)

5 se skládá z části (3) s bílým povrchem a části (4) s černým povrchem, celý snímač je chráněn krytem (7), přičemž přívodní vodič (8) vede do zobrazovacího měřicího zařízení, a snímač je případně připevněn na stojan (9).

2. Termoelektrický snímač podle nároku 1, vyznačující se tím, že dělená kovová trubice (1) je z mědi nebo železa nebo hliníku.

ío 3. Termoelektrický snímač podle nároku 1, vyznačující se tím, že vodič (5 a 6) mezi termočlánky (2) v termobaterii je z konstantanu.

4. Termoelektrický snímač podle nároku 1, vyznačující se tím, že kryt (7) je skleněný.

15 3 výkresy

Seznam vztahových značek:

1 - dělená kovová trubice

2 - termočlánek

3 - část s bílým povrchem

20

4 - část s černým povrchem

5 - vodič z konstantanu spojující termočlánky

6 - vodič z konstantanu spojující termočlánky

7 - kryt ve tvaru trubice

8 - přívodní vodič

25 9 - stojan.