Kao potreba jasnog i preciznog opisa uslova u kojima se planiraju i implementiraju solarni paneli javlja se poznavanje inteziteta i vreme trajanja Sunčeve insolacije (ukupne i difuzne). U okviru meteorologije razvila se naučna disciplina aktinometrija koja se “bavi izučavanjem Sunčevog, Zemljinog i drugog zračenja u atmosferi”. Da bi se dobilo što više podataka razvijeni razni merni instrumenti. Od davnina je pokušavano izmeriti količinu svetlosti koja pada na površinu Zemlje, a jedna od najstarijih jeste metoda toplotne konverzije svetlosti. Instrument koji vrši takva merenja jeste aktinometar, mada mnogi merni uređaji solarnog zračenja se nazivaju ovim imenom. Na sajtu Wikipedia (http://sr.wikipedia.org/sr/Aktinometrija) navedene su vrste instrumenata i njihova namena:
- aktinometar i pirheliometar – za merenje direktnog Sunčevog zračenja
- piranometar i piranograf – za merenje disperzionog i direktnog Sunčevog zračenja
- pirgeometar – merenje efektivnog zračenja Zemlje
- albedometar – merenje reflektovanog zračenja
- bolometar – merenje opšte energije zračenja
- fotometar – merenje intenziteta Sunčevog zračenja
- spektrobolometar i spektroheligraf – određivanje karakteristika svetlosti
- bilansomer – za merenje bilansa zračenja
Slika 1. Aktinometar iz 1903 godine
Aktinometar meri ukupno Sunčevo zračenje, slika 1, i to konverzijom svetlosti u toplotnu energiju (vrši se zagrevanje bimetalnih traka) ili u hemijsku energiju. Može biti hemijski, optički i električni. Najčešće se primenjuju u ultraljubičastom i vidljivom delu spektra, mada ima primena i u medicinskoj radiologiji, ili čak za merenje dužine ekspozicije u fotografiji.
Slika 2. DN5 Pirheliometar
Pirheliometar meri količinu energije koju izrači Sunce na površinu Zemlje, slika 2, tj. meri ukupni fluks Sunčevog zračenja. Glavni deo aparature čini kolimatorska cev u kojoj se nalaze termoćelije i termometar. Ranija rešenja, a prvi je napravljen 1908 godine (u ovom obliku), su bile cevi-crne komore koje su apsorbovale svo ulazno zračenje, dok su zidovi kontinualno kvašeni tečnom vodom. Korišćen je za merenje solarne konstante sa greškom manjom od 1%. Danas služi za merenje direktnog Sunčevog zračenja. Inače, još davne 1825 godine napravljen je sferičan pirheliometar sa dve koncentrične i šuplje sfere i vodom između njih, dok je unutrašnja sfera predstavlja crno telo u koju se pušta svetlost (mada se može naći da ovaj merni instrument nazivaju aktinometrom, ali zbog mehanizma konverzije više pristaje pirheliometar).
Slika 3. CMP 21 Kipp & Zonen Piranometar
Piranometar meri difuzno i direktno zračenje u prostornom uglu 2π srad u talasnom opsegu 0.285μm do 2.8 μm, slika 3 (podatci za CMP 21 Kipp & Zonen, http://www.kippzonen.com/?product/1491/CMP+21.aspx ). Piranometri mogu imati termoelektrične, fotoelektrične, piroelektrične ili bimetalne elemente kao senzore. U upotrebi su najčešće termoelektrični piranometri koji koriste toplinske detektore koji proizvode napon na principu termoelektričnog efekta u funkciji upadnog Sunčevog zračenja. Koriste se za precizna meteorološka mjerenja.
Slika 4. Piranogaf
Piranograf obezbeđuje neprekidno snimanje intenziteta globalnog Sunčevog zračenja (direktno i difuzno) u dužem vremenskom periodu, slika 4. Sastoji se od svetlosnoosetljivog (bimetalna traka) dela i mehaničkog (satnog) kojim se vrši snimanje izmerene insolacije. Zato spada u jedan od starijih instrumenata koji se danas jako retko koriste i u glavnom kao rezevni sistem merenja i uporedni.
Slika 5. CGR 3 Kipp & Zonen Pirgeometar
Pirgeometar je instrument koji meri zračenje u oblasti infra-red spektra (4.5μm-100μm), slika 5, na primer sa površine Zemlje u atmosferu. Prikazani pirgeometar meri opseg 4.5μm-42μm. Sadrži termoelektrični detektor zaštićen polusfernim filtrom transparentnim za velike talasne dužine, dok ne propušta vidljivi deo spektra (silicijumski prozor). Njime se posmatraju zračenja oblaka, CO2 i drugih gasova koji se nalaze u atmosferi.
Slika 6. Albedometar
Albedometar je instrument za merenje reflektovane svetlosti, tj. albeda od površine u opsegu talasnih dužina 0.3μm-2.8μm, slika 6. Bitno za ovaj uređaj jeste obezbediti zaštitnu masku koja sprečava da kupolu donjeg piranometra obasjava Sunce na izlasku i zalasku. Takođe je potrebno sprečiti pregrevanje instrumenta kao i stalnu visinu od tla (posebno zimi). U stvari albedometar predstavlja dva piranometra, pri čemu je jedan prilagođen da snima reflektovano zračenje. Takođe obuhvara ugao 2π srad.
Slika 7. APEX teleskop sa ArTeMiS bolometar kamerom
Bolometar ili zračni termometar koji na osnovu infra-red ili toplotnog zračenja tela meri temperaturu sa jako visokom preciznošću, slika 7. U početku je služio za merenje incidentnog ukupnog zračenja. Iako se mogu koristiti za merenja radijacione energije bilo koje frekvencije, pokazali su se kao najosetljiviji instrumenti za talasne dužine 200μm do 1mm. Zato se i naziva jako osetljivim termometrom i njime se mogu meriti temperature udaljenih nebeskih tela, na primer Meseca kroz teleskop. Sa druge strane mogu se modifikovati i za istraživanja jonizujućih i nejonizujućih čestica, pa čak i u istraživanju tamne materije. Međutim, jedan važan parametar jeste temperatura aparature tokom njihove eksploatacije. Potrebno je ohladiti ih na 50mK-300mK, tako da sporo reaguju i sporo se vraćaju u termodinamičku ravnotežu. Primenjuje se u satelitskim merenjima.
Slika 8. AERONET Fotometar
Fotometar meri intenzitet svetlosti, tj. mere količinu svetlosti emitovane iz izvora svetlosti (osvetljenje u blizini izvora, jačina svetlosti kada je zvor daleko) primljena na površini (osvetljenja) ili u ukupnom iznosu emitovane svetlosti (svetlosni fluks), slika 8. Koriste se u medicini, u analizi vode, optičkih svojstava površina i rastvora. Korišćenjem različitih filtera može se meriti i intenzitet svetlosti određene talasne dužine. Danas se koristi za merenje inteziteta zračenja zvezda ili drugih nebeskih tela.
Slika 9. Spektroheliograf
Spektroheliograf, slika 9, je instrument za fotografisanje površine Sunca u jednoj talasnoj dužini svetlosti, obično koja odgovara nekom elementu koji se nalazi na Suncu. Kako se dobija monohromatska fotografija drugačiji nazi jeste monohromator. Napravljen je još 1890 god. Nedostatak je taj što se mogu snimati male površine tako za dobijanje cele slike potrebno i nekoliko minuta. Međutim, njime se uspelo snimiti petominutno oscilovanje Sunca. Jedna modifikacija spektrohelografa prilagođena je za merenje Doplerovog pomaka Sunčevih spektralnih linija. Čak se koristi i za snimanje cirkularne polarizacije spektralne linije zračenja.
Slika 10. TNO TPD 3D projekat budućeg Spektrobolometra
Spektrobolometar je kombinacija spektrometra i bolometra za određivanje raspodele talasne dužine zračenja tela koje je emituje, pre svega u Solarnom spektru. Primenjuje se u satelitskim mernim uređajima ili na antenama za kosmička snimanja. Na slici 10 se vidi 3D dizajn Microbolometra Spectrometra predviđen za snimanja Zemljine atmosfere i zračenja 2012 godine.
Slika 11. Kipp & Zonen Net Radiometer - Bilansomer
Bilansomer služi za merenje bilansa zračenja, tj. razlike između dolaznog i odlaznog zračenja. Najpoznatiji je termoelektrični Ianishevskii bilansomer. Njime se meri razlika intenziteta svetlosti iznad gornje i ispod donje merne površine, ”gornje” svetlosti i ”donje” svetlosti. Javlja se razlika u temperaturana ovih površina. Kroz hladniju ploču se pušta struja koja je greje dok se ne uspostavi podjednaka temperatura. Merenjem struje meri se veličina razlike u zračenju.