Aktivní radiační štít pro teplotní senzory amatérských meteostanic
Problémem mnoha provozovatelů amaterských meteostanic je měření teploty při slunečním svitu. Pokud není telotní senzor dostačně cloněn, mohou být rozdíly měřené a skutečné teploty až několik stupňů. Příkladem jsou stanice typu Fine Offset, u kterých je radiační štít spíše jen krytem venkovní jednotky s čidlem teploty a vlhkosti. Při dopadu slunečního světla na stěnu radiačního štítu se část energie odrazí a část je materiálem pohlcena, eventuálně část energie materiálem projde. Pohlcená část energie se v materiálu přenáší vedením. Materiál dále tuto energii sáláním vydává okolnímu prostředí, tedy také uvnitř štítu. Čím více světelné energie se odrazí, tím méně se může přeměnit na tepelnou a být dále vedena do vnitřku štítu. Proto volíme všechny vnější díly štítu bílé a materiál, pokud máme na výběr, s co nejmenší tepelnou vodivostí. Štít je složen ze dvou, na sobě nezávislých dílů. Vnitřní, v němž je umístěno čidlo teploty a vnější, chránící vnitřní díl proti přímému dopadu sluneční energie. Oba díly nejsou spolu spojeny. Tím je přerušen tepelný most pro vedení tepla materiálem štítu až do senzorové komory. Teoreticky by bylo účelné vložit mezi vnější a vnitřní díl tepelně izolační vrstvu, která by ale nebyla spojena ani s jednou z částí. Účinné větrání je nutnou podmínkou pro správnou funkci štítu. Pohyb vzduchu není nutný jen kolem senzoru, ale i v ostatních mezerách mezi jednotlivými dílci. V řadě amaterských konstrukcí se vyskytuje stejná chyba. Není odváděn teplý vzduch pod lamelami. Přívodem čerstvého vzduchu, resp. prouděním vzduchu zajistíme odvod ohřátého vzduchu a chlazení lamel. Tím se dostává méně tepelné energie do středu štítu vedením v materiálu i sáláním. K tomu postačí díry v jednotlivých lamelách. Teplý vzduch tak může unikat směrem nahoru, kde je vytlačen tlakem ventilátoru ven. Stejně důležité je větrání prostoru mezi vnitřním a vnějším dílem a prostoru mezi ventilátorem a vrchním krytem.
Schéma ventilace radiačního štítu. Od středu směrem ven: - senzor ve větrané komoře - stěna vnitřního dílu, bez mechanického spojení s vnějším dílem - větraná mezera nezi vnitřním a vnějším dílem - stěna vnějšího dílu - lamely vnějšího dílu s větráním Nahoře ventilátor a dvojitý větraný kryt Dole je celý štít otevřen
Rychlost proudění vzduchu senzorovou komorou je kritické a to jak ve spodní, tak v horní mezi. Při nízkých rychlostech (cca. pod 0,2 m/s) dochází k nedostatečnému odvětrávání komory, při rychlosti nad 1 m/s pak už dochází k ochlazování senzoru. Vliv na účinnost celého zařízení mají: - velikosti mezer mezi senzorem a stěnou vnitřní části - velikosti mezer mezi vnitřní a vnější částí - k objemu komory zvolený výkon ventilátoru Pokusy v tomto ohledu jsme neprováděli, takže konkrétní data na tomto místě říct nelze. V každém případě není vhodné volit velice těsné řešení, kde není dostatek místa k dostatečnému proudění vzduchu. Stavba zařízení je pro středně zručného kutila poměrně jednochuchá. Zapořebí jsou: - 8-10 ks misek pod květináče, průměr 16-18 cm - 1 ks závitové tyče 1,00 m M4-M5 - nesčetně matek M4-M5, podložek a distančních vložek - 20-25 cm novodurové trubky DN100-20-25 cm novodurové trubky DN63 - Kbelíček od 5kg jogurtu nebo podobný pro vrchní kryt - materiál pro upevnění štítu dle vlastního uvážení - solární ventilátor do auta Vnější díl: Do misek vyřízneme otvory pro stěnu vnějšího dílu z trubky DN100, vyvrtáme díry pro ventilaci a pro nosnou konstrukci ze závitových tyčí. Nasuneme misky na závitové tyče. Jejich polohu zajišťují distanční podložky. Vzdálenost misek volíme tak, aby se navzájem cca o 1 mm nepřekrývaly (viz schéma výše). Do otvoru v miskách nasuneme novodurovou trubku DN100 a přilepíme. Do vrchní misky přiděláme ventilátor. Celé zařítení je zakryto seříznutým kbelíčkem od jogurtu. Nahoře přiděláme solární panel a držák celého zařízení.
Vnitřní díl: Vnitřní díl je jen novodurová trubka DN63 nasunutá a zajištěná na původní držák senzoru. Na tomto místě je nutné poznamenat, že jen tento kus trubky byl jako sluneční clona účinnější, než původní štít.
Nakonec se jen nasune vnější díl na vnitřní a shora připevní na stožár. Je nutné dbát na to, aby mezi vrškem vnitřního dílu a ventilátorem zůstala dostatečná mezera pro proudění vzduchu. Účinnost zařízení je prokázána na následujícím grafu (červená křivka). Ve 12:00 hod byl nový radiační štít namontován. Počasí bylo polojasné. Dopoledne, s původním štítem, reagoval teplotní senzor na občas svítící slunce vzestupem teploty o cca 2 C. Odpoledne, s novým štítem, jsou reakce senzoru na změny slunečního svitu minimální, křivka je hladčí. Chod ventilátoru byl do 16 hod 100%, poté se jeho výkon se zvyšujícím se azimutem slunce (větší úhel dopadu na solární článek) snižoval viz hrbatější křivka, ale stále ne tolik, jako dopoledne.
Paralelně k měření ve štítu byly ve stínu a na slunci umístěny další teploměry. Teploměr na slunci vystoupal při slunečním svitu na 28-29 C, teploměr ve stínu měřil teplotu cca o 1 C vyšší, než teploměr v radiačním štítu. Teploměr ve stínu sledoval křivku teploměru pod štítem. Náklady na výrobu radiačního štítu včetně solárního ventilátoru se pohybují okolo 700-1000 Kč, podle nároků na upevnění. Cena radiačního štítu fy. DAVIS je 3600 Kč. Nebojím se tvrdit, že parametry amatérsky vyrobeného štítu se o mnoho od štítu DAVIS neliší. Účinnost štítu DAVIS je 75%.