Piranómetro

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Piranómetro
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PIRANÓMETRO RADIACIÓN SOLAR REFLEJADA .jpg
Concepto:Es un instrumento para medir la irradiación solar sobre una superficie plana.


Un Piranómetro es un instrumento para medir la radiación solar a una superficie plana, en otras palabras, es un sensor diseñado para medir la densidad del flujo de radiación solar en un cuerpo de 180º.

Composición

La termopila, formada por sectores blancos y negros, es capaz de absorber la radiación solar en un rango entre los 300 y los 50000nm. y tiene una respuesta casi perfecta al coseno del ángulo de incidencia.

La cúpula de cristal limita la respuesta al rango de 300 a 2800nm. preservando un campo de visión de 180 grados. Otra función de la cúpula es la de proteger la termopila de la convección. Las bandas negras del sensor (termopila) absorben la radiación solar que se transforma en calor. Este calor fluye atravesando los sensores hacia el cuerpo del piranómetro, proporcionando una señal eléctrica proporcional a la radiación incidente.

Utilidad

Se utiliza como elemento sensor un elemento fotosensible de silicio, se halla muy difundido. Debido a su bajo costo comparado con el de piranómetro de termopila. Los principales inconvenientes que presentan los instrumentos con fotodiodos (células fotovoltaicas) son: su respuesta espectral limitada y no plana, y la considerable dependencia angular con respecto ángulo de incidencia de la radiación solar. Como consecuencia de ello, los valores de irradiación medidos pueden diferir de los reales en más de un 10% (Iqbal, 1983), dependiendo de la altura del Sol y las condiciones meteorológicas.

Medición

El espectro de la radiación solar se extiende entre 300 y 2800nm. Esto indica que un piranómetro (sensor de radiación solar) debe cubrir ese espectro con una sensibilidad lo más plana posible.

Para medir una radiación solar, se requiere de la respuesta al flujo de radiación varíe con el coseno de ángulos de incidencia; por ejemplo, máxima respuesta cuando el flujo incide perpendicularmente sobre el sensor (0 grados), respuesta nula cuando el sol está en el horizonte (90 grados), o valores intermedios de respuesta, cuando el ángulo de incidencia está entre los anteriores.

Construcción

Está construido con un adquiridor de datos, unas células solar fotovoltaica y una caja de bombones. Una vez conectado al software de la estación, da la radiación solar en porcentaje y en watios/m2, y sirve a demás para calcular la cobertura de nubes de forma automática. La tapa de la caja de bombones, transparente y perfecta en tamaño sirve para alojar y proteger de la intemperie a la célula solar. Unos trozos pequeños de burlete adhesivo para ventanas sirve como fijación de la célula.

Por otro lado se construye la tapa inferior con una tapa de Cd, cortándola para que se ajuste a la perfección con la anterior. Se fija a una chapa metálica con orificios, que servirá de soporte al conjunto, se agregan las células, un cable y se cierra con las tapas con cinta aislante.

Tipos de piranómetros

Piranómetro radiación solar global

Instrumento que mide la radiación solar (radiación global) recibida desde todo el hemisferio celeste sobre una superficie horizontal terrestre.

Principio de funcionamiento

El principio de funcionamiento de este instrumento es a través de termocuplas, las cuales al calentarse producto de la radiación del sol, emiten una pequeña f.e.m. (tensión o milivoltaje) pudiendo ser medidas por algún otro instrumento (integrador o datalogger).

Para obtener la potencia en watt/m2, se multiplica la tensión entregada por el piranómetro por una constante del instrumento.

Piranómetro radiación solar reflejada

Instrumento que mide la radiación solar reflejada por la superficie terrestre, tiene el mismo principio de funcionamiento del piranómetro de radiación solar global.

Piranómetro radiación solar reflejada

Instrumento que mide la radiación que llega a la tierra de manera indirecta, su principio de funcionamiento es idéntico al piranómetro de radiación solar global.

Piranómetro Térmico

Un ejemplo de piranómetro es el de Kipp y Zonen, que se constituye por una pila termoeléctrica contenida en un alojamiento con dos hemiesferas de cristal. La pila termoeléctrica está constituida por una serie de termopares colocados horizontalmente, cuyos extremos están soldados con unas barras de cobre verticales solidarias a una placa de latón maciza. El conjunto está pintado con un barniz negro, para absorber la radiación. El flujo de calor originado por la radiación se transmite a la termopila, generándose una tensión eléctrica proporcional a la diferencia de temperatura entre los metales de los termopares.

Para medir la radiación difusa es necesario tapar el sensor de radiación directa mediante una pantalla parasol, midiendo la irradiancia solar difusa (piranómetro de difusa).

Una variante es el perheliógrafo, un pirheliómetro dotado de un dispositivo registrador.

Detalles técnicos

Sus componentes principales son: Circuito impreso, Sensor o termopila, Cúpula de cristal, Cuerpo de metal, Abrazadera del cable, Cable eléctrico de salida de señal, Tornillo de nivelado, Base de goma, Cápsula, Bornes de conexión para los cables, Nivel.

El espectro de la radiación solar se extiende entre 300 y 2800 nm. Esto indica que un piranómetro debe cubrir ese espectro con una sensibilidad lo más plana posible.

Para medir la radiación solar, se requiere que la respuesta al flujo de radiación varíe con el coseno del ángulo de incidencia. Por ejemplo, máxima respuesta cuando el flujo incide perpendicularmente sobre el sensor (0 grados), respuesta nula cuando el Sol está en el horizonte (90 grados) o valores intermedios de respuesta, cuando el ángulo de incidencia está entre los anteriores.

  • La termopila, formada por sectores blancos y negros, es capaz de absorber la radiación solar en un rango entre los 300 y los 50000 nm. y tiene una respuesta casi perfecta al coseno del ángulo de incidencia.
  • La cúpula de cristal limita la respuesta al rango de 300 a 2800 nm. preservando un campo de visión de 180 grados. Otra función de la cúpula es la de proteger la termopila de la convección.
  • Las bandas negras del sensor (termopila) absorben la radiación solar que se transforma en calor. Este calor fluye atravesando los sensores hacia el cuerpo del piranómetro, proporcionando una señal eléctrica proporcional a la radiación incidente.

Piranómetro Fotovoltaico

En ellos, el principio de funcionamiento no es térmico como en el caso anterior; sino que tiene como fundamento el efecto fotoeléctrico. La radiación incide sobre un fotodiodo que es capaz de diferenciar el espectro solar por la frecuencia de la onda electromagnética, y de ese modo, mediante la lectura de voltaje, conocer los datos de radiación.

Dada su naturaleza, en este tipo de piranómetros es posible adosar filtros de ciertas bandas del espectro solar, por medio de algún domo de vidrio impregnado con el filtro deseado. Por otro lado, son más sensibles a pequeñas irregularidades y cambios debido a que no tienen la inercia térmica que sí tienen los térmicos.

Detalles técnicos

El espectro de la radiación solar se extiende entre 300 y 2800 nm. Esto indica que un piranómetro debe cubrir ese espectro con una sensibilidad lo más plana posible.

Para medir la radiación solar, se requiere que la respuesta al flujo de radiación varíe con el coseno del ángulo de incidencia; por ejemplo, máxima respuesta cuando el flujo incide perpendicularmente sobre el sensor (0 grados), respuesta nula cuando el Sol está en el horizonte (90 grados) o valores intermedios de respuesta, cuando el ángulo de incidencia está entre los anteriores
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Componentes principales

Circuito impreso, Sensor o termopila, Cúpula de cristal, Cuerpo de metal, Abrazadera del cable, Cable eléctrico de salida de señal, Tornillo de nivelado, Base de goma, Cápsula, Bornes de conexión para los cables, Nivel.

  • La termopila, formada por sectores blancos y negros, es capaz de absorber la radiación solar en un rango entre los 300 y los 50000 nm. y tiene una respuesta casi perfecta al coseno del ángulo de incidencia.
  • La cúpula de cristal limita la respuesta al rango de 300 a 2800 nm. preservando un campo de visión de 180 grados. Otra función de la cúpula es la de proteger la termopila de la convección.
  • Las bandas negras del sensor (termopila) absorben la radiación solar que se transforma en calor. Este calor fluye atravesando los sensores hacia el cuerpo del piranómetro, proporcionando una señal eléctrica proporcional a la radiación incidente.

Piranómetro del tipo M-80-M (M-115-M)

El piranómetro del tipo M-80-M (M-115-M) es un instrumento actinométrico universal. Con él se pueden medir todos los flujos de radiación solar en el rango de onda corta.

El sensor del piranómetro consiste en un cabezal en cuyo diafragma se encuentra la superficie receptora, la cual consiste en una termobateria cuadrada formada por bandas de constantán y manganina que constituyen los termopares conectados en serie. La superficie de la termobateria está pintada de forma ajedrezada con pinturas negra (negro de humo) y blanca (magnesio) de tal forma que las uniones que se encuentran debajo de la pintura negra aumentan su temperatura bajo el efecto de la radiación solar de onda corta absorbida en mayor medida por el hollín, de esta forma la diferencia de temperatura entre las uniones de la termobateria se debe a la absorción diferencial entre las dos áreas pintadas de colores diferentes.

Este diseño de la superficie receptora da al instrumento propiedades selectivas debido a que el hollín y el magnesio absorben igual la radiación de onda larga, por esto las uniones se calientan igual a causa de esta radiación y no se produce diferencia de temperatura entre las uniones. En resumen, la corriente termoeléctrica que surge en el circuito galvanómetro - piranómetro, es producida solamente por la radiación de onda corta que llega al receptor. La superficie receptora del piranómetro está protegida por una campana semiesférica de cristal enroscada al cabezal por la parte superior y por la inferior se le atornilla una cápsula de cristal para el secador (gel de sílice).

El soporte permite colocar al cabezal, con la ayuda de un nivel adjunto, en posición horizontal mediante tres tornillos nivelantes. Este mecanismo está ajustado de tal forma, que al nivelarlo en la posición normal, también queda horizontal cuando se invierte para medir la radiación reflejada (Rc).

El soporte permite además que el cabezal gire azimutalmente y se le coloque el parasol correctamente.

Certificado

Al piranómetro se adjunta un certificado con los siguientes datos:

  • Sensibilidad del piranómetro (K) en mV por kW m2
  • Resistencia de la termobatería (R) en Ω
  • Tiempo de inercia en seg.
  • Tabla del factor de corrección por la altura del sol (Fh).

El factor Fh es la corrección que se le hace al factor de conversión del piranómetro al medir la radiación sumaria (Q).

Fuente