- Radiación Solar, ¿cómo se mide?
- Importancia de la medición de la radiación solar
- ¿Cuáles son los instrumentos para medir la radiación solar?
- Instrumentos para medir la radiación solar global
- Instrumentos para medir la radiación solar difusa
- Instrumentos para medir la radiación solar reflejada
- Instrumentos para medir la radiación solar directa
- Instrumentos para medir la radiación solar ultravioleta
- Instrumentos para medir la radiación solar infrarroja
- Conclusiones, soluciones, Advance
- Artículos de interés
Fernando Melendez
Ingeniero Electronica
Publicación: 17/09/2021
Radiación Solar, ¿cómo se mide?
Los instrumentos para medir la radiación solar son necesarios para poder determinar, estudiar y diseñar de manera eficiente los sistemas de aprovechamiento que se utilizan en las distintas aplicaciones con la Energía solar.
Existe un conjunto de instrumentos, diseñados y dedicados con características especiales para medir los determinados rangos de influencia del espectro de la radiación solar al llegar a la superficie terrestre y que de acuerdo a esas características son objetos de determinadas aplicaciones y estudios.
La radiación solar emitida por el sol, irradia a la tierra en forma de ondas electromagnéticas que afectan tanto el comportamiento del clima como los procesos de la atmósfera terrestre.
Las ondas electromagnéticas que llegan a la tierra, primero pasan por la atmósfera y sus distintas capas, las cuales son afectadas y debilitadas por la difusión, reflexión y absorción (moléculas de gases como el ozono, CO2 y otras partículas suspendidas), después llegan a la superficie terrestre continental y oceánica, donde la radiación es absorbida y/o reflejada por los elementos que se encuentren en ella.
La radiación solar es utilizada en varias aplicaciones y áreas como la meteorología, agricultura y ganadería, ingeniería, generación de electricidad como fuente alternativa de energía, uso en sistemas de calentamiento de agua, monitoreo del crecimiento de las plantas, deshidratación de alimentación entre muchos otros.
Además tienen también una implicación importante en la salud humana, sobre todo la exposición de dicha radiación, como la fotosensibilidad, fotodermatosis, envejecimiento prematuro de la piel, cáncer, quemaduras así como aportes beneficiosos como mejorar la capacidad de trabajo cardiovascular, estimula las terminaciones nerviosas y promueve la síntesis de vitamina D para calcificar huesos.
Importancia de la medición de la radiación solar
- Estudiar la distribución y variaciones de la radiación solar para el diseño de sistemas energéticos con utilización de energía solar.
- Estudiar las transformaciones de la energía en sistema Tierra-Atmósfera.
- Analizar las propiedades y distribución de la atmósfera, los elementos que la constituyen, tales como los aerosoles, el vapor de agua, el ozono, etc y su influencia en los comportamientos climáticos.
- Estudiar la distribución y variaciones de la radiación Global, reflejada y directa
- Satisfacer las necesidades derivadas de las actividades de la biología, agricultura, de la medicina, ingeniería y de la industria relacionadas con la radiación solar.
¿Cuáles son los instrumentos para medir la radiación solar?
Podemos observar cómo se representa y clasifica el espectro de radiación solar de acuerdo a su onda electromagnética representada al llegar a la atmósfera terrestre como se muestra en la siguiente Figura N°1.
Figura 1: Espectro de radiación solar y sus clasificación
Esta curva espectral se parece a la de un cuerpo negro (teórico) a una temperatura de aproximadamente 5.900K. Las radiaciones solares que llegan a tierra parte de esa onda electromagnética corta que se atenúan o reduce completamente en la parte más alta de la atmósfera, de manera que a nivel de la superficie terrestre solamente llega una parte de la radiación ultravioleta B (UVB), radiación ultravioleta A (UVA), radiación visible e infrarroja cercano.
La proporción de la radiación solar en las distintas regiones del espectro es aproximadamente:
- Ultravioleta: 7%
- Luz visible: 43%
- Infrarrojo: 49%
- El resto: 1%
Los instrumentos para medir la radiación solar se diseñan y fabrican de tal manera que puedan medir un determinado rango de la onda electromagnética de la radiación solar.
Internamente existe en el instrumento un transductor sensible que percibe una determinada longitud de onda electromagnética (la que se desea medir) y obtiene una respuesta de salida a dicho efecto. La respuesta de salida generalmente es una señal eléctrica en milivolts (mV).
Luego la respuesta de salida (mV) a través de circuitos de amplificación y acondicionamiento de señal es tratada o "acondicionada" para trabajar con otros equipos electrónicos de registro, supervisión y monitoreo de datos y así poder obtener la medición de la variable deseada para estudio.
En la tabla 1 podemos observar los instrumentos para la medición de radiación solar más importantes en los distintos campos de estudio, de acuerdo al tipo de construcción y variable a medir.
Tipo de instrumento |
Variable a medir |
|---|---|
| Piranómetros | Radiación global y difusa |
Albedómetro |
Radiación reflejada |
| Pirheliómetro | Radiación directa |
| Radiómetro UV | Radiación Ultravioleta A y B |
| Pirgeómetros | Radiación infrarroja |
Instrumentos para medir la radiación solar global
La radiación global se define como la radiación solar recibida sobre una superficie horizontal.La conforma la radiación solar recibida directamente del disco solar, la radiación difusa dispersa por la atmósfera y la radiación reflejada.
RG=Radiación solar directa+Radiación solar Difusa +Radiación solar Reflejada
Figura 2: Radiación solar global y sus componentes
Piranómetro
El Piranómetro son instrumentos que pueden ser utilizados para medir la radiación solar global, directa y difusa (si se protege de la radiación directa por un anillo protector o se cubre un cierta área de captación solar, entonces mide sólo la radiación difusa), que incide en todas direcciones de la superficie terrestre.
Estos instrumentos requieren descansar sobre una base horizontal para que funcionen correctamente (captación solar 180°) y se cumplan los principios de funcionamiento Sus unidades de medición generalmente son en densidad de flujo de energía (wm2,Mj*m2*dia).
Figura 3: Piranómetro para medir radiación solar global
Tipos de Piranómetros
- Célula de silicio
- Termopila
Piranómetro de tipo célula de silicio
Los Piranómetros de tipo célula de silicio consisten en un difusor acrílico fundido, un fotodiodo (cuando los rayos del sol inciden sobre él se genera un cierto voltaje proporcional en milivoltios) y un circuito de procesamiento de señales encapsulado en una carcasa de aluminio anodizado.
Los Piranómetros de células de silicio son excelentes para aplicaciones que no requieren la mayor precisión y el costo de un Piranómetro de tipo termopila.
Figura 4: Piranómetros de tipo célula de silicio
Los Piranómetros de silicio son menos costosos y tienen tiempos de respuesta más rápidos, pero tienen mayores errores en condiciones de nubosidad, además que son sensibles en un cierto rango de radiación de onda corta de aproximadamente 360-1120 nm, los cuales son menores que los de termopila y por lo tanto limitados en ciertas aplicaciones y/o condiciones.
Estos Piranómetros generalmente están calibrados para estimar la radiación total de onda corta en todo el espectro solar, pero solo son precisos en un cierto rango del espectro de radiación como se comentó anteriormente y como se muestra en la figura 5
Figura 5: Piranómetros de célula de silicio - región de funcionamiento
Piranómetro de tipo termopila
Los Piranómetros de tipo termopila son dispositivos que utilizan el principio de detección termoeléctrica, es decir convierten la energía térmica en energía eléctrica (figura 7).
Figura 6: Piranómetros de Termopila
Figura 7: Piranómetros- Principio de detección termoeléctrica
La radiación solar que capta el instrumento es absorbida por una superficie o disco de metal horizontal enegrecida, para una gama de longitudes de onda muy amplia en el espectro de radiación solar, en comparación con los Piranómetros de célula de silicio.
El incremento de la temperatura resultante se mide a través de termopares conectados en serie o en serie/paralelo para conformar la termopila. Las uniones activas (calientes) se sitúan por debajo del disco negro del receptor y utilizan la radiación absorbida por el revestimiento negro para calentarse. Las uniones pasivas (frías) de la termopila mantienen un contacto térmico con la carcasa del piranómetro, que actúa como disipador térmico.
Los Piranómetros modernos y de mayor rendimiento utilizan módulos de peltier que sustituyen los metales del termopar/termopila por distintos semiconductores.
Figura 8: Piranómetros- módulo peltier
Es necesario proteger el revestimiento negro del detector de las influencias externas que pueden afectar a las mediciones, como las precipitaciones, la suciedad o el viento.Casi todas las cúpulas semiesféricas individuales o dobles de los Piranómetros utilizan un cristal de calidad óptica.
En función del cristal, los Piranómetros pueden ampliar su rango de captación desde 280 nm hasta unos 3000 nm y mejoran el índice de refracción del material, dando una mejor respuesta al sensor. Las cúpulas dobles ofrecen una mejor estabilidad en condiciones dinámicas y factores medioambientales más agresivos.
Figura 9: Piranómetros- cupula doble
Aplicaciones de los Piranómetros:
- Rendimiento en instalaciones fotovoltaicas
- Estudios de balance de energía (observación de la tierra, radiación neta)
- Estaciones Agroclimáticas para el cálculo de la ETo (evotranspiracion)- necesidades hídricas
- Transmisividad invernaderos
Ejemplo de aplicación de Piranómetros en sistemas fotovoltaicos
Con los Piranómetros instalados de manera horizontal en los paneles solares (posición de captación del panel), se puede determinar la cantidad de radiación solar incidente global en la superficie del panel, de tal manera que se pueda realizar estudios comparativos de la radiación incidente VS la energía eléctrica generada del panel, con el propósito de determinar si el panel solar está operando de manera adecuada o requiere algún tipo de mantenimiento, reubicación o reemplazo.
Figura 10: Piranómetro en paneles solares
Conoce nuestros Piranómetros en la pagina: https://somosadvance.com/categoria-producto/Piranómetros/
Actinógrafo
Se diferencia del Piranómetro ya que en vez de usar una termopila utiliza una lámina bimetálica.
El arreglo bimetalico de un lado de la superficie en color negro absorve las ondas electromagnéticas de la radiación solar y la otra superficie de color blanco para reflejar y así ocasionar diferencia de temperatura.
La diferencia de superficie permite formar curvatura en la placa negra que se amplifica por medio de palancas y se transmiten a un tambor movido por un mecanismo de reloj para describir una gráfica que registra los valores de radiación solar global.
Figura 11: Actinógrafo solar
Instrumentos para medir la radiación solar difusa
La radiación solar difusa se define como la parte de la radiación que atraviesa la atmósfera y es reflejada por las nubes o absorbida por estas.
Figura 12: Radiación difusa
Piranómetros difuso
Las mediciones de la componente de radiación difusa se realizan con Piranómetros que son sombreados por una banda o un disco, de manera que atenúa o anula la radiación solar directa.
El piranómetro para detección de radiación difusa utiliza una banda de sombra en forma de aro o semi aro, calibrado con una declinación del sol y una respectiva latitud del sitio donde se encuentra instalado para funcionar de manera adecuada.
Figura 13: Piranómetro para medicion de radiacion difusa
Instrumentos Para Medir la Radiación Solar Reflejada
Esta es la radiación solar que incide en los objetos que se encuentran en la superficie terrestre y que son reflejados de vuelta a la atmósfera a otros objetos ubicados en la superficie.
Figura 14: Radiación solar reflejada
Albedómetro
Es un dispositivo basado en el funcionamiento de los Piranómetros. De hecho, su configuración la compone la unión de dos Piranómetros iguales contrapuestos, uno orientado hacia arriba (Cielo) y el otro orientado hacia abajo (Tierra)
Figura 15: Albedómetro
El Piranómetro orientado hacia arriba mide la radiación global (directa + difusa) que incide en el terreno, mientras que el orientado hacia abajo mide la radiación global reflejada por el terreno. Ambos Piranómetros tienen salidas eléctricas que son enviadas a un datalogger. Este elaborador de datos da la medida del albedo, que es la fracción de radiación reflejada desde el suelo respecto al incidente. Una de las aplicaciones más comunes de estos dispositivos, además de determinar el índice de reflexión del terreno, es determinar la existencia de escarcha o nieve en las carreteras.
Instrumentos para medir la radiación solar directa
La radiación solar directa es aquella que llega directamente a un objeto en la superficie terrestre.
Figura 16: Radiación solar directa
Pirheliómetro
Figura 17: Pirheliómetro
El Pirheliómetro para que pueda funcionar y medir la componente directa de la radiación solar de manera adecuada, debe estar situado en posición normal a ella (orientado al Sol), es decir, la irradiancia que resulta del flujo radiante solar desde un ángulo sólido definido del cual el eje está perpendicular al plano de la superficie del receptor (figura 18).
Figura 18: Medición del Pirheliómetro
Este instrumento permite captar la luz solar mediante una ventana, similar a una cámara, la cual se encuentra ubicada sobre una termopila (mismo principio que el Piranómetro) que le da energía y permite que el calor recibido se convierta en una señal eléctrica que es registrada, para luego mediante la aplicación de una fórmula, calcular los vatios por cada metro cuadrado W/m2.
Con empleo de obturadores instalados en el Pirheliómetro, solamente se mide la radiación procedente del sol y de una región anular del cielo muy próxima al astro que abarca un semiángulo de 2,5° (en los modelos modernos) a partir del centro del sol.
Los Pirheliómetros requieren que para que funcionen de manera adecuada se encuentran montados en algún seguidor solar, de tal manera de no perder el astro solar en ningún momento y tener las lecturas adecuadas a la aplicación que se requiera utilizar (figura 19).
Figura 19: Pirheliómetro instalado en seguidor solar
Conoce nuestros Pirheliómetros en la página: https://somosadvance.com/categoria-producto/pirheliometros/
Instrumentos para medir la radiación solar ultravioleta
Radiación Solar UV, ¿Qué es?
La Radiación Solar Ultravioleta es aquella que cubre el rango espectral de radiación solar desde los 100 a los 400 nm, como se mostró en la figura 1.
Figura 20: Tipos de radiación solar UV según espectro solar
Tipos de radiación solar UV
La radiación UVA: Se encuentran en el rango de 320 nm a 400 nm y es ligeramente absorbida por la capa de ozono, por lo que llegan a la superficie terrestre con una irradiancia de 50 W/m2 aproximadamente en verano.
La radiación UVB: Se encuentran en el rango de 280 nm a 320 nm, parcialmente absorbida por la capa de ozono, alcanza la superficie terrestres con valores energéticos pequeños (inferiores en general a 2 W/m2) pero de efectos biológicos importantes.
La radiación UVC: Se encuentra en el rango de 100 nm a 280 nm, es muy perjudicial para los seres vivos, por lo que no alcanza nunca la superficie terrestre ya que se atenúa en la alta atmósfera por la capa de ozono.
Figura 21: Componentes de la radiación solar UV en la atmósfera
La radiación UV a pesar que solo representa el 7 % de la radiación total, los efectos que provoca sobre los seres vivos y el medio ambiente hace que sea muy importante. Así las variaciones tienen una influencia relevante sobre la salud, el clima, procesos biológicos, ecológicos y fotoquímicos.
Se define un estándar de peligrosidad de la radiación UV, que es el UVI (Índice Ultravioleta), que se calcula multiplicando la irradiancia eritemática en W/m2 por 40. Con unos intervalos de peligrosidad según el índice (Tabla 2).
Tabla 2:Estándar de peligrosidad de la radiación solar UV
Radiómetro UV
Un Radiómetro UV es un instrumento que utiliza una fotocélula como sensor para medir u obtener una respuesta específica del espectro (longitud de onda y pico de longitud de onda definido), y que mediante un filtro óptico incorporado garantiza la sensibilidad que permite medir ya sea la Radiación UVA o UVB.
La fotocélula genera una salida de voltaje que es proporcional y linealmente a la intensidad UV, además la utilización de un filtro óptico ofrece una solución simple y de bajo costo para lograr la medición deseada.
Figura 22: Radiómetro UV
Ejemplo de aplicaciones donde se utilizan la medición de UVA y UVB
- Investigación de los efectos de la radiación UV solar en plantas y animales
- Ensayos de materiales para determinar efectos del envejecimiento por la exposición a UV al aire libre que causan la degradación, tales como fragilidad y decoloración.
Conoce nuestros Radiometros UV en la página: https://somosadvance.com/categoria-producto/radiometros-uv/
Instrumentos para medir la radiación solar infrarroja
Radiación Solar Infrarroja, ¿Que es?
La Radiación Infrarroja es una radiación electromagnética cuya longitud de onda comprende desde los 700 nm, limitando con el color rojo oscuro en la zona visible del espectro, hasta 1 mm. (figura 23).
Figura 23: Longitud de onda infrarroja
Existen diversos intervalos espectrales en el IR dependiendo del campo de aplicación (astronomía, meteorología, exploración remota por satélites, detección de compuestos químicos por sensores IR, etc.). La Comisión Internacional de Iluminación o CIE ha establecido tres bandas en el IR, como se muestra en la tabla 3.
- Onda infrarroja
- Rango
- IR-A
- 700-1.400 nm
- IR-B:
- 1.400-3.000 nm
- IR-C:
- 3 μm-1 mm
Onda infrarroja |
Rango |
|---|---|
IR-A |
700-1.400 nm. |
IR-B: |
1.400-3.000 nm |
IR-C: |
3 μm-1 mm |
Tabla 2: Tabla de clasificación de los rangos según el tipo de IR
El 49 % de radiación solar que llega a la superficie terrestre es infrarroja (49%) y responsable del efecto calorífico inmediato que se siente en la exposición solar.
Pirgeómetros
El Instrumento usado para medir radiaciones solares infrarroja de onda larga son los Pirgeómetros y que cuya unidad típica de medida de la irradiancia viene dada en vatio por metro cuadrado (W/m2 ). El Pirgeómetro es un instrumento que sirve para medir la radiación solar de onda larga (IR) recibida en una superficie plana (figura 24).
Figura 24: Pirgeómetro de radiación infrarroja
La respuesta espectral de un Pirgeómetro depende en gran parte del material empleado en él o los domos que protegen su superficie receptora. Un Pirgeómetro proporciona un voltaje que es proporcional a el intercambio de radiación entre el instrumento y el cielo (o suelo) en su campo de visión.
Para calcular la FIR entrante o saliente es necesario conocer la temperatura de la carcasa del instrumento cerca del detector y los datos deben registrarse simultáneamente con la señal del detector.
Los Pirgeómetros utilizan ventanas de silicona para transmitir la radiación infrarroja y tienen un revestimiento interno de película delgada que bloquea la radiación solar de onda corta para que no llegue al detector de termopila de banda ancha.
Aplicaciones:
- Meteorología
- Hidrología
- Investigación climática
- agricultura.
Conoce nuestros Pirgeómetros en la página: https://somosadvance.com/categoria-producto/pirgeómetros/
Conclusiones, soluciones, Advance
En Advance Laboratorios creemos en hacer las cosas bien y en generar bienestar, por eso apostamos al uso de las energías renovables, nos preocupamos por el planeta y la creciente demanda energética, que está cubierta con el uso de las energías fósiles y las consecuencias climatológicas que acarrea.
En Advance Laboratorios creemos y apostamos por el uso de la energía solar para minimizar la contaminación y generar fuentes de energía limpias.
Contamos con Ingenieros con experiencia, técnicos capacitados y una variedad de instrumentos para las aplicaciones de energía solar, como Piranómetros,radiómetros, seguidores solares entre otros, con las marcas más reconocida en el mercado en el campo de energía solar como es Kipp & Zonen, OTT y LUFFT,
Queremos que tus procesos se hagan de la manera más eficiente y juntos hacer las cosas bien.
Artículos de interés
Te invitamos a conocer más sobre Energía Solar y soluciones que ofrece Advance:
Fernando Melendez
Ingeniero Electronica
Publicación: 17/09/2021
