Piranómetros: lo que necesita saber

Si está considerando usar piranómetros en su aplicación de medición, debe saber mucho sobre ellos y su funcionamiento. Esta información le ayudará a seleccionar el tipo de piranómetro más adecuado para los datos que necesita para su aplicación.

¿Qué es la radiación solar global?

Nuestro Sol emite radiación en longitudes de onda de 0,15 a 4,0 µm, denominadas espectro solar. La medición de la radiación solar sobre la Tierra se conoce como radiación solar global. A veces denominada radiación de onda corta, la radiación solar global es la radiación solar directa y difusa recibida del hemisferio situado por encima del plano del piranómetro. Es difícil encontrar un proceso ambiental en la Tierra que no esté impulsado directa o indirectamente por la energía solar. Por lo tanto, es probable que la radiación solar global afecte al proceso que se está investigando.

¿Quién mide la radiación solar global y por qué?

Las mediciones de la radiación solar global se utilizan en diversas aplicaciones para diferentes propósitos:

*Energía solar para determinar la eficiencia con la que los paneles solares convierten la energía solar en electricidad y cuándo es necesario limpiarlos. Los sensores utilizados para este fin suelen medir la radiación en el plano del conjunto de paneles solares.

*Utilidades para predecir el consumo de energía de gas y electricidad

*La investigación como un parámetro para predecir o cuantificar el crecimiento o la producción de las plantas.

*La agricultura, así como el mantenimiento de campos de golf y parques, como un parámetro para predecir el uso del agua por parte de las plantas y programar el riego.

*La meteorología como un factor en los modelos de predicción meteorológica

¿Qué es un piranómetro y qué hace?

Un piranómetro es un sensor que convierte la radiación solar global que recibe en una señal eléctrica medible. Los piranómetros miden una porción del espectro solar. Por ejemplo, el piranómetro CMP21 mide longitudes de onda de 0,285 a 2,8 µm. Un piranómetro no responde a la radiación de onda larga. En cambio, un pirgeómetro se utiliza para medir la radiación de onda larga (de 4 a 100 µm).

Los piranómetros también deben tener en cuenta el ángulo de la radiación solar, conocido como respuesta coseno. Por ejemplo, 1000 W/m² recibidos perpendicularmente al sensor (es decir, a 0° del cenit) se miden como 1000 W/m². Sin embargo, 1000 W/m² recibidos a un ángulo de 60° del cenit se miden como 500 W/m². Los piranómetros con difusores en lugar de cúpulas de vidrio requieren difusores precisos para proporcionar la respuesta coseno correcta.

¿Cuál es la diferencia entre un piranómetro, un radiómetro neto y un pirheliómetro?

Hay varios tipos diferentes de sensores de radiación solar , incluidos piranómetros, radiómetros netos y pirheliómetros.

Un radiómetro neto mide la radiación de onda corta entrante y saliente mediante dos piranómetros de termopila, y la radiación de onda larga entrante y saliente mediante dos pirgeómetros. Estas cuatro mediciones suelen formar parte de un balance energético. Las evaluaciones del balance energético nos ayudan a comprender si la energía solar se almacena en el suelo, se pierde, se refleja, se emite de vuelta al espacio o se utiliza para evaporar agua.

Un pirheliómetro consiste en un elemento sensor de radiación alojado en una carcasa (tubo de colimación) con una pequeña abertura por la que solo entran los rayos solares directos. La radiación que rebota en una nube o partícula en el aire no atraviesa esta pequeña abertura y el tubo de colimación hasta el detector. Para realizar mediciones durante todo el día, el pirheliómetro debe apuntar directamente al sol mediante un seguidor solar.

¿Cómo mide un piranómetro la radiación solar global?

Los tipos más comunes de piranómetros utilizados para medir la radiación solar global son las termopilas y las fotocélulas de silicio. A continuación, se describen estos tipos de piranómetros, junto con sus ventajas y desventajas.

Consejo: Deberá conectar el piranómetro a un multímetro digital o registrador de datos programado para medir el voltaje de CC en mV.

Estación de radiación solar RK200-05

Si está utilizando un multímetro digital, deberá convertir usted mismo la lectura de mV a W/m2;

Si está utilizando un registrador de datos, deberá configurarlo para realizar la conversión.

También existen piranómetros en el mercado que devuelven la radiación de onda corta (W/m²) en formato digital. Esto requiere una computadora o un registrador de datos para leer la cadena de datos en serie (junto con el cable de datos de interfaz y el software de comunicaciones adecuados).

Piranómetros de termopila

Piranómetro RK200-03 diseñado según el principio del termopar

Los piranómetros de termopila utilizan una serie de uniones termoeléctricas (uniones múltiples de dos metales diferentes; principio del termopar) para proporcionar una señal de varios µV/W/m², proporcional a la diferencia de temperatura entre una superficie absorbente negra y una referencia. La referencia puede ser una superficie reflectante blanca o la parte interna de la base del sensor. La superficie negra del piranómetro de termopila absorbe uniformemente la radiación solar en todo el espectro solar.

El espectro solar es el rango de longitudes de onda de la luz emitida por el Sol. Las estrellas azules, blancas, amarillas y rojas tienen temperaturas diferentes y, por lo tanto, espectros solares diferentes.

Nuestro sol amarillo emite radiación en longitudes de onda de 0,15 a 4,0 µm. El piranómetro de termopila capta con precisión la radiación solar global gracias a su superficie absorbente negra especial que responde uniformemente a la mayor parte de la energía del espectro solar. El elemento sensor suele estar encerrado dentro de una o dos cúpulas de vidrio especiales que transmiten la radiación uniformemente al elemento sensor.

Las ventajas de los piranómetros de termopila residen en su amplio uso y precisión. La superficie negra de un piranómetro de termopila absorbe uniformemente la radiación solar en el espectro solar de onda corta, de 0,285 a 2,800 µm (como en el caso del piranómetro CMP6). La respuesta espectral uniforme permite a los piranómetros de termopila medir la radiación solar reflejada, la radiación dentro de las copas de los árboles o invernaderos, y el albedo (reflejada:incidente) cuando se despliegan dos de ellos en un par orientado hacia arriba y hacia abajo.

Aunque los piranómetros de termopila pueden ser el tipo más preciso de sensores de radiación solar de onda corta, suelen ser significativamente más caros que los piranómetros de fotocélula de silicio.

Piranómetros de fotocélulas de silicio

Sensor de radiación solar RK200-04 diseñado según el principio de celda de silicio

Los piranómetros de fotocélula de silicio producen una corriente de salida de µA, similar a cómo un panel solar convierte la energía solar en electricidad. Cuando la corriente pasa por una resistencia de derivación (por ejemplo, de 100 ohmios), se convierte en una señal de voltaje con una sensibilidad de varios µV/W/m². Se utiliza un difusor de plástico para proporcionar una respuesta coseno uniforme en diferentes ángulos solares.

La respuesta espectral de los piranómetros de fotocélula de silicio se limita a una porción del espectro solar, de 0,4 a 1,1 µm. Aunque estos piranómetros solo muestrean una porción de la radiación de onda corta, están calibrados para proporcionar una salida similar a la de los sensores de termopila en cielos despejados y soleados. Los piranómetros de fotocélula de silicio se utilizan a menudo en todas las condiciones del cielo, pero los errores de medición son mayores cuando hay nubes. La uniformidad del espectro de luz diurna en la mayoría de las condiciones del cielo limita los errores típicamente a menos del ±3%, con errores máximos del ±10%. El error suele ser positivo en condiciones nubladas.

Los piranómetros de fotocélula de silicio suelen ser mucho más económicos que los de termopila. Para los investigadores ambientales, la precisión de los piranómetros de fotocélula de silicio suele ser suficiente para sus necesidades.

La desventaja de los piranómetros de fotocélula de silicio es que su respuesta espectral se limita a una porción menor del espectro solar, de 0,4 a 1,1 µm. Estos piranómetros ofrecen su mejor rendimiento cuando se utilizan para medir la radiación solar global en las mismas condiciones de cielo despejado utilizadas para su calibración. No deben utilizarse dentro de cubiertas vegetales o invernaderos, ni para medir la radiación reflejada.

Conclusión

Espero que este artículo introductorio le haya ayudado a familiarizarse con los piranómetros y su función. También espero que comprenda mejor el tipo de piranómetro más adecuado para las necesidades de su aplicación.