Piranômetros: O que você precisa saber

Se você está considerando usar piranômetros em sua aplicação de medição, há muitas coisas que você deve saber sobre eles e como funcionam. Ter essas informações em mãos ajudará a garantir que você selecione o tipo de piranômetro mais adequado aos dados que precisa para sua aplicação.

O que é radiação solar global?

Nosso Sol emite radiação em comprimentos de onda de 0,15 a 4,0 µm, o que é chamado de espectro solar. A medição da radiação solar na Terra é denominada radiação solar global. Às vezes chamada de radiação de ondas curtas, a radiação solar global engloba tanto a radiação solar direta quanto a difusa recebida do hemisfério acima do plano do piranômetro. É difícil encontrar um processo ambiental na Terra que não seja impulsionado direta ou indiretamente pela energia solar. Portanto, é provável que a radiação solar global afete o processo que você está pesquisando.

Quem mede a radiação solar global e por quê?

As medições da radiação solar global são utilizadas em diversas aplicações para diferentes fins:

*Energia solar para determinar a eficiência dos painéis solares na conversão da energia solar em eletricidade e quando os painéis precisam ser limpos. Os sensores usados ​​para esse fim geralmente medem a radiação no plano do conjunto de painéis solares.

*Empresas de serviços públicos preveem o consumo de energia a gás e eletricidade

*Pesquisa como um parâmetro para prever ou quantificar o crescimento ou a produção de plantas

*A agricultura, assim como a manutenção de campos de golfe e parques, é um parâmetro para prever o consumo de água das plantas e programar a irrigação.

*Meteorologia como um fator em modelos de previsão do tempo

O que é um piranômetro e qual a sua função?

Um piranômetro é um sensor que converte a radiação solar global recebida em um sinal elétrico mensurável. Os piranômetros medem uma porção do espectro solar. Por exemplo, o piranômetro CMP21 mede comprimentos de onda de 0,285 a 2,8 µm. Um piranômetro não responde à radiação de ondas longas. Para medir a radiação de ondas longas (de 4 a 100 µm), utiliza-se um pirgeômetro.

Os piranômetros também devem levar em consideração o ângulo da radiação solar, conhecido como resposta cosseno. Por exemplo, 1000 W/m² recebidos perpendicularmente ao sensor (ou seja, a 0° do zênite) são medidos como 1000 W/m². No entanto, 1000 W/m² recebidos a um ângulo de 60° do zênite são medidos como 500 W/m². Os piranômetros que possuem difusores em vez de cúpulas de vidro requerem difusores precisos para fornecer a resposta cosseno correta.

Qual a diferença entre um piranômetro, um radiômetro líquido e um pirheliômetro?

Existem vários tipos diferentes de sensores de radiação solar , incluindo piranômetros, radiômetros líquidos e pirheliômetros.

Um radiômetro líquido mede a radiação de ondas curtas incidente e refletida usando dois piranômetros de termopilha, e mede a radiação de ondas longas incidente e refletida usando dois pirgeômetros. Essas quatro medições são frequentemente parte de um balanço energético. As avaliações do balanço energético nos ajudam a entender se a energia solar está sendo armazenada no solo ou perdida por ele, refletida, emitida de volta para o espaço ou usada para evaporar água.

Um pirheliômetro consiste em um elemento sensor de radiação envolto em um invólucro (tubo de colimação) que possui uma pequena abertura por onde entram apenas os raios solares diretos. A radiação refletida por uma nuvem ou partícula no ar não consegue atravessar essa pequena abertura e o tubo de colimação até chegar ao detector. Para realizar medições durante todo o dia, um pirheliômetro precisa ser apontado diretamente para o sol utilizando um rastreador solar.

Como um piranômetro mede a radiação solar global?

Os tipos mais comuns de piranômetros usados ​​para medir a radiação solar global são as termopilhas e as fotocélulas de silício. Esses tipos de piranômetros são discutidos abaixo, juntamente com suas vantagens e desvantagens.

Dica: Você precisará conectar o piranômetro a um multímetro digital ou a um registrador de dados programado para medir a tensão CC em mV.

Estação de radiação solar RK200-05

Se estiver usando um multímetro digital, você precisará converter a leitura de mV para W/m² por conta própria;

Se você estiver usando um registrador de dados, precisará configurá-lo para realizar a conversão.

Existem também piranômetros no mercado que retornam a radiação de ondas curtas (W/m²) em formato digital. Isso exigirá um computador ou um registrador de dados para ler a sequência de dados seriais (juntamente com o cabo de dados de interface apropriado e o software de comunicação).

piranômetros de termopilha

O piranômetro RK200-03 foi projetado com base no princípio do termopar.

Os piranômetros de termopilha utilizam uma série de junções termoelétricas (junções múltiplas de dois metais diferentes — princípio do termopar) para fornecer um sinal de vários µV/W/m² proporcional à diferença de temperatura entre uma superfície preta absorvente e uma referência. A referência pode ser uma superfície branca refletora ou a parte interna da base do sensor. A superfície preta do piranômetro de termopilha absorve uniformemente a radiação solar em todo o espectro solar.

O espectro solar é a gama de comprimentos de onda da luz emitida pelo Sol. Estrelas azuis, brancas, amarelas e vermelhas têm temperaturas diferentes e, portanto, espectros solares diferentes.

Nosso sol amarelo emite radiação em comprimentos de onda de 0,15 a 4,0 µm. O piranômetro de termopilha captura com precisão a radiação solar global, pois sua superfície absorvente preta especial responde uniformemente à maior parte da energia do espectro solar. O elemento sensor geralmente é encapsulado dentro de uma ou duas cúpulas de vidro especiais que transmitem a radiação uniformemente para o elemento sensor.

As vantagens dos piranômetros de termopilha estão relacionadas à sua ampla utilização e precisão. A superfície preta de um piranômetro de termopilha absorve uniformemente a radiação solar em todo o espectro solar de ondas curtas, de 0,285 a 2,800 µm (como no caso do piranômetro CMP6). A resposta espectral uniforme permite que os piranômetros de termopilha meçam: radiação solar refletida, radiação dentro de copas de árvores ou estufas e albedo (refletida:incidente) quando dois são instalados em um par, um voltado para cima e o outro para baixo.

Embora os piranômetros de termopilha possam ser o tipo mais preciso de sensores de radiação solar de ondas curtas, eles são normalmente muito mais caros do que os piranômetros de fotocélulas de silício.

piranômetros de fotocélula de silício

Sensor de radiação solar RK200-04 projetado com base no princípio da célula de silício

Os piranômetros de fotocélulas de silício produzem uma corrente de saída de µA, semelhante à forma como um painel solar converte a energia do sol em eletricidade. Quando a corrente passa por um resistor shunt (por exemplo, de 100 ohms), ela é convertida em um sinal de tensão com sensibilidade de vários µV/W/m². Um difusor de plástico é usado para fornecer uma resposta uniforme em forma de cosseno em diferentes ângulos solares.

A resposta espectral dos piranômetros de fotocélula de silício é limitada a apenas uma porção do espectro solar, de 0,4 a 1,1 µm. Embora esses piranômetros amostrem apenas uma parte da radiação de ondas curtas, eles são calibrados para fornecer uma saída semelhante à dos sensores de termopilha em condições de céu claro e ensolarado. Os piranômetros de fotocélula de silício são frequentemente usados ​​em todas as condições de céu, mas os erros de medição são maiores quando há nuvens. A uniformidade do espectro da luz do dia na maioria das condições de céu limita os erros tipicamente a menos de ±3%, com erros máximos de ±10%. O erro geralmente é positivo em condições de céu nublado.

Os piranômetros de fotocélula de silício são normalmente várias vezes mais baratos do que os piranômetros de termopilha. Para pesquisadores ambientais, a precisão dos piranômetros de fotocélula de silício geralmente é suficiente para suas necessidades.

A desvantagem dos piranômetros de fotocélulas de silício é que sua resposta espectral se limita a uma pequena porção do espectro solar, de 0,4 a 1,1 µm. Esses piranômetros apresentam melhor desempenho quando utilizados para medir a radiação solar global sob as mesmas condições de céu limpo usadas para sua calibração. Não devem ser utilizados em ambientes com vegetação densa ou estufas, nem para medir a radiação refletida.

Conclusão

Espero que este artigo introdutório tenha ajudado você a se familiarizar com os piranômetros e suas funções. Espero também que agora você tenha uma melhor compreensão sobre o tipo de piranômetro mais adequado às necessidades da sua aplicação.