Hispanopedia WikiUn piranómetro ( del griego πῦρ (pyr) ' fuego ' y ἄνω (ano) ' arriba, cielo ' ) es un tipo de actinómetro que se utiliza para medir la irradiancia solar en una superficie plana y está diseñado para medir la densidad de flujo de radiación solar (W/m 2 ) del hemisferio superior dentro de un rango de longitud de onda de 0,3 μm a 3 μm.
Un piranómetro con salida natural no requiere energía para funcionar, ya que sus transductores generan una señal eléctrica proporcional a la irradiancia solar. Sin embargo, los avances técnicos recientes incluyen el uso de componentes electrónicos en los piranómetros, los cuales sí requieren energía externa (baja).
Explicación
El espectro de radiación solar que llega a la superficie terrestre abarca aproximadamente desde los 300 nm hasta los 2800 nm. Dependiendo del tipo de piranómetro utilizado, se obtendrán mediciones de irradiancia con diferentes grados de sensibilidad espectral.
Para medir la irradiancia , por definición se requiere que la respuesta a la radiación directa varíe con el coseno del ángulo de incidencia. Esto garantiza una respuesta completa cuando la radiación solar incide perpendicularmente sobre el sensor (normal a la superficie, sol en el cenit, ángulo de incidencia de 0°), una respuesta nula cuando el sol está en el horizonte (ángulo de incidencia de 90°, ángulo cenital de 90°) y 0,5 con un ángulo de incidencia de 60°. Por consiguiente, un piranómetro debe tener una respuesta direccional o cosenoidal lo más cercana posible a la característica cosenoidal ideal.
Tipos
Siguiendo las definiciones señaladas en la ISO 9060, [ 1 ] se pueden reconocer tres tipos de piranómetros y agruparlos en dos tecnologías diferentes: tecnología de termopila y tecnología de semiconductor de silicio.
La sensibilidad a la luz, conocida como « respuesta espectral» , depende del tipo de piranómetro. La figura superior muestra las respuestas espectrales de los tres tipos de piranómetro en relación con el espectro de radiación solar. El espectro de radiación solar representa el espectro de la luz solar que llega a la superficie terrestre a nivel del mar, al mediodía, con una masa de aire (AM ) de 1,5. La latitud y la altitud influyen en este espectro. El espectro también se ve afectado por los aerosoles y la contaminación.
Piranómetros de termopila
Un piranómetro de termopila (también llamado piranómetro termoeléctrico ) es un sensor basado en termopilas diseñado para medir la banda ancha de la densidad de flujo de radiación solar desde un ángulo de visión de 180°. Un piranómetro de termopila generalmente mide de 300 a 2800 nm con una sensibilidad espectral prácticamente plana (véase el gráfico de respuesta espectral). La primera generación de piranómetros de termopila tenía la parte activa del sensor dividida equitativamente en sectores blancos y negros. La irradiación se calculaba a partir de la diferencia de temperatura entre los sectores negros, expuestos al sol, y la temperatura de los sectores blancos, sectores no expuestos al sol o, mejor dicho, en sombra.
En todas las tecnologías de termopilas, la irradiación es proporcional a la diferencia entre la temperatura de la zona expuesta al sol y la temperatura de la zona de sombra.
Diseño
Para obtener las características direccionales y espectrales adecuadas, se construye un piranómetro de termopila con los siguientes componentes principales:
- Un sensor termopila con recubrimiento negro. Absorbe toda la radiación solar, tiene un espectro plano que abarca el rango de 300 a 50 000 nanómetros y presenta una respuesta coseno casi perfecta.
- Una cúpula de vidrio. Limita la respuesta espectral de 300 a 2800 nanómetros (recortando la parte superior a 2800 nm), manteniendo el campo de visión de 180°. También protege el sensor de termopila de la convección. Muchos, aunque no todos, los piranómetros estándar de primera y segunda clase (véase la clasificación ISO 9060 de los piranómetros de termopila) incluyen una segunda cúpula de vidrio como "escudo de radiación" adicional, lo que resulta en un mejor equilibrio térmico entre el sensor y la cúpula interior, en comparación con algunos modelos de una sola cúpula del mismo fabricante. El efecto de tener una segunda cúpula, en estos casos, es una fuerte reducción de las desviaciones del instrumento. Hay disponibles modelos de clase A de una sola cúpula, con baja desviación de cero (+/- 1 W/m² ) .
En los piranómetros de termopila modernos, las uniones activas (calientes) de la termopila se encuentran debajo de la superficie del recubrimiento negro y se calientan por la radiación absorbida de dicho recubrimiento. [ 2 ] Las uniones pasivas (frías) de la termopila están completamente protegidas de la radiación solar y en contacto térmico con la carcasa del piranómetro, que actúa como disipador de calor. Esto evita cualquier alteración por amarilleamiento o deterioro al medir la temperatura en la sombra, lo que perjudicaría la medición de la irradiancia solar.
La termopila genera un pequeño voltaje proporcional a la diferencia de temperatura entre la superficie del recubrimiento negro y la carcasa del instrumento. Esta diferencia es del orden de 10 μV (microvoltios) por W/m², por lo que en un día soleado la salida será de aproximadamente 10 mV (milivoltios). Cada piranómetro tiene una sensibilidad única, a menos que esté equipado con electrónica para la calibración de la señal .
Uso
Los piranómetros de termopila se utilizan con frecuencia en meteorología , climatología , investigación del cambio climático , física de la ingeniería de la construcción , sistemas fotovoltaicos y monitorización de centrales fotovoltaicas .
La industria de la energía solar, en una norma de 2017, IEC 61724-1:2017, [ 3 ] ha definido el tipo y la cantidad de piranómetros que deben utilizarse según el tamaño y la categoría de la planta de energía solar. Dicha norma recomienda instalar los piranómetros de termopila horizontalmente (GHI, Irradiación Horizontal Global) y los piranómetros fotovoltaicos en el plano de los módulos fotovoltaicos (POA, Plano de Arreglo) para mejorar la precisión en el cálculo del índice de rendimiento.
Para la monitorización de las centrales fotovoltaicas operativas, los piranómetros desempeñan un papel esencial en la verificación de la irradiancia solar disponible en cualquier momento o durante un período determinado. Debido a la variabilidad climática, la redundancia y la escala espacial de las centrales solares contemporáneas (superiores a 100 MWp), se instalan varios piranómetros para proporcionar una irradiancia solar precisa para cada sección de la central fotovoltaica. La norma internacional IEC 61724-1:2017 [ 4 ] , por ejemplo, exige la instalación de al menos 4 piranómetros de termopila de clase A en una central fotovoltaica de 100 MWp en todo momento. Sin embargo, en 2021, la norma IEC 61724-1 fue revisada y publicada en la versión IEC 61724-1:2021.
Las mediciones solares pueden procesarse ventajosamente mediante software que no se limita a calcular el índice de rendimiento (PR), sino que también identifica indicadores clave de rendimiento (KPI), como el índice de rendimiento, métricas utilizadas en el monitoreo del estado de los activos o en diversos escenarios contractuales relacionados con la energía producida (facturación) o la gestión de activos (O&M). En estos cálculos, la suma medida de la irradiación en el plano del módulo fotovoltaico durante un período determinado se utiliza como referencia para comparar la electricidad fotovoltaica producida normalizada. El índice de rendimiento energético se utiliza cada vez más en lugar de la antigua métrica del índice de rendimiento.
Algunos piranómetros estándar secundarios incorporan sistemas de calefacción integrados en la cúpula, diseñados para reducir los errores de medición causados por la acumulación de rocío, escarcha o nieve en el sensor. Estos mecanismos de calefacción ayudan a mantener la claridad óptica de la superficie de la cúpula en ambientes fríos o húmedos, garantizando lecturas de irradiancia solar precisas e ininterrumpidas. Por ejemplo, el modelo MS-80SH de EKO Instruments incorpora un sistema de calefacción de este tipo, conforme a la norma ISO 9060:2018 Clase A, y se utiliza en regiones de alta latitud o alpinas donde la interferencia por escarcha es frecuente.
Piranómetro fotovoltaico – fotodiodo de silicio
También conocido como piranómetro fotoeléctrico en la norma ISO 9060, [ 5 ] un piranómetro basado en fotodiodos puede detectar la porción del espectro solar entre 400 nm y 1100 nm. El fotodiodo convierte las frecuencias del espectro solar mencionadas en corriente a alta velocidad, gracias al efecto fotoeléctrico . La conversión se ve influenciada por la temperatura, produciéndose un aumento de la corriente (aproximadamente 0,1 % • °C).
Diseño
Un piranómetro basado en fotodiodos se compone de una cúpula protectora, un fotodiodo y un difusor o filtros ópticos. El fotodiodo tiene una superficie reducida y actúa como sensor. La corriente generada por el fotodiodo es proporcional a la irradiancia; un circuito de salida, como un amplificador de transimpedancia , genera un voltaje directamente proporcional a la fotocorriente. La salida suele ser del orden de milivoltios, el mismo orden de magnitud que los piranómetros de termopila.
Uso
Los piranómetros basados en fotodiodos se utilizan para calcular la cantidad de irradiación del espectro solar visible, o de ciertas porciones como la UV, la IR o la PAR ( radiación fotosintéticamente activa ). Esto se logra mediante el uso de diodos con respuestas espectrales específicas. Los piranómetros basados en fotodiodos son el componente principal de los luxómetros utilizados en fotografía, cine e iluminación. En ocasiones, también se instalan cerca de módulos de sistemas fotovoltaicos.
Piranómetro fotovoltaico – célula fotovoltaica
Construido alrededor de la década de 2000, simultáneamente con la expansión de los sistemas fotovoltaicos, el piranómetro fotovoltaico es una evolución del piranómetro de fotodiodo. Respondió a la necesidad de una celda fotovoltaica de referencia única para medir la potencia de las celdas y los módulos fotovoltaicos. [ 6 ] Específicamente, cada celda y módulo es probado mediante pruebas de destello por sus respectivos fabricantes, y los piranómetros de termopila no poseen la velocidad de respuesta adecuada ni la misma respuesta espectral que una celda. Esto crearía una discrepancia evidente al medir la potencia, que tendría que cuantificarse. [ 7 ] [ 8 ] En los documentos técnicos, este piranómetro también se conoce como "celda de referencia".
La parte activa del sensor está compuesta por una célula fotovoltaica que funciona en condiciones cercanas a un cortocircuito. Por lo tanto, la corriente generada es directamente proporcional a la radiación solar que incide sobre la célula en un rango comprendido entre 350 nm y 1150 nm. Al recibir radiación luminosa en dicho rango, se produce corriente como consecuencia del efecto fotovoltaico . Su sensibilidad no es plana, pero es similar a la de una célula fotovoltaica de silicio. Véase el gráfico de respuesta espectral.
Diseño
Un piranómetro fotovoltaico se ensambla esencialmente con las siguientes partes:
- Un contenedor metálico con un soporte de fijación
- Una pequeña célula fotovoltaica
- Electrónica de acondicionamiento de señales
Los sensores de silicio, como el fotodiodo y la célula fotovoltaica, varían su salida en función de la temperatura. En los modelos más recientes, la electrónica compensa la señal con la temperatura, eliminando así la influencia de esta en los valores de irradiancia solar. En varios modelos, la carcasa alberga una placa para la amplificación y el acondicionamiento de la señal .
Uso
Los piranómetros fotovoltaicos se utilizan en simuladores solares y junto con sistemas fotovoltaicos para calcular la potencia efectiva de los módulos fotovoltaicos y el rendimiento del sistema. Dado que la respuesta espectral de un piranómetro fotovoltaico es similar a la de un módulo fotovoltaico, también puede utilizarse para el diagnóstico preliminar de fallos en sistemas fotovoltaicos.
La celda fotovoltaica de referencia o el sensor de irradiancia solar pueden tener hasta 5 entradas para la conexión del sensor de temperatura del módulo, el sensor de temperatura ambiente, el sensor de velocidad del viento, el sensor de dirección del viento y la humedad relativa, con una única salida Modbus RTU conectada directamente al registrador de datos. Esta característica es una de las principales diferencias entre el piranómetro de termopila y el sensor de irradiancia.
Estandarización y calibración
Tanto los piranómetros de termopila como los fotovoltaicos se fabrican de acuerdo con las normas establecidas.
Piranómetros de termopila
Los piranómetros de termopila cumplen con la norma ISO 9060, adoptada también por la Organización Meteorológica Mundial (OMM). Esta norma distingue tres clases.
La última versión de ISO 9060 , de 2018, utiliza la siguiente clasificación: Clase A para el mejor desempeño, seguida de la Clase B y la Clase C, mientras que la norma ISO 9060 anterior de 1990 utilizaba términos ambiguos como "norma secundaria", "primera clase" y "segunda clase"., [ 9 ]
Las diferencias entre las clases se deben a una serie de propiedades de los sensores: tiempo de respuesta, desviaciones térmicas, dependencia de la temperatura, error direccional, inestabilidad, no linealidad, selectividad espectral y respuesta a la inclinación. Todas estas propiedades están definidas en la norma ISO 9060. Para que un sensor se clasifique en una categoría determinada, debe cumplir con todos los requisitos mínimos para estas propiedades.
«Respuesta rápida» y «espectralmente plano» son dos subclasificaciones incluidas en la norma ISO 9060:2018. Ayudan a distinguir y categorizar aún más los sensores. Para obtener la clasificación de «respuesta rápida», el tiempo de respuesta para el 95 % de las lecturas debe ser inferior a 0,5 segundos; mientras que «espectralmente plano» puede aplicarse a sensores con una selectividad espectral inferior al 3 % en el rango espectral de 0,35 a 1,5 μm. Si bien la mayoría de los piranómetros de Clase A son «espectralmente planos», los sensores de la subclasificación de «respuesta rápida» son mucho menos comunes. La mayoría de los piranómetros de Clase A tienen un tiempo de respuesta de 5 segundos o más.
La calibración se realiza típicamente utilizando la Referencia Radiométrica Mundial [ 10 ] (WRR) como referencia absoluta. Es mantenida por PMOD [ 11 ] en Davos , Suiza . [ 12 ] Además de la Referencia Radiométrica Mundial, existen laboratorios privados como ISO-Cal North America [ 13 ] que han obtenido la acreditación para estas calibraciones únicas. Para el piranómetro de Clase A, la calibración se realiza siguiendo ASTM G167, [ 14 ] ISO 9847 [ 15 ] o ISO 9846. [ 16 ] [ 17 ] Los piranómetros de Clase B y Clase C generalmente se calibran de acuerdo con ASTM E824 [ 18 ] e ISO 9847. [ 19 ]
Piranómetro fotovoltaico
Los piranómetros fotovoltaicos están estandarizados y calibrados según la norma IEC 60904-4 para muestras de referencia primarias y según la norma IEC 60904-2 para muestras de referencia secundarias y los instrumentos destinados a la venta.
En ambos estándares, su respectiva cadena de trazabilidad comienza con el estándar primario conocido como el grupo de radiómetros de cavidad por la Referencia Radiométrica Mundial (WRR). [ 20 ]
Acondicionamiento de señal
El valor de salida natural de estos piranómetros no suele superar las decenas de milivoltios (mV). Se considera una señal débil y, por lo tanto, bastante vulnerable a las interferencias electromagnéticas , especialmente cuando el cable recorre distancias decamétricas o se encuentra en sistemas fotovoltaicos. Por ello, estos sensores suelen estar equipados con electrónica de acondicionamiento de señal, que proporciona una salida de 4-20 mA o 0-1 V.
Otra solución implica una mayor inmunidad al ruido, como Modbus sobre RS-485 , adecuado para entornos con interferencias electromagnéticas típicas de centrales fotovoltaicas de tamaño mediano a grande , o salida SDI-12 , donde los sensores forman parte de una estación meteorológica de baja potencia. La electrónica equipada suele facilitar la integración en el sistema SCADA .
En la electrónica del sensor también se puede almacenar información adicional, como el historial de calibración y el número de serie.
Véase también
Referencias
- ↑ ISO 9060 :2018 Clasificación de piranómetros
- ↑ "El principio de funcionamiento de un piranómetro de termopila - Kipp & Zonen" .
- ↑ IEC 61724-1:2017
- ↑ "IEC 61724-1:2017 | IEC" . webstore.iec.ch . Consultado el 4 de septiembre de 2024 .
- ↑ ISO9060 – Párrafo 4.2 (2016)
- ↑ IEC 60904-4: Procedimientos para establecer la trazabilidad de la calibración
- ↑ EN 60904-2: Requisitos para dispositivos solares de referencia
- ↑ EN 60904-7: Cálculo de la corrección de desajuste espectral
- ↑ "Clasificación de piranómetros según ISO 9060:1990" .
- ↑ Referencia Radiométrica Mundial
- ↑ PMOD
- ↑ "Referencia Radiométrica Mundial" . Archivado del original el 30 de abril de 2013. Consultado el 29 de mayo de 2013 .
- ↑ ISO-Cal Norteamérica
- ↑ ASTM G167
- ↑ ISO 9847
- ↑ ISO 9846
- ↑ ISO 9846:1993 - Calibración de un piranómetro mediante un pirheliómetro
- ↑ ASTM E824
- ↑ ISO 9847
- ↑ IEC 60904-4: Procedimientos para establecer la trazabilidad de la calibración - Tabla 1 y Fig. 1
Enlaces externos
- Sitio web de instrumentación Meteo-Technology
- Sitio web que muestra datos medidos utilizando un piranómetro de termopila al norte del círculo polar ártico.
- Instrumentos de medición
- Instrumentación y equipos meteorológicos