INSTRUMENTOS DE MEDICIÓN DE RADIACIÓN, Apuntes de Ingeniería Eléctrica y Electrónica

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UNIVERSIDAD NACIONAL DE JULIACA INGENIERIA EN ENERGIAS RENOVABLES TITULO DE INVESTIGACION INSTRUMENTOS DIGITALES PARA MEDICION DE RADIACION SOLAR Escuela Profesional de Ingeniería en Energías Renovables – EPIER UNAJ 1 presentado por: ROYHER YERSON CHURA VALDEZ NILSON JESUS HUAHUASONCO CACERES Docente: JUVENAL ALCIDEZ Juliaca-Puno-Perú Tabla de contenido Introducción..........................................................................................................................................3 Medida y registro de la radiación solar............................................................................................ 3 La radiación difusa........................................................................................................................... 4 Componentes de la irradiación solar en superficie inclinada y orientada arbitrariamente...................7 IRRADIANCIA DIRECTA.................................................................................................................. 7 IRRADIANCIA DIFUSA.................................................................................................................... 7 Irradiancia de Albedo........................................................................................................................... 8 Instrumentos de medida de la Radiación Solar.................................................................................... 8 Tabla 1: Instrumentos meteorológicos para la medida de la radiación............................................ 9 Características de cada producto según su prioridad........................................................................9 Pirheliómetros.....................................................................................................................................11 TABLA 2: Caracteristicas del pirheliómetro.................................................................................. 12 Piranómetros.......................................................................................................................................13 Tabla 3: Características de piranómetros........................................................................................16 Tabla 4: Comparativa de piranómetros......................................................................................... 17 Tabla 05. Especificaciones del heliógrafo de Campbell-Stokes grado IRSR (WMO, 1996).........20 Cálculo de los Valores de la WRR..................................................................................................... 21 Constante Solar...................................................................................................................................21 Escuela Profesional de Ingeniería en Energías Renovables – EPIER UNAJ 2 junto a la irradiación, el período de integración utilizado (horario, diario, etc.). Así pues, la irradiancia es la potencia instantánea de la radiación, mientras que la irradiación es la energía recibida en un determinado período de tiempo, ambas por unidad de área de la superficie receptora. No obstante, puesto que la radiación solar no manifiesta por lo general cambios bruscos en su magnitud, en algunos textos se toma irradiación por irradiancia, en períodos cortos (de como máximo una hora), por lo que entonces: También es normal la agregación de estos datos, mediante promedios mensuales de irradiación horaria o diaria, de la forma: donde n1 y n2 son los días inicial y final del mes m correspondiente y na es el número de años en la base de datos. En todas estas expresiones, el símbolo H debe ser sustituido por el que corresponda en cada caso concreto (irradiación directa, difusa, etc). Los promedios mensuales, convenientemente tabulados, están publicados para gran número de localidades en todo el mundo. La utilización de promedios mensuales en el diseño y dimensionado de instalaciones de energía solar refleja una situación de compromiso entre precisión y esfuerzo de cálculo. Sin embargo, como se verá en capítulos posteriores, estos métodos simplificados de diseño deben ser complementados con información sobre la distribución estadística de la radiación a lo largo del tiempo. En realidad los valores medios no son los representantes más significativos de las distribuciones de valores de radiación. Entre el parámetro más significativo, el valor modal y el valor más Escuela Profesional de Ingeniería en Energías Renovables – EPIER UNAJ 5 habitual en las publicaciones, el valor medio, es la mediana el valor más operativo y razonablemente representativo. Figura 03 .Media anual de la irradiación solar estimada para el periodo 1998-2002 según modelo propuesto por Nelson Vera a través de imágenes del satélite NOAA . Componentes de la irradiación solar a nivel de suelo La interacción de la radiación solar con la atmósfera, hace que se distingan dos componentes: radiación solar directa y radiación solar difusa, de manera que el cálculo de la radiación global incidente sobre una superficie inclinada a nivel de suelo, implica la determinación de tres magnitudes, y que son: - Radiación directa desde el disco solar - Radiación difusa procedente del cielo - Radiación difusa reflejada desde el suelo La tarea de calcular la irradiación solar directa sobre una superficie inclinada, es en parte un problema geométrico y en parte un problema físico determinado por la interacción de la radiación solar con la atmósfera. Para intervalos de tiempo cortos, del orden de una hora o menos, se puede suponer constante la altura solar sin introducir un error elevado, por lo que se puede determinar la irradiación directa sobre la superficie en función de la Escuela Profesional de Ingeniería en Energías Renovables – EPIER UNAJ 6 irradiación directa normal y del ángulo de incidencia de ésta con la superficie. Este problema es algo más complicado en el caso de valores diarios, ya que, si no se acude a calcularlos como sumatoria de valores horarios, la simplificación anterior para toda la duración del día nos llevaría a una gran inexactitud. Componentes de la irradiación solar en superficie inclinada y orientada arbitrariamente Si tenemos en cuenta la inclinación y la orientación de la superficie de captación hemos de modificar los datos obtenidos anteriormente. El camino más obvio es tratar por separado casa una de las componentes: irradiancia directa B(β,α), irradiancia difusa D(β,α) y la irradiancia de albedo R(β,α). Una vez conocidas: IRRADIANCIA DIRECTA Por consideraciones puramente geométricas: IRRADIANCIA DIFUSA Las propiedades direccionales de la radiación difusa son muy dependientes de las nubes, cuyas características son muy variables en el tiempo. Como en pocos lugares se realizan observaciones rutinarias, varios autores han desarrollado equipos y presentado datos experimentales de los que se obtienen modelos teóricos de resultados aceptables. Existen modelos isotrópicos muy simples de gran popularidad, pero escasa validez. Subestima la radiación difusa y llega a tener errores del 50%. Uno de los más aceptados es el modelo anisotrópico debido a Hay y Davies. Divide el cielo en dos zonas de radiación: el hemisferio entero emitiendo Escuela Profesional de Ingeniería en Energías Renovables – EPIER UNAJ 7 1. Rango Dinámico. Es la mínima y máxima señal que el instrumento es capaz de medir en su zona de respuesta lineal. 2. Rango Espectral. Es el intervalo de longitudes de onda que el instrumento es capaz de detectar. 3. Umbral de Detección. Es la mínima señal que el instrumento es capaz de medir. Un instrumento con un umbral de detección nulo, detectaría toda la señal de su entrada. Pero debido a características ópticas y del detector, no se detecta hasta una señal denominada offset. 4. Ruido (o Corriente Oscura). Es la señal que el instrumento detecta cuando la iluminación a la entrada es nula. El ruido influirá 5. Relación Señal–Ruido. Es la relación entre la media de varias medidas y la desviación estándar de dichas lecturas. Para la determinación de este parámetro, la energía recibida por el instrumento, el tiempo de integración, y la forma de operar, han de ser las mismas. 6. Tiempo de Integración. Es el tiempo en el que el detector está expuesto a la radiación. Su valor es un compromiso entre el requerimiento de una alta relación señal-ruido y el deseo de un tiempo de medida corto. Escuela Profesional de Ingeniería en Energías Renovables – EPIER UNAJ 10 7. Respuesta espectral. Es la sensibilidad del instrumento en función de la longitud de onda. Pirheliómetros La medida de la radiación solar directa total se realiza con el pirheliómetro, de los términos griegos fuego, sol y medida, instrumento de tipo telescópico con una apertura de pequeño diámetro. Las superficies receptoras del pirheliómetro deben mantenerse en todo momento perpendiculares a la dirección de la radiación solar, por lo que el uso de un sistema de seguimiento adecuado (solar tracker) es ineludible. Las aperturas de este dispositivo están dispuestas de forma que sólo la radiación procedente del disco solar y de una estrecha franja anular en torno al mismo alcanzan el receptor. La WMO (1996) califica los distintos tipos de pirheliómetros en pirheliómetro patrón primario, pirheliómetro patrón secundario y pirheliómetro de campo, atendiendo tanto a su precisión como a la precisión del equipo auxiliar. Los factores considerados para evaluar la precisión son: sensibilidad, estabilidad del factor de calibración, error máximo debido a las variaciones de temperatura ambiente, errores debidos a la respuesta espectral del receptor, no-linealidad de la respuesta, ángulo de apertura, constante de tiempo del sistema y efectos del equipo auxiliar. Los pirheliómetros de uso más frecuente, como el NIP (Normal Incidente Pyrheliometer) de Eppley, incorporan una termopila en la base de un tubo cuya relación entre diámetro de apertura y longitud es aproximadamente 1:10, siendo el ángulo subtendido de 5º a 11º (5°43'30" en el caso del NIP). A mayor ángulo, mayor será la cantidad de radiación solar procedente de la aureola solar – radiación circunsolar- captada por el detector, pero menores serán las exigencias de precisión en el seguimiento de la trayectoria solar. Gracias al desarrollo de seguidores solares más precisos, este último factor ha perdido peso en el diseño de pirheliómetros. Figura 04. Pirheliómetro NIP montado sobre seguidor solar Escuela Profesional de Ingeniería en Energías Renovables – EPIER UNAJ 11 mediante instrumentos adecuados al uso que se dará a los datos obtenidos y, preferentemente, bajo la supervisión de personal experimentado. En la tabla siguiente se resumen las características que deben reunir los pirheliómetros operativos (no aplicables a un pirheliómetro patrón primario) según WMO (1996). Los clasificados como de alta calidad son válidos como patrones de trabajo y para su mantenimiento se requieren instalaciones adecuadas y personal especializado. Los considerados de buena calidad son aceptables para redes de medida. TABLA 2: Caracteristicas del pirheliómetro Escuela Profesional de Ingeniería en Energías Renovables – EPIER UNAJ 12 Figura 06 Componentes de un piranómetro: 1 termopila, 2 cúpula exterior, 3 cúpula interior, 4 cuerpo, 5 cable, 6 conector, 7 tornillos de nivelación, 8 circuito, 9 desecante, 10 tapa del desecante, 11 nivel La medida de la radiación difusa, o radiación solar procedente de la dispersión de los rayos solares por los constituyentes atmosféricos, se realiza también con piranómetros, a los que se acopla un elemento (banda de sombra) cuya función es evitar que la radiación directa alcance el receptor. Debido a la geometría de este elemento parte de la radiación difusa procedente de los alrededores resultará también bloqueada, por lo que es necesario aplicar un factor de corrección a las medidas. El carácter anisótropo de la radiación difusa, hace que la determinación de este factor de corrección sea compleja, y se realiza mediante combinación de consideraciones teóricas y aproximaciones empíricas. Escuela Profesional de Ingeniería en Energías Renovables – EPIER UNAJ 15 Figura 14. Ejemplos de piranómetros sombreados para medir la difusa La introducción de seguidores solares controlados por microprocesador ha impulsado el desarrollo de nuevos dispositivos de bloqueo de la radiación directa (discos o brazos) que permiten obviar la corrección mencionada. Sin embargo, el uso de estos dispositivos aún no está muy extendido. La tabla siguiente recoge las características requeridas a los piranómetros operacionales según WMO (1996). Los clasificados como de alta calidad son válidos como patrones de trabajo y para su mantenimiento se requieren instalaciones adecuadas y personal especializado. Los considerados de buena calidad son aceptables para redes de medida. Por último, los de calidad moderada son aceptables para redes de media de bajo coste. Tabla 3: Características de piranómetros Escuela Profesional de Ingeniería en Energías Renovables – EPIER UNAJ 16 Tabla 4: Comparativa de piranómetros Heliógrafos Aunque no estrictamente una medida radiométrica, la heliofanía está directamente relacionada con la radiación solar y, en particular, con la radiación visible. De hecho, la condición de sol brillante puede asociarse a la aparición de sombras tras objetos iluminados. La WMO (1991) define el número de horas de sol o heliofanía como la suma del subperíodo para el que la irradiancia solar directa supera 120 W·m-2. La heliofanía tiene dimensiones de tiempo, y se mide en horas o segundos. También es frecuente emplear el término heliofanía relativa, definido como el cociente entre la heliofanía real y la máxima posible. El interés de los datos de Escuela Profesional de Ingeniería en Energías Renovables – EPIER UNAJ 17 Tabla 05. Especificaciones del heliógrafo de Campbell- Stokes grado IRSR (WMO, 1996) Escuela Profesional de Ingeniería en Energías Renovables – EPIER UNAJ 20 Cálculo de los Valores de la WRR Para calibrar un instrumento radiométrico se utilizan como referencia las lecturas de uno de los instrumentos del WSG, o las de otro que se haya calibrado directamente con uno de los instrumentos del Grupo. En las comparaciones internacionales, el valor representativo de la WRR se obtiene calculando la media de las mediciones de al menos tres instrumentos del WSG. Los valores de la WRR se establecen aplicando a las lecturas de cada instrumento del WSG el factor de corrección que le fue asignado al ser incorporado al Grupo. Imagen de la X-IPC Constante Solar En el tope de la atmósfera, a una distancia promedio de 150 x 106 Km del sol, el flujo de energía de onda corta interceptada por una superficie normal a la dirección del sol en vatios por metro cuadrado (W/m2) es llamada constante solar. Midiendo su variabilidad en el espacio y en el tiempo sobre el globo se puede definir el forzamiento radiativo básico del sistema climático. Este valor da una idea de los valores que se registran en el tope de la atmósfera y de los valores que finalmente llegan a la superficie de la tierra durante el día como consecuencia de las “pérdidas” de radiación por fenómenos (procesos de atenuación) como la reflexión, refracción y difracción durante su trayectoria. Según el Centro de Referencia Radiométrica Mundial (World Radiometric Reference - WRR) del Centro Mundial de Radiación (World Radiation Center - WRC), la constante solar tiene un valor aproximado de: Escuela Profesional de Ingeniería en Energías Renovables – EPIER UNAJ 21 Io = 1.367 W/m2 = 433.3 Btu/(ft2h) = 1,96 cal/(cm2min) con una desviación estándar de 1,6 W/m2 y una desviación máxima de + 7 W/m2. Valor de la constante solar. Fuente: NASA La figura, muestra la constante solar medida por satélites en W/m2 durante el período 1978-2003. En esta figura se observa que la constante varía con el tiempo, así como un leve aumento en los mínimos de la misma. También se aprecia el ciclo solar, en el cual cada 11 años se presenta un máximo en la constante. Escuela Profesional de Ingeniería en Energías Renovables – EPIER UNAJ 22