mayo 07, 2024

Dispositivos de medición de radiación solar

Radiación solar

La radiación electromagnética del Sol es irradiada por su fotosfera, que es la región del Sol que podemos observar.
La fotosfera del Sol tiene una temperatura aproximada de 6000K y emite radiación electromagnética similar a la de un «cuerpo negro» a esa temperatura.
La potencia total de la radiación emitida por el Sol es de aproximadamente 9,5×1025W.
Este poder es irradiado por el Sol hacia todo el espacio circundante y solo una pequeña parte de él llega a la Tierra.

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Estructura del Sol

La energía media emitida por el Sol que por unidad de tiempo llega fuera de la superficie de la atmósfera terrestre tiene un valor medio de 1353 W/m2.

Solo una parte de la radiación que afecta fuera de la atmósfera terrestre llega a la superficie de la Tierra.
Esto se debe al hecho de que la atmósfera tiene muchos efectos sobre la radiación que la atraviesa: parte de la radiación es absorbida, otra parte es reflejada, de diversas maneras dependiendo de las frecuencias individuales.
La radiación solar que llega a la superficie terrestre es la suma de la radiación que proviene directamente del Sol y la indirecta que la atmósfera terrestre propaga en todas direcciones.

La combinación de estos efectos determina una alteración de la distribución espectral y de la constante solar, que corresponde a la radiación total que llega a la superficie terrestre.
De hecho, está atenuado: el valor de potencia es de aproximadamente 1000 W/m2, aunque local y temporalmente vemos con frecuencia valores de irradiación en torno a 1100 W/m2.

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Distribución de la radiación entrante en la Tierra fuera y dentro de la atmósfera

LA PRODUCTIVIDAD DE UNA CÉLULA SOLAR FOTOVOLTAICA

La productividad de una célula solar fotovoltaica depende de muchos factores, siendo los principales los siguientes:

  • La célula solar fotovoltaica no responde uniformemente a todas las frecuencias de radiación;
  • La eficiencia de una célula solar fotovoltaica de silicio es máxima en el rango de frecuencia de la luz visible;
  • La productividad de una célula solar fotovoltaica y, en consecuencia, de un sistema fotovoltaico depende de la incidencia de la radiación que incide en su superficie.

Otro factor que afecta a la productividad de una célula solar fotovoltaica es la temperatura, ya que el funcionamiento de una célula fotovoltaica se basa en la existencia de una «banda prohibida» especialmente creada en el semiconductor.
La banda prohibida determina, bajo el efecto de la irradiación del semiconductor, la formación de pares electrón-hueco.
Un aumento de la temperatura modifica la «banda prohibida» y disminuye la velocidad de producción de los pares electrón-hueco: la consecuencia es una disminución de la producción de electricidad.

En resumen, un aumento de la temperatura provoca una reducción de la producción de energía en el sistema fotovoltaico.

Si la producción de energía de un sistema fotovoltaico es una función determinable de estos factores, es posible identificar disminuciones inesperadas en la producción de energía y comprender si son causadas por fallas o deficiencias de mantenimiento o si existen márgenes para optimizar el sistema con el fin de implementar las acciones para optimizar el resultado económico.

Para que esto sea posible, en la actualidad es necesario saber en todo momento cuánta energía puede producir un sistema fotovoltaico y por ello es muy útil saber cuánta energía está llegando a la superficie de los módulos fotovoltaicos en cada momento.
Podría ser aún más útil saber cuánta radiación solar llega a los módulos fotovoltaicos en la parte del espectro incluida en el rango de 300 nm a 1100 nm (las células de silicio son sensibles a las longitudes de onda en este rango), para poder saber cuánta energía debe producir el sistema PV en todo momento.

Los sensores que miden la radiación solar son capaces de medir la radiación solar en el punto donde están instalados.
Se denominan piranómetros y, para aplicaciones en sistemas fotovoltaicos, se utilizan esencialmente dos tipos de ellos: el sensor de irradiación (piranómetro de célula fotovoltaica) y el piranómetro de termopila.
Una representación esquemática de las diferentes tecnologías de medición de la radiación solar se puede visualizar en el siguiente enlace: https://soluzionesolare.it/documenti/Infografica.pdf

MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR CON EL SENSOR DE IRRADIANCIA

El sensor de irradiancia (o piranómetro de célula fotovoltaica) es un instrumento utilizado para medir el flujo de radiación solar.
Utiliza el efecto fotovoltaico para medir la cantidad de radiación solar que llega a una superficie determinada.

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Principio de funcionamiento de una célula fotovoltaica

Dado que un sensor de irradiación utiliza el efecto fotovoltaico, proporciona respuestas similares a las de un sistema fotovoltaico: produce una señal eléctrica en función de la radiación solar incidente.
Más concretamente, responde principalmente a la luz visible y su salida depende de varios factores, entre ellos la temperatura de la célula.
Absorbe ondas aproximadamente en el rango de 300 nm a 1100 nm.
Para obtener una lectura independiente de la temperatura, los valores medidos con un medidor solar de célula fotovoltaica deben corregirse para compensar el impacto de las variaciones de temperatura.
No todos los sensores de irradiación están equipados con un sistema de compensación de este tipo que, si está presente, debe tener un alto nivel de precisión.

MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR CON PIRANÓMETRO DE TERMOPILA

Los piranómetros de termopila (comúnmente llamados simplemente ‘piranómetros’) son instrumentos utilizados para medir el flujo de radiación solar.

Funcionan midiendo la diferencia de temperatura entre la parte expuesta a la radiación y la que no está expuesta.
Esta diferencia de temperatura se mide mediante una termopila.
Una termopila consiste en una serie de termopares conectados que están constituidos por una unión entre dos metales diferentes que, produciendo un «potencial dependiente de la temperatura», se usan comúnmente para medir la diferencia de temperatura entre dos puntos.

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Principio de funcionamiento de una termopila

Por lo tanto, mediante el uso de una termopila, la brecha de potencial generada por la diferencia de temperatura entre la superficie expuesta y la superficie no expuesta a la radiación permite obtener una medida de la radiación solar global sin, sin embargo, una selectividad útil entre las diferentes longitudes de onda.

La respuesta de este tipo de piranómetro de termopila suele cubrir todo el espectro de las longitudes de onda del espectro solar en el rango de 300 nm a 3000 nm.

Recientemente se han desarrollado pirómetros termoeléctricos que no utilizan termopila.
Sin embargo, aprovechando el efecto termoeléctrico y la diferencia de temperatura, tienen una respuesta similar al piranómetro de termopila, por lo que no se diferencian de ellos excepto por tiempos de respuesta del orden de 20 s.

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Distribución de la irradiancia absorbida por un piranómetro (termopila) y por una célula fotovoltaica

Por lo tanto, debe tenerse en cuenta que el ancho de espectro detectable por un piranómetro de termopila es más amplio que el medible por un sensor de irradiancia con una célula fotovoltaica o también incluye la radiación que los sistemas fotovoltaicos no pueden convertir en electricidad.

La diferencia en la respuesta espectral de un piranómetro de termopila en comparación con un sensor de irradiancia de célula fotovoltaica se puede ver en las siguientes dos ilustraciones:

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Respuesta espectral de un piranómetro de termopila y un sensor de irradiación fotovoltaica

Por esta razón, el uso del piranómetro de termopila para probar el correcto funcionamiento y rendimiento de un sistema fotovoltaico puede resultar en mediciones de rendimiento incorrectas en ciertas condiciones ambientales.
Por el contrario, en el caso de utilizar un sensor de irradiancia (que está equipado con células fotovoltaicas), los valores dados en cada condición ambiental son similares a los de la planta porque la parte espectral que determina el funcionamiento de un sistema fotovoltaico es la misma que determina el funcionamiento o la señal de medición de este instrumento.

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