mayo 07, 2024

Medición de radiación solar: solarímetros y piranómetros

La superficie del Sol (o fotosfera), tiene una temperatura de unos 6000K y su comportamiento se aproxima al de un «cuerpo negro».
Teniendo en cuenta esto, es posible calcular la potencia total emitida por el Sol en aproximadamente 9,5×1025W.

Esta potencia total emitida por el Sol no está compuesta por una sola longitud de onda, sino por muchas.
Además, solo una fracción de la radiación del Sol llega a la Tierra.

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La energía media radiada por el Sol por unidad de tiempo sobre una superficie normal situada fuera de la atmósfera terrestre se denomina constante solar y su valor medio es de aproximadamente Ics = 1353 W/m2.

Sin embargo, la presencia de la atmósfera tiene diferentes efectos sobre la radiación que llega a la superficie de la Tierra.

La radiación sufre una reducción de potencia debido a la absorción, dispersión y reflexión en la atmósfera.

El contenido espectral de la radiación solar también cambia debido al aumento de la absorción o dispersión que sufren las longitudes de onda largas.
Además, hay componentes de radiación difusa e indirecta.

El resultado de todo esto es que la radiación total que llega a la superficie terrestre tiene menos intensidad: aproximadamente 1000W/m2 de potencia y una distribución espectral alterada.

La productividad de una célula solar

La productividad de una célula solar depende de varios factores.

En primer lugar, una célula solar no responde de manera consistente a todas las frecuencias de la radiación incidente.
La eficiencia de una célula de silicio es máxima en el rango de frecuencia de la luz visible.

En segundo lugar, la productividad de una célula solar y, en consecuencia, de un sistema fotovoltaico depende de la radiación incidente que incida en su superficie.

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Hay otro efecto que influye en el rendimiento de un sistema fotovoltaico: la temperatura.
Al igual que todas las demás herramientas semiconductoras, las células solares son sensibles a la temperatura.
Un aumento de la temperatura reduce la «banda prohibida» de un semiconductor, afectando a la mayoría de sus parámetros.

La alta temperatura provoca una reducción en la producción de energía de un sistema fotovoltaico.

Dado que la producción de energía (y el costo) de un sistema fotovoltaico es una función predecible de estos factores, una disminución inesperada en la producción de energía debe interpretarse como una falla o avería y abordarse.

Por lo tanto, para saber en un momento dado cuánta energía debe producir un sistema fotovoltaico, es necesario saber cuánta energía está llegando a la superficie de los módulos fotovoltaicos en un momento dado.
Sería más útil saber cuánta radiación solar (las células de silicio son sensibles a longitudes de onda de 300 nm-1100 nm) llega a los módulos fotovoltaicos, para saber cuánta energía debería producir el sistema fotovoltaico en cada momento.

Los sensores de medición de radiación solar son capaces de detectar cuánta radiación solar llega al lugar donde están instalados.

Para hacer esto existen esencialmente 2 tipos de dispositivos: el solarímetro y el piranómetro.

MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR CON UN SOLARÍMETRO

Un solarímetro (o piranómetro de celda de silicio) 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.

Un solarímetro que utiliza el efecto fotovoltaico tiene la misma respuesta que un sistema fotovoltaico: produce una señal eléctrica en función de la luz incidente.
Responde principalmente a la luz visible y su salida depende de la temperatura de la célula.

Captura ondas de luz de aproximadamente 330 nm a 1100 nm.

Para obtener una lectura independiente de la temperatura, los valores medidos por un solarímetro de célula fotovoltaica deben corregirse para compensar la temperatura.
Esta medición se puede realizar gracias a un termopar.
El factor de ajuste debe tener altos niveles de precisión.

Medición de la radiación solar con un piranómetro

Los piranómetros son instrumentos que se utilizan para medir la radiación global sobre una superficie (tanto la radiación directa como la difusa).

Funcionan midiendo la diferencia entre la temperatura de una superficie clara y brillante y una oscura.
Una superficie oscura puede absorber la mayor parte de la radiación solar, mientras que una superficie clara tiende a reflejarla, absorbiendo menos calor.

Esta diferencia de temperatura se mide utilizando una termopila, y la diferencia de potencial generada en la termopila* (debido al gradiente de temperatura entre las dos superficies) permite medir la radiación solar incidente global.

La respuesta de este tipo de piranómetro puede cubrir todo el rango de longitudes de onda del espectro solar: de 300 nm a 2800 nm.

Tenga en cuenta que el rango espectral detectable por un piranómetro es más amplio que el medible con un solarímetro de celda de silicio.

Por esta razón, el uso de un piranómetro para probar el correcto funcionamiento y rendimiento de un sistema fotovoltaico puede llevarlo a pensar que la planta no está funcionando correctamente bajo ciertas condiciones ambientales.
En cambio, con un solarímetro de celda de silicio, los valores dados se sincronizan con la planta, ya que la parte espectral necesaria para el funcionamiento de un sistema fotovoltaico es la misma que la medida con este dispositivo.

Además, la respuesta de un piranómetro es mucho más lenta (decenas de segundos) que la respuesta de un solarímetro de celda de silicio (menos de un segundo).

* Una termopila suele ser una serie de termopares conectados.
Un termopar es una unión entre dos metales diferentes que se utiliza para medir la diferencia de temperatura entre dos puntos.
El termopar produce un potencial dependiente de la temperatura.

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