Un piranómetro (del griego πῦρ (pyr) 'fuego' y ἄνω (ano) 'arriba, cielo') es un tipo de actinómetro utilizado para medir la irradiancia solar en una superficie plana y está diseñado para medir la densidad del 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 típico no requiere energía para funcionar. Sin embargo, el desarrollo técnico reciente incluye el uso de electrónica en piranómetros, que requieren energía externa (baja) (ver sensor de flujo de calor ).
El espectro de la radiación solar que llega a la superficie terrestre extiende su longitud de onda aproximadamente desde los 300 nm hasta los 2800 nm. Dependiendo del tipo de piranómetro utilizado se obtendrán medidas de irradiancia con diferentes grados de sensibilidad espectral.
Para realizar una medición de la irradiancia , se requiere por definición que la respuesta a la radiación del "haz" varíe con el coseno del ángulo de incidencia. Esto garantiza una respuesta completa cuando la radiación solar incide perpendicularmente en el sensor (normal a la superficie, sol en el cenit, ángulo de incidencia de 0°), respuesta cero cuando el sol está en el horizonte (ángulo de incidencia de 90°, ángulo cenital de 90°). ), y 0,5 en un ángulo de incidencia de 60°. De ello se deduce que un piranómetro debe tener la llamada "respuesta direccional" o "respuesta coseno" que sea lo más cercana posible a la característica coseno ideal.
Siguiendo las definiciones señaladas en la norma ISO 9060, [1] se pueden reconocer tres tipos de piranómetros y agruparlos en dos tecnologías diferentes: tecnología de termopila y tecnología de semiconductores de silicio.
La sensibilidad a la luz, conocida como ' respuesta espectral' , depende del tipo de piranómetro. La figura de arriba 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 al nivel del mar, al mediodía con AM ( masa de aire ) = 1,5.
La latitud y la altitud influyen en este espectro. El espectro también está influenciado por los aerosoles y la contaminación.
Un piranómetro de termopila (también llamado piranómetro termoeléctrico ) es un sensor basado en termopilas diseñado para medir la banda ancha de la densidad del flujo de radiación solar desde un ángulo de campo de visión de 180°. Por lo tanto, un piranómetro de termopila suele medir de 300 a 2800 nm con una sensibilidad espectral en gran medida plana (ver 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 calculó a partir de la medida diferencial entre la temperatura de los sectores negros, expuestos al sol, y la temperatura de los sectores blancos, sectores no expuestos al sol o mejor dicho en las sombras.
En toda la tecnología de termopila, la irradiación es proporcional a la diferencia entre la temperatura del área expuesta al sol y la temperatura del área de sombra.
Para lograr las características direccionales y espectrales adecuadas, un piranómetro de termopila se construye con los siguientes componentes principales:
En los piranómetros de termopila modernos, las uniones activas (calientes) de la termopila se encuentran debajo de la superficie del revestimiento negro y se calientan mediante la radiación absorbida del revestimiento negro. [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 sirve como disipador de calor. Esto evita cualquier alteración como amarilleo o deterioro al medir la temperatura en la sombra, perjudicando así la medida de la irradiancia solar.
La termopila genera un pequeño voltaje en proporción a la diferencia de temperatura entre la superficie del revestimiento negro y la carcasa del instrumento. Esto es del orden de 10 μV (microvoltios) por W/m2, por lo que en un día soleado la salida será de alrededor de 10 mV (milivoltios). Cada piranómetro tiene una sensibilidad única, a menos que esté equipado con componentes electrónicos para la calibración de la señal .
Los piranómetros de termopila se utilizan frecuentemente en meteorología , climatología , investigación del cambio climático , física de la construcción , sistemas fotovoltaicos y monitoreo de centrales fotovoltaicas .
Normalmente se instalan horizontalmente en estaciones meteorológicas.
La industria de la energía solar, en una norma de 2017, IEC 61724-1:2017, [3] ha definido qué tipo de piranómetros se deben utilizar dependiendo del tamaño y categoría de la planta de energía solar. Esa norma recomienda instalar piranómetros de termopila horizontalmente (GHI, Global Horizontal Irradiation) e instalar piranómetros fotovoltaicos en el plano de los módulos fotovoltaicos (POA, Plane Of Array) para mejorar la precisión en el cálculo del índice de rendimiento.
También conocido como piranómetro fotoeléctrico en la norma ISO 9060, [4] un piranómetro basado en fotodiodos puede detectar la porción del espectro solar entre 400 nm y 1100 nm. El fotodiodo convierte las mencionadas frecuencias del espectro solar en corriente a gran velocidad, gracias al efecto fotoeléctrico . La conversión está influenciada por la temperatura con un aumento de corriente producido por el aumento de temperatura (aproximadamente 0,1% • °C)
Un piranómetro basado en fotodiodos está compuesto por una carcasa tipo cúpula, un fotodiodo y un difusor o filtros ópticos. El fotodiodo tiene una superficie pequeña 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 tipo termopila.
Los piranómetros basados en fotodiodos se utilizan cuando es necesario calcular la cantidad de irradiación del espectro solar visible, o de determinadas porciones como UV, IR o PAR ( radiación fotosintéticamente activa ). Esto se hace mediante el uso de diodos con respuestas espectrales específicas. Los piranómetros basados en fotodiodos son el núcleo de los luxómetros utilizados en fotografía, cine y técnicas de iluminación. En ocasiones también se instalan cerca de módulos de sistemas fotovoltaicos.
Construido alrededor de la década de 2000, al mismo tiempo que la expansión de los sistemas fotovoltaicos, el piranómetro fotovoltaico es una evolución del piranómetro de fotodiodo. Respondió a la necesidad de disponer de una única célula fotovoltaica de referencia a la hora de medir la potencia de células y módulos fotovoltaicos. [5] Específicamente, cada celda y módulo es probado mediante pruebas de flash por sus respectivos fabricantes, y los piranómetros de termopila no poseen la velocidad de respuesta adecuada ni la misma respuesta espectral de una celda. Esto crearía un desajuste evidente a la hora de medir la potencia, que sería necesario cuantificar. [6] [7] 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. Como tal, la corriente generada es directamente proporcional a la radiación solar que llega a la célula en un rango entre 350 nm y 1150 nm. Cuando es invertido por una radiación luminosa en el rango mencionado, produce corriente como consecuencia del efecto fotovoltaico . Su sensibilidad no es plana, pero es la misma que la de la célula fotovoltaica de silicio. Consulte el gráfico de respuesta espectral.
Un piranómetro fotovoltaico se ensambla esencialmente con las siguientes partes:
Los sensores de silicio, como el fotodiodo y la célula fotovoltaica, varían la salida en función de la temperatura. En los modelos más recientes, la electrónica compensa la señal con la temperatura, eliminando así la influencia de la temperatura de los valores de irradiancia solar. En el interior de varios modelos, la caja alberga una placa para la amplificación y acondicionamiento de la señal .
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. Debido a que la respuesta espectral de un piranómetro fotovoltaico es similar a la de un módulo fotovoltaico, también puede usarse para el diagnóstico preliminar de mal funcionamiento en sistemas fotovoltaicos.
La célula fotovoltaica de referencia o el sensor de irradiancia solar pueden tener entradas externas que garanticen la conexión del sensor de temperatura del módulo, el sensor de temperatura ambiente y el sensor de velocidad del viento con una sola salida Modbus RTU conectada directamente al registrador de datos. Estos datos son adecuados para el seguimiento de las plantas solares fotovoltaicas.
Tanto los piranómetros de termopila como los fotovoltaicos se fabrican según normas.
Los piranómetros de termopila siguen la norma ISO 9060, que también es adoptada por la Organización Meteorológica Mundial (OMM). Esta norma discrimina tres clases.
La última versión de ISO 9060, de 2018, utiliza la siguiente clasificación: Clase A para el mejor rendimiento, seguida de Clase B y Clase C, mientras que la norma ISO 9060 anterior de 1990 utilizaba términos ambiguos como "estándar secundario", "primera clase" y "segunda clase"., [8]
Las diferencias en las clases se deben a una cierta cantidad de propiedades de los sensores: tiempo de respuesta, compensaciones térmicas, dependencia de la temperatura, error direccional, no estabilidad, no linealidad, selectividad espectral y respuesta de inclinación. Todos ellos están definidos en la norma ISO 9060. Para que un sensor se clasifique en una determinada categoría, debe cumplir 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 más raros. La mayoría de los piranómetros de Clase A tienen un tiempo de respuesta de 5 segundos o más.
La calibración normalmente se realiza teniendo la Referencia Radiométrica Mundial [9] (WRR) como referencia absoluta. Lo mantiene PMOD [10] en Davos , Suiza . [11] Además de la Referencia Radiométrica Mundial, existen laboratorios privados como ISO-Cal North America [12] que han adquirido acreditación para estas calibraciones únicas. Para el piranómetro Clase A, la calibración se realiza siguiendo ASTM G167, [13] ISO 9847 [14] o ISO 9846. [15] [16] Los piranómetros Clase B y Clase C generalmente se calibran de acuerdo con ASTM E824 [17] e ISO 9847 . [18 ]
Los piranómetros fotovoltaicos están estandarizados y calibrados según IEC 60904-4 para muestras de referencia primarias y según 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 grupo de radiómetros de cavidad por la Referencia Radiométrica Mundial (WRR). [19]
El valor de salida natural de estos piranómetros no suele superar las decenas de milivoltios (mV). Se considera una señal "débil" y, como tal, bastante vulnerable a las interferencias electromagnéticas , especialmente cuando el cable recorre distancias decamétricas o se encuentra en sistemas fotovoltaicos. Por lo tanto, estos sensores suelen estar equipados con una electrónica de acondicionamiento de señal, que proporciona una salida de 4-20 mA o 0-1 V.
Otra solución implica mayores inmunidades a los ruidos, como Modbus sobre RS-485 , adecuado para ambientes con interferencias electromagnéticas propias de centrales fotovoltaicas de mediana y gran escala , o la salida SDI-12 , donde los sensores forman parte de una estación meteorológica de baja potencia. La electrónica equipada suele favorecer una fácil integración en el SCADA del sistema .
También se puede almacenar información adicional en la electrónica del sensor, como el historial de calibración y el número de serie.
