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 necesita ninguna fuente de alimentación para funcionar. Sin embargo, los últimos avances técnicos incluyen el uso de componentes electrónicos en piranómetros que sí requieren una fuente de alimentación externa (baja) (véase sensor de flujo de calor ).
El espectro de la radiación solar que llega a la superficie terrestre abarca 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 distintos 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 llega al sensor perpendicularmente (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 con un ángulo de incidencia de 60°. De ello se deduce que un piranómetro debe tener una denominada "respuesta direccional" o "respuesta del coseno" que sea lo más cercana posible a la característica ideal del coseno.
Siguiendo las definiciones señaladas en la norma ISO 9060, [1] se pueden reconocer tres tipos de piranómetros y agruparlos en dos tecnologías diferentes: la tecnología de termopila y la tecnología de semiconductores de silicio.
La sensibilidad a la luz, conocida como " respuesta espectral" , depende del tipo de piranómetro. La figura anterior 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 de la Tierra a 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°. Un piranómetro de termopila mide por lo tanto habitualmente 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 negros y blancos. La irradiación se calculaba 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 de revestimiento negro y se calientan por la radiación absorbida por el 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 por amarilleamiento o descomposición al medir la temperatura a la sombra, lo que perjudica la medición de la irradiancia solar.
La termopila genera un pequeño voltaje proporcional a la diferencia de temperatura entre la superficie del revestimiento negro y la carcasa del instrumento. Este 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 electrónica para la calibración de la señal .
Los piranómetros de termopila se utilizan con frecuencia en meteorología , climatología , investigación del cambio climático , física de 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 número de piranómetros que se deben utilizar en función del tamaño y categoría de la planta solar. Dicha norma aconseja instalar piranómetros de termopila en horizontal (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 Performance Ratio.
Para utilizar los datos medidos por un piranómetro (horizontal o en el plano), es necesaria una evaluación de calidad (QA) de los datos medidos en bruto. [4] Esto se debe a que las mediciones del piranómetro suelen sufrir errores inducidos por el entorno, pero también errores de manipulación y negligencia, como:
Cada uno de los problemas mencionados anteriormente aparece como un patrón específico en la serie temporal medida. Gracias a esto, se pueden identificar los problemas, marcar los registros erróneos y excluirlos del conjunto de datos. Los métodos empleados para el control de calidad de los datos pueden ser manuales, en los que un experto se encarga de identificar los patrones, o automatizados, en los que un algoritmo hace el trabajo. Como muchos de los patrones son complejos, no se describen fácilmente y requieren un contexto particular, el control de calidad manual es muy común. Se requiere un software especializado con las herramientas adecuadas para realizar el control de calidad.
Después del procedimiento de control de calidad, el conjunto de datos "limpios" restante refleja la irradiancia solar en el sitio de medición dentro de la incertidumbre de medición del instrumento. El conjunto de datos medidos "limpios" se puede mejorar opcionalmente con datos de un modelo de irradiancia solar basado en satélite. Estos datos están disponibles globalmente durante un período de tiempo mucho más largo (normalmente décadas en el pasado) que los datos medidos por el piranómetro. Los datos del modelo satelital se pueden correlacionar (o adaptar al sitio) con los datos medidos por el piranómetro para producir un conjunto de datos con un largo período de tiempo de datos precisos para el sitio específico, con una incertidumbre definida. Dichos datos se pueden utilizar para realizar estudios de recursos solares financiables o producir mapas de potencial solar .
Para la monitorización de plantas de energía fotovoltaica en funcionamiento, los piranómetros desempeñan un papel esencial en la verificación de la irradiancia solar disponible en un momento dado o durante un período de tiempo determinado. Debido a la variabilidad climática, la redundancia y la escala espacial de las plantas solares contemporáneas (por encima de 100 MWp), se instalan múltiples piranómetros para proporcionar una irradiación solar precisa para cada sección de la planta de energía fotovoltaica. La norma internacional IEC 61724-1:2017 [5] , por ejemplo, exige que se instalen al menos 4 piranómetros de termopila de clase A en una planta de energía fotovoltaica de 100 MWp en todo momento.
Las mediciones solares que se sometieron a control de calidad se podrían utilizar para derivar indicadores clave de rendimiento (KPI), como el índice de rendimiento*, métricas utilizadas en el monitoreo del estado de los activos o en varios escenarios contractuales relacionados con la energía producida (facturación) o la gestión de activos (es decir, operación y mantenimiento). En estos cálculos, la suma medida de la irradiación en el plano durante un período determinado se utiliza como determinante con el que se compara la electricidad fotovoltaica producida normalizada. Debido a la dificultad de obtener mediciones confiables en el plano, especialmente en plantas de energía operativas, el índice de rendimiento energético se utiliza cada vez más en lugar de la antigua métrica del índice de rendimiento.
También conocido como piranómetro fotoeléctrico en la norma ISO 9060, [6] 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 antes mencionadas en corriente a alta velocidad, gracias al efecto fotoeléctrico . La conversión está influenciada por la temperatura con un aumento en la corriente producido por el aumento de la temperatura (aproximadamente 0,1% • °C)
Un piranómetro basado en fotodiodos está compuesto por una carcasa, un fotodiodo y un difusor o filtros ópticos. El fotodiodo tiene una superficie pequeña y actúa como un 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 utilizando diodos con respuestas espectrales específicas. Los piranómetros basados en fotodiodos son el núcleo de los luxómetros utilizados en fotografía, cine y técnicas de iluminación. A veces también se instalan cerca de módulos de sistemas fotovoltaicos.
El piranómetro fotovoltaico, construido en los años 2000 al mismo tiempo que se extendían los sistemas fotovoltaicos, es una evolución del piranómetro de fotodiodo. Respondió a la necesidad de una única célula fotovoltaica de referencia para medir la potencia de las células y los módulos fotovoltaicos. [7] En concreto, cada célula y módulo se prueba 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 célula. Esto crearía un desajuste evidente a la hora de medir la potencia, que debería cuantificarse. [8] [9] En los documentos técnicos, este piranómetro también se conoce como "célula de referencia".
La parte activa del sensor está compuesta por una célula fotovoltaica que trabaja en condiciones cercanas a las de cortocircuito. Por lo tanto, la corriente generada es directamente proporcional a la radiación solar que incide sobre la célula en un rango entre 350 nm y 1150 nm. Cuando incide sobre ella una radiación luminosa en dicho rango, produce corriente como consecuencia del efecto fotovoltaico . Su sensibilidad no es plana, sino que es la misma que la de una célula fotovoltaica de silicio. Véase el gráfico de respuesta espectral.
Un piranómetro fotovoltaico se compone básicamente de 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 sobre los valores de la irradiancia solar. En el interior de varios modelos, la carcasa alberga una placa para la amplificación y el acondicionamiento de la señal .
Los piranómetros fotovoltaicos se utilizan en simuladores solares y junto con sistemas fotovoltaicos para calcular la potencia efectiva del módulo fotovoltaico y el rendimiento del sistema. Debido a que la respuesta espectral de un piranómetro fotovoltaico es similar a la de un módulo fotovoltaico, también se puede utilizar para el diagnóstico preliminar de fallas en sistemas fotovoltaicos.
La célula fotovoltaica de referencia o el sensor de irradiancia solar pueden tener entradas externas que aseguren 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 monitorear las plantas solares fotovoltaicas.
Tanto los piranómetros de tipo termopila como los fotovoltaicos se fabrican según normas.
Los piranómetros de termopila siguen la norma ISO 9060, adoptada también por la Organización Meteorológica Mundial (OMM). Esta norma distingue tres clases.
La última versión de la norma 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 antigua norma ISO 9060 de 1990 utilizaba términos ambiguos como "norma secundaria", "primera clase" y "segunda clase". [10]
Las diferencias entre las clases se deben a una serie de propiedades de los sensores: tiempo de respuesta, desfases térmicos, dependencia de la temperatura, error direccional, falta de estabilidad, falta de linealidad, selectividad espectral y respuesta a la inclinación. Todas ellas se definen en la norma ISO 9060. Para que un sensor se clasifique en una categoría determinada, 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 se realiza normalmente teniendo como referencia absoluta la Referencia Radiométrica Mundial [11] (WRR). La mantiene PMOD [12] en Davos , Suiza . [13] Además de la Referencia Radiométrica Mundial, existen laboratorios privados como ISO-Cal North America [14] que han adquirido acreditación para estas calibraciones únicas. Para el piranómetro de Clase A, la calibración se realiza siguiendo ASTM G167, [15] ISO 9847 [16] o ISO 9846. [17] [18] Los piranómetros de Clase B y Clase C suelen calibrarse de acuerdo con ASTM E824 [19] e ISO 9847. [20]
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 ambas normas, su respectiva cadena de trazabilidad comienza con el estándar primario conocido como grupo de radiómetros de cavidad por el World Radiometric Reference (WRR). [21]
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 discurre a lo largo de 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 mayores inmunidades a ruidos, como Modbus sobre RS-485 , adecuado para ambientes con interferencias electromagnéticas propias de centrales fotovoltaicas de tamaño medio-grande , o 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.
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