Medición de Radiación Solar

Aarón Sánchez Juárez

Centro de Investigación en Energía

UNAM

La constante solar

AS=6.06×1018 m2

T~107 K

TS~ 5777 K

A=2.81×1023 m

PS=3.85×1026 W

qS=6.35×107 W/m2

GSC= PS/A

GSC=1367 W/m2

Métodos para la evaluación del recurso solar

Medición directa: Piranómetros, pirheliómetros, radiómetros UV.

Modelos matemáticos empíricos. Estimación en base a mediciones de

satélite.Atlas de radiación.

Heliógrafo tipo Campbell-Stokes

Medición con un piranómetro

Gd

Gb

Gd

Gb

Dispositivo de sombreado

Gh = Gb cos z + Gd G = Gd

z

Radiación Global Radiación Difusa

Banda sombreadora

Piranómetro Eppley mod. 8-48 con banda sombreadora para medición de la radiación difusa

Componentes de un piranómetro

Disecante

Nivel

Cable

Tornillo

Domo de vidrio Sensor

Base y sumidero de calor

Sensor de termopila

V

V

V

Voltaje de Seebeck

Termopar

Termopila

Termopila en estrella para piranómetro

T1T2

T1

T2

Clasificación de los piranómetros

Estándar secundarioPrimera claseSegunda ClaseTercera clase

Piranómetros tipo estándar secundario

Eppley, mod. PSP(Estados Unidos)

Kipp & Zonen, Mode CM 21(Suiza)

Comparación

PSP, Eppley Rango espectral 0.285 a

2.8 m Sensibilidad 9 V/Wm-2

Dependencia temperatura ± 1%

Tiempo respuesta 1 seg. Precio aprox. US $ 2500

CM 21, Kipp & Zonen Rango espectral 0.305 a

2.8 m Sensibilidad 7-17

V/Wm-2

Dependencia temperatura ± 1%

Tiempo respuesta 2 seg. Precio aprox. US $ 2600

Piranómetros de primera clase

Eppley, Mod. 8-48 (Blanco y negro)

Kipp & Zonen, mod. CM 6B

Comparación

8-48, Eppley Rango espectral 0.285 a

2.8 m Sensibilidad 10 V/Wm-2

Dependencia temperatura ± 1.5%

Tiempo respuesta 5 seg. Precio aprox. US $ 1600

CM 6B, Kipp & Zonen Rango espectral 0.305 a

2.8 m Sensibilidad 9-15

V/Wm-2

Dependencia temperatura ± 2%

Tiempo respuesta 5 seg. Precio aprox. US $ 1800

Piranómetros de segunda clase

CM 3, Kipp & Zonen Rango espectral 0.350 a

1.5 m Sensibilidad 10-35

V/Wm-2

Dependencia temperatura ± 6%

Tiempo respuesta 10 seg. Precio aprox. US $ 1000

Piranómetro con sensor de fotocelda

Kipp & Zonen, mod. SP Lite

Li-Cor, mod. LI 200 X

Comparación

SP Lite, Kipp & Zonen Rango espectral 0.400 a 1.1

m Sensibilidad 100 V/Wm-2

Error ? Tiempo respuesta <1 seg. Precio aprox. US $ 500

LI 200 X, Li-Cor Rango espectral 0.400 a

1.1 m Sensibilidad 5 mV/Wm-2

Error máximo 5%, típico 3%

Tiempo respuesta 1 s Precio aprox. US$ 300

Respuesta espectral de los piranómetros

Medición de la radiación directa

32’

Pirheliómetro

Sol

Radiación directa

Radiación difusa

Componentes de un pirheliómetro

mira

diafragmaTermopila

conectorVentana

Pirheliómetros

Kipp & Zonen, mod. CH 1 Eppley, mod. NIP

Seguidor solar para pirheliómetro

Estación solarimétrica

Sensores de radiación solar y sistema de adquisición en la azotea del auditorio del CIE

Sistema de adquisición Campbell

Características

Automática Datalogger Campbell CR10X Panel solar y batería Comunicación por puerto serial Sensores de temperatura, humedad, presión, precipitación

dirección y velocidad de viento Capacidad de almacenamiento entre una semána y un mes Tripie de soporte Gran desempeño ante climas diversos Costo aproximado: US $ 9000

Adquisidor de laboratorio

Adquisidor Agilent Technologies, mod. 34970ACapacidad de almacenamiento pequeña

Costo aproximado: US $ 2500

Operación de la estación

Supervisión del funcionamientoLimpieza y ajustes rutinariosRecolección y procesamiento de los datosMantenimientoCalibración

Calibración de radiómetros

Es necesaria la calibración periódica de los sensores

Calibración contra un instrumento de referencia estándar.

El Observatorio de Radiación Solar del Instituto de Geofísica de la UNAM es el Centro Regional de Radiación AR-IV, de la Organización Meteorológica Mundial.Ofrece servicio de referenciación de pirheliometros y piranometros (radiómetros en general) contra instrumentos de referencia estándar.

Problemas de calibración

Ejemplo de la variación de calibración de un instrumento con el tiempo

Calibración de radiómetros (cont.)

Vista general de los instrumentos participantes en la Comparación Pirheliométrica y Piranométrica Nacional 2001, del 15 al 25 de Mayo, Hermosillo, Sonora.

Calibración de radiómetros (cont.)

Equipos de referencia para la comparación

Métodos de calibración

Comparación directa con otro piranómetro/pirheliómetro

Método de sol y sombra. Comparación de un piranómetro con un pirheliómetro estándar de referencia. Se mide alternativamente radiación global y difusa con el piranómetro. Se mide radiación directa con el pirheliómetro.

ref

promref

CVV

C

pirhel

prompirhel

sombrasol cos/)(C

VVV

C z

Ajuste de constante por comparación con un piranómetro de referencia

Piranómetros: PSP 29109F3 vs PSP-17759F3CPPN, Hermosillo, Son.

0

200

400

600

800

1000

1200

19-5-01 20-5-01 21-5-01 22-5-01 23-5-01 24-5-01

Fecha

Irra

dia

ncia

, W

/m2

Referencia Con Constante Anterior Con Constante Nueva

Resultados de la comparación nacional 2001 Instrumento Institución

Radiómetro Estándar de Referencia

AHF No. 29223 CR-ORS, UNAM Constante

Anterior Constante

Nueva Razón

vs AHF

(d.e.)

V/(W/m²) V/(W/m²) (%) Pirheliómetros

NIP No. 28026E6 Referencia

8.69

8.62

0.9917

0.0060

-0.83

CR-ORS, UNAM

NIP No. 31821E6 8.42 8.33 0.9894 0.0070 -1.06 CIE, UNAM Piranómetros

PSP No. 17759F3 Referencia

9.12

8.91

0.9767

-2.33

CR-ORS, UNAM

PSP No. 29129F3 9.63 9.49 0.9857 0.0048 -1.43 CIE, UNAM PSP No. 29114F3 9.59 8.59 0.8962 0.0021 -10.38 ITSON PSP No. 18533F3 10.50 9.29 0.8845 0.0015 -11.55 DIQ, UNISON PSP No. 32798F3 7.89 7.89 0.9997 0.0036 -0.03 CIE, UNAM PSP No. 29109F3 10.11 9.45 0.9347 0.0021 -6.53 DF, UNAH K&Z No. 913697 4.60 4.74 1.0297 0.0017 2.97 CR-ORS, UNAM K&Z No. 913604 4.78 4.91 1.0264 0.0023 2.64 SMN, SONORA K&Z No. 920477 13.31 13.30 0.9989 0.0024 -0.11 IMADES K&Z No. 920496 14.85 14.78 0.9954 0.0030 -0.46 IMADES K&Z No. 990523 73.00 68.43 0.9374 0.0028 -6.26 PRODUCE

PY No. 26816 8.00 7.98 0.9972 0.0034 -0.28 RAMA, DF PY No. 9943 4.50 4.42 0.9819 0.0030 -1.81 ITSON PY No.23430 7.00 7.21 1.0304 0.0040 3.04 DIQ, UNISON PY No. 19075 10.00 9.77 0.9768 0.0035 -2.32 PRODUCE PY No. DAG 9.00 9.24 1.0263 0.0031 2.63 DAG, UNISON

MTZ No. ZK20721 75.00 Dañado CIE, UNAM MTZ No. ZK20153 20.00 Dañado DIQ, UNISON

PSP No. 9.17 8.84 0.9638 0.0105 -3.60 U. PANAMÁ

Bibliografía

M. Iqbal, An introduction to solar radiation (Academic Press, Toronto, 1983).

J. A. Duffie, W. A. Beckman, Solar Engineering of Thermal Processes, Second Ed. (Wiley, New York, 1991).

Página electrónica de The Eppley Laboratory: www.eppleylab.com

Página electrónica de Kipp & Zonen: www.kippzonen.com

Página electrónica de Campbell: www.campbellsci.com Página del Instituto de Geofísica de la UNAM:

www.igeofcu.unam.mx