Métodos de medición de la radiación solar utilizando pirheliómetro y piranómetro

Todos sabemos que la vida se sostiene en la tierra gracias al sol, ya que proporciona suficiente energía térmica para mantener la tierra caliente. Esta energía es entregada por el sol en forma de radiación electromagnética que generalmente se llama radiación solar. Parte de la radiación es beneficiosa para los humanos, mientras que otra radiación es dañina para toda la vida.

Para alcanzar la radiación solar a la superficie de la tierra, debe atravesar la atmósfera donde se absorbe, se dispersa, se refleja y se transmite, lo que resulta en la reducción de la densidad de flujo de energía. Esta reducción es muy significativa ya que más del 30% de la pérdida ocurre en un día soleado y en un día nublado llega hasta el 90%. Por lo tanto, la radiación máxima que llega a la superficie terrestre a través de la atmósfera nunca será superior al 80%.

El flujo solar es muy importante de medir, ya que es la base de la vida en la tierra y se utiliza en la construcción de muchos productos, ya sea relacionados con la electrónica, cultivos, medicinas, cosméticos, etc. En este tutorial, aprenderemos sobre la radiación solar y su medición y también aprenderá sobre los dos instrumentos de medición de energía solar más populares: pirheliómetro y piranómetro.

Radiación de haz y radiación difusa

La radiación que percibimos en la superficie es tanto radiación directa como indirecta del sol. La radiación que proviene directamente del sol es radiación directa y se llama radiación de haz. La radiación dispersa y reflejada que se envía a la superficie terrestre desde todas las direcciones (reflejada por moléculas, partículas, cuerpos de animales, etc.) es radiación indirecta y se llama radiación difusa. Y la suma de ambos, el haz y la radiación difusa, se define como radiación global o radiación total.

Es importante diferenciar entre la radiación del haz y la radiación difusa porque la radiación del haz se puede concentrar mientras que la radiación difusa no. Hay muchos instrumentos de medición de radiación solar que se utilizan para medir la radiación del haz y la radiación difusa.

Ahora echemos un vistazo al espectro de radiación electromagnética en el siguiente diagrama.

En todo el espectro, solo consideramos las longitudes de onda de los rayos UV a los rayos IR para calcular el flujo solar, porque la mayoría de las ondas de alta frecuencia del sol no llegan a la superficie y la radiación de baja frecuencia después del IR no es confiable. Por lo tanto, la radiación o flujo solar generalmente se mide desde rayos UV hasta rayos IR y los instrumentos también están diseñados así.

Los instrumentos de medición de la radiación solar son de dos tipos:

Pirheliómetro
Piranómetro

Antes de comenzar a trabajar con estos instrumentos, debe comprender un par de conceptos que se utilizan al diseñar los dispositivos. Así que ahora analicemos esos conceptos.

Radiación de cuerpo negro

Un cuerpo negro suele absorber todas las radiaciones sin volver a emitir nada a la atmósfera y más puro el cuerpo negro más perfecta la absorción. El hecho es que hasta ahora no hay un cuerpo negro perfecto, por lo que normalmente nos conformamos con el segundo mejor. Después de que el cuerpo negro absorbe la radiación, se calienta, ya que la radiación en sí es energía y, después de la absorción, los átomos del cuerpo salen. Este cuerpo negro se utiliza como componente central en instrumentos de medición de radiación solar. Frente al cuerpo negro, un cuerpo blanco refleja toda la radiación que cae sobre él de regreso a la atmósfera por eso nos sentiremos más cómodos vistiendo ropa blanca durante el verano.

Par termoeléctrico

El termopar es un dispositivo simple construido con dos conductores hechos de material diferente como se muestra en la figura.

Aquí dos cables están conectados para formar un bucle con dos uniones y estas uniones se designan como 'A' y 'B'. Ahora una vela se acerca al cruce 'A' mientras que el cruce 'B' se deja solo. Con la vela presente en la unión en 'A', su temperatura aumenta considerablemente mientras que la unión B permanece fría a temperatura ambiente. Debido a esta diferencia de temperatura, aparece un voltaje (diferencia de potencial) en las uniones de acuerdo con el ' efecto Seebeck'. Como el circuito está cerrado una corriente 'I' fluye a través del circuito como se muestra en la figura y para medir esta corriente conectaremos un amperímetro en serie. Es importante recordar que la magnitud de la corriente 'I' en el bucle es directamente proporcional a la diferencia de temperaturaen las uniones, por lo que las diferencias de temperatura más altas dan como resultado una mayor magnitud de la corriente. Entonces, al obtener la lectura del amperímetro, podemos calcular la diferencia de temperatura en las uniones.

Ahora, una vez cubiertos los conceptos básicos, veamos la construcción y el funcionamiento de los instrumentos de medición de la radiación solar.

Pirheliómetro Trabajo y construcción

El pirheliómetro es un dispositivo que se utiliza para medir la radiación de haz directo con incidencia normal. Su estructura exterior parece un tubo largo que proyecta la imagen de un telescopio y tenemos que apuntar la lente hacia el sol para medir el resplandor. Aquí aprenderemos el principio de funcionamiento del pirheliómetro y su construcción.

Para comprender la estructura básica del Pirheliómetro, observe el diagrama que se muestra a continuación.

Aquí la lente apunta hacia el sol y la radiación pasará a través de la lente, el tubo y al final caerá sobre el objeto negro presente en la parte inferior. Ahora, si volvemos a dibujar toda la estructura interna y el circuito de una manera más simple, se verá más abajo.

En el circuito, se puede ver que el cuerpo negro absorbe la radiación que cae de la lente y, como se discutió anteriormente, un cuerpo negro perfecto absorbe completamente cualquier radiación que cae sobre él, por lo que la radiación que cae dentro del tubo es absorbida por el objeto negro por completo. Una vez que la radiación es absorbida, los átomos del cuerpo se excitan debido al aumento de la temperatura de todo el cuerpo. Este aumento de temperatura también lo experimentará la unión del termopar 'A'. Ahora, con la unión 'A' del termopar a alta temperatura y la unión 'B' a baja temperatura, tiene lugar un flujo de corriente en su bucle como se describe en el principio de funcionamiento del termopar. Esta corriente en el bucle también fluirá a través del galvanómetro que está en serie y, por lo tanto, provocará una desviación en él. Estala desviación es proporcional a la corriente, que a su vez es proporcional a la diferencia de temperatura en las uniones.

Desviación ∝ Corriente en bucle ∝ Diferencia de temperatura en las uniones.

Ahora intentaremos anular esta desviación en el galvanómetro con la ayuda del circuito. El proceso completo para anular la desviación se explica paso a paso a continuación.

Primero, cierre el interruptor en el circuito para iniciar el flujo de corriente.
La corriente fluye como,

Batería -> Interruptor -> Conductor metálico -> Amperímetro -> Resistencia variable -> Batería.

Con esta corriente fluyendo a través del conductor de metal, su temperatura aumenta hasta cierto punto.
Al estar en contacto con el conductor metálico, la temperatura de la unión 'B' también aumenta. Esto reduce la diferencia de temperatura entre la unión 'A' y la unión 'B'.
Debido a la reducción de la diferencia de temperatura, el flujo de corriente en el termopar también disminuye.
Dado que la desviación es proporcional a la corriente, la desviación del galvanómetro también disminuye.
En resumen, podemos decir: la desviación en el galvanómetro se puede reducir ajustando el reóstato para cambiar la corriente en el conductor de metal.

Ahora siga ajustando el reóstato hasta que la desviación del galvanómetro se anule por completo. Una vez que esto sucede, podemos obtener lecturas de voltaje y corriente de los medidores y hacer un cálculo simple para determinar el calor absorbido por el cuerpo negro. Este valor calculado se puede utilizar para determinar la radiación, ya que el calor generado por el cuerpo negro es directamente proporcional a la radiación. Este valor de radiación no es otro que la radiación solar de haz directo que se desea medir desde el principio. Y con esto, podemos concluir el funcionamiento del Pirheliómetro.

Trabajo y construcción del piranómetro

El piranómetro es un dispositivo que se puede utilizar para medir tanto la radiación del haz como la radiación difusa. En otras palabras, se utiliza para medir la radiación hemisférica total (haz más difuso en una superficie horizontal). Aquí aprenderemos sobre el principio de funcionamiento del piranómetro y su construcción.

El dispositivo parece un platillo OVNI que tiene la forma más adecuada para su propósito. Este dispositivo es más popular que los demás y la mayoría de los datos de recursos solares actuales se miden con él. Puede ver la imagen original y la estructura interna del piranómetro a continuación.

Aquí la radiación de la atmósfera circundante atraviesa la cúpula de vidrio y cae sobre el cuerpo negro situado en el centro del instrumento. Como antes, la temperatura del cuerpo aumenta después de absorber toda la radiación y este aumento también lo experimentará la cadena de termopar o el módulo de termopar presente directamente debajo del cuerpo negro. Por tanto, un lado del módulo estará caliente y el otro frío debido al disipador de calor. El módulo de termopar genera un voltaje y esto se puede ver en los terminales de salida. Esta tensión recibida en los terminales de salida es directamente proporcional a la diferencia de temperatura según el principio de un termopar.

Como sabemos que la diferencia de temperatura está relacionada con la radiación absorbida por el cuerpo negro, podemos decir que el voltaje de salida es linealmente proporcional a la radiación.

De manera similar al cálculo anterior, el valor de la radiación total se puede obtener fácilmente a partir de este valor de voltaje. También mediante el uso de la sombra y siguiendo el mismo procedimiento, también podemos obtener la radiación difusa. Con el valor de radiación total y de radiación difusa, también se puede calcular el valor de radiación del haz. Por tanto, podemos calcular tanto la radiación solar difusa como la radiación total utilizando Piranómetro.