Laboratorio 1. Determinación de la constante de calibración ca libración de un piranómetro y medición de irradiancia solar.
Objetivos.
Conocer diferentes alternativas de Piranómetros, su funcionamiento y el tipo de irradiancia solar que miden. Determinar las constantes que relaciona la señal de salida de un Piranómetro específico con la irradiancia medida. MARCO TEÓRICO.
Generalidades Actualmente en el mundo, existe una crisis energética que ha empujado a la humanidad a buscar nuevas formas de generación de energía eléctrica indispensables para los procesos productivos en industrias de todo tipo. Además de esto, hay un problema que se ha presentado en los últimos años: el cambio climático; por lo cual se está optando por investigar nuevas tecnologías de generación de electricidad, que sean amigables con el medio ambiente y que no generar desechos peligrosos para la salud, como sucede con aquellas tecnologías basadas en combustibles fósiles. Por esto, se ha optado por aprovechar un recurso ilimitado y limpio como lo es la energía solar; en general, este tipo de energía puede ser aprovechado de dos formas, solar térmica de baja y alta temperatura, mayor de 300 °C, y solar fotovoltaica generando energía eléctrica directamente aprovechando el efecto fotoeléctrico fotoeléctrico de algunos material es como el silicio. La tecnología más utilizada es la energía solar fotovoltaica, generando directamente la energía eléctrica DC a través de paneles solares de diferentes tecnologías de fabricación. La diferencia entre las tecnologías de fabricación tiene que ver principalmente con la eficiencia y la relación de costo precio/watt instalado. Ahora que se menciona el costo de un watt instalado, es necesario establecer la cantidad de módulos a instalar para alimentar una carga definida. Para ello se debe conocer el valor de energía irradiada por el sol sobre la superficie colectora con la ayuda de instrumentos de medición llamados Piranómetros. A partir de esta información se determina la cantidad de energía en KWh/m2 que puede generarse en el lugar de instalación y el tamaño del sistema FV.
Figura 1. Representación del efecto fotoeléctrico.
Figura 2. Gráfica Típica de Irradiancia Solar Hay que tomar en cuenta que la energía irradiada a lo largo del día varía con la hora, la época del año y la posición geográfica (Latitud) del lugar debido a los cambios en la declinación solar. Por ello no basta con medir un día la irradiancia solar, sino que debe realizarse un estudio a l o largo de un año, por lo menos, para obtener resultados que puedan ser utilizados para predecir cuánto producirá una planta FV.
Componentes de la Irradiancia.
Irradiancia Directa. Ésta componentes es la proveniente directamente del sol, incide perpendicularmente sobre la superficie de captación. En la figura 3, se observa su representación junto a las demás componentes de la irradiancia. Es importante considerar que su cálculo no se limita a las coordenadas solares debido a la influencia de la atmósfera sobre los rayos que inciden sobre ella. Para su medición se utiliza un pirheliómetro como el que se observa en la figura 4a. Irradiancia Difusa. Ésta componente es la irradiancia que se difracta en la atmósfera y en las nubes cambiando su dirección y ángulo de incidencia sobre la superficie colectora. P ara
su medición se puede utilizar un Piranómetro de sensor o uno de termopila con un anillo de sombra que bloquee los rayos que incidan perpendicularmente sobre la superficie del sensor.
Irradiancia Reflejada. Como su nombre lo indica, esta componente corresponde a la irradiancia que se refleja en las superficies que rodean a la superficie colectora, sean paredes, árboles, o incluso el suelo.
Irradiancia Global. Comprende todas las componentes anteriores. Para su medición, se utiliza un piranómetro de termopila o un piranómetro como el que se muestra en la figura 4 c).
Figura 3. Componentes de Irradiancia Solar
a)
b)
c)
d) Fi ura 4. Ti os de Piranómetros
Tipos de Piranómetros.
Piranómetro Termoeléctrico. La pila termoeléctrica está constituida por una serie de termopares colocados horizontalmente, cuyos extremos están soldados con unas barras de cobre verticales soldadas a una placa de latón maciza. El conjunto está pintado con un barniz negro, para absorber la radiación. El flujo de calor originado por la radiación se transmite a la termopila, generándose una tensión eléctrica proporcional a la diferencia de temperatura entre los metales de los termopares. De éste tipo son los observados en la figura 4 c). Piranómetro Fotovoltaico. Estos poseen como elemento sensor una célula fotovoltaica, generalmente de silicio mono cristalino. Las fotocélulas tienen la propiedad de producir corriente eléctrica cuando son iluminadas, siendo esta corriente, en condiciones de corto circuito, proporcional a la intensidad de radiación incidente. El que se encuentra disponible en el laboratorio es el de la figura 4 d). Se trata de un sensor de radiación solar estable térmicamente y de salida alta basado en una fotocélula de silicio. Se calibra en luz de día contra un piranómetro de precisión basado en termopilas. Mide la radiación solar de onda corta. El piranómetro de este tipo es el de la figura 4 b). Piranómetro de Sensor.
Como todo instrumento de medición existen parámetros que definen la precisión y exactitud del medidor, lo cual determina si puede ser utilizado como patrón para calibrar otros piranómetros de precisión inferior. A continuación se presenta una tabla que muestra los parámetros a considerar los cuales han sido establecidos por la Organización Meteorológica Mundial OMM.
Parámetro Resolución (variación mínima detectable en W m-2) Estabilidad (tanto por ciento de totalidad de escala, variación/año) Respuesta cosenoidal (tanto por ciento de desviación respecto de la ideal para una altura solar de 10º en un día despejado) Respuesta azimutal (tanto por ciento de desviación de la media para una altura solar de 10º en un día despejado) Respuesta de temperatura (tanto por ciento de error máximo debido a variación de la temperatura ambiente dentro del intervalo de operación) No linealidad (tanto por ciento de totalidad de escala) Sensibilidad espectral (tanto por ciento de desviación de la absorbancia media 0,3 a 3 μm) Tiempo de respuesta (respuesta del 99%) Nota.
Patrón secundario ±1 ±1 <± 3
Primera clase ±5 ±2 <± 7
Segunda clase ± 10 ±5 <± 15
<± 3
<± 5
<± 10
±1
±2
±5
± 0.5 ±2
±2 ±5
±5 ± 10
<25 s
<1 min
<4 min
En los anexos se encuentran las especificaciones de los Piranómetros utilizados en el laboratorio.
Constante K Como se ha mencionado anteriormente, el Piranómetro únicamente está conformado por un transductor, obteniendo así una señal de corriente o de voltaje directamente proporcional a la irradiancia medida. Teniendo esto, es necesario determinar la constante por la cuál debe ser multiplicada la salida del instrumento, para cuantificar la irradiancia I, o diseñar una etapa de adquisición de datos o de conversión AD para su interpretación.
=∙ Donde K: Constante del piranómetro dada en [V / (Wm-2)]. Para su determinación deben realizarse múltiples mediciones con un intervalo de tiempo entre ellas para minimizar los errores introducidos, y obtener una mayor aproximación de la constante. En el desarrollo de la práctica se le presentarán los valores de dicha constante correspondiente a cada uno de los piranómetros para tener una referencia con la cual comparar el valor obtenido experimentalmente. DESARROLLO DEL LABORATORIO MATERIAL Y EQUIPO 2. Multímetros. 1. Piranόmetro fotovoltaico. 1. Cronometro (llevado por el estudiante) 2. Piranόmetro patrón. 1. Sensor de Radiación. 1. Banda de sombreo. 1. Brújula. 1. Cámara fotográfica (Opcional provista por el estudiante) 1. Inclinómetro Digital.
PRÁCTICA 1: DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE CALIBRACIÓN Paso 1: Conectar el sensor cuya constante se pretende determinar al multímetro digital y colocar este en la escala de DC [mV], de igual forma con el piranόmetro patrón.
Paso 2: Encender el piranόmetro fotovoltaico, que proporciona la lectura directa de la irradiancia global en cada instante.
Paso 3: Colocar los dos piranόmetros en una superficie horizontal uno junto al otro. En el paso 1 se obtendrán valores de tensión y en el paso 2 valores irradiancia global.
Paso 4: Tomar medidas a intervalos regulares de tiempo en los tres medidores. La constante de calibración se obtiene mediante la relación k= V /I . Realizar tres series de 10 minutos para 20 mediciones, registrando los tres parámetros anteriores para cada una de l as series calcular el valor de k, utilizando para el piranόmetro patrón el valor de sensibilidad de 13 µV/(W*m¯²). En este punto puede utilizar una cámara fotográfica con el propósito de facilitar la toma de mediciones al mismo tiempo de todos los medidores y así reducir el error introducido por algún cambio momentáneo en la irradiancia.
No
Vpatron [mV]
Vsensor [mV]
I [W/m2]
Ksensor/fotov [V/Wm-2]
Ksensor/patron [V/Wm-2]
1 … 20
Paso 5: Se tomará como valor final de k, la media de los tres valores obtenidos en cada una de las series.
PRÁCTICA 2: MEDICIÓN DE IRRADIANCIA SOLAR GLOBAL Y DIFUSA, CÁLCULO DE LA DIRECTA. Se utilizarán dos Piranómetros, dispuestos para medición en el plano horizontal, uno de los cuales llevará “Banda de Sombreo” para interceptar la irradiancia directa como se muestra en la figura anterior, este deberá orientarse hacia el sur. Se medirá la irradiancia en cada uno de ellos, obteniéndose la global en el piranómetro convencional, y la difusa en aquél que lleva la “banda de sombreo”. La estimación de la irradiancia directa se realizará a partir de la relación:
Donde: G = Irradiancia Global D = Irradiancia Difusa B = Irradiancia Directa Cos(θ) = Ángulo de Incidencia
− = cos() → = cos ()
El ángulo de incidencia de los rayos solares sobre una superficie depende de su orientación (Azimuth,Ψ), Inclinación (S), declinación solar (δ), latitud geográfica (Φ) y hora solar (ω). Para una superficie orientada hacia el sur (Ψ=0) y superficies horizontales (S=0°) tenemos:
cos( ) = sin sinΦ cos cos Φ cos Nota.
Para propósitos prácticos la declinación a utilizar en la práctica puede ser obtenida directamente de la tabla en el anexo. El ángulo horario se determina a partir del mediodía solar, de la ecuación del tiempo, longitud, huso horario y hora del reloj y debe calcularse.
Realizar tres series en 10 minutos para 20 mediciones, registrando los dos tipos de irradiancia utilizar para el Piranómetro patrón el valor de sensibilidad de 13 µV/(W*m¯²). Ubique los equipos de manera que minimice la irradiancia reflejada. No 1 2 3 4 5 16 7 8 9 10 … 20
IFotovoltaico [Wm-2]
Vpatron [mV]
Vdifusa [mV]
Irradiancia directa
Asignación 1) ¿Por qué los Piranómetros fotovoltaicos se consideran como sin clasificación con respecto a l os Piranómetros termoeléctricos? 2) ¿Qué es el Albedo? 3) ¿Qué es y para que se utiliza el modelo Hottel? 4) ¿Qué es la Irradiación solar extraterrestre? 5) Para medir la irradiancia difusa, se debe de colocar un anillo de sombra al piranόmetro, pero este anillo debe de tener cierta inclinación, ¿De cuánto es esta inclinación para la practica 2, es constante para todo el año? Explique. 6) Cuando Calculamos la declinación mediante la fórmula desarrollada por Cooper, 8+ Podemos ver que al igual que la tabla dada en el anexo solo está dada para 365 días del año. ¿Qué ocurre con un año bisiesto (2012 por ejemplo)?
= 23.45sin [360
]
7) El Piranómetro se utiliza a veces para medir la radiación solar incidente sobre superficies inclinadas respecto a la horizontal ¿Cómo haríamos para medir l a radiación global reflejada? 8) La Organización Meteorológica Mundial refiere que existen varias metodologías para calibrar un Piranómetro usando como fuente el sol o los recursos del laboratorio mencione algunas de ellas. ¿Qué clasificación tiene el Piranómetro empleado como patrón en nuestra práctica? PRACTICA 1: ¿Cuál es el valor de máximo y mínimo de irradiancia global instantánea registrado mostrar grafica de t vs irradiancia?
¿Cuál es el valor de la constante de calibración del sensor con respecto al Piranómetro fotovoltaico y al termoeléctrico (Patrón)?
¿Qué consideraciones debe tomar para escoger el Piranómetro a utilizar para medir alguna de las tres componentes de irradiancia?, ¿Por qué se utiliza específicamente el Piranómetro patrón para medir irradiancia global y no el de sensor siendo ambos del tipo de termopila?
PRACTICA 2:
Mostar cálculos preliminares para el día correspondiente a la realización del laboratorio.
¿Cuál es la posición del sol a la hora de realizar la práctica (mostrar cálculos)? ¿Qué coordenada coincide con el ángulo de inclinación de la banda de sombreo?
¿Al realizar dos mediciones de irradiancia global, una en un plano horizontal y otra en un plano inclinado con un ángulo de = 15°. ¿Cuál irradiancia sería mayor y porque (esquematice) se pueden comparar estas irradiancias directamente explique?
Calcular la irradiancia directa mediante la fórmula = cos + , realizar los cálculos -2 = 10 / utilizando la constante de calibración de para los sensores y
/
=13
-2
Para el piranόmetro patrón y realizar el mismo procedimiento para el valor de calculado en la práctica 1 calcular el % de error.
Para el período de medición, grafique la irradiancia global, difusa y directa. ¿Se aproximan a las gráficas representadas en la figura 3? Determine el % de difusa y directa.
Verificar que la irradiancia difusa no supera, por término medio, el 15% de la irradiancia global en días despejados, y que su valor absoluto no es mayor de 400 W·m-2 en días cubiertos, también por término medio. Se cumple esto con los datos obtenidos es su práctica explique.
