Solar 3 -Calibracion de Medidores Solares

LABORATORIO LABORATORIO DE TEMAS SELECTOS DE ENERGIA SOLAR

UNIVERSIDAD NACIONAL DEL SANTA FACULT ACULTAD DE INGENIERI INGENIERIA A ESCUELA ACADÉMICA PROFESIONAL DE INGENIERIA EN ENERGÍA

CURSO: TEMAS SELECTOS DE ENERGIA ENERGIA SOLAR SOLAR PROFESOR: NICOLAS DIESTRA LABORATORIO LABORATORIO N° 01 TITULO: TITULO: CALIBRACION CALIBRACION D MEDIDORES MEDIDORES DE RADIACION RADIACION SOLAR

GRUPO: “C”

ALUMNOS: - CAPAR CAPARACH ACHIN IN CONDORI CONDORI JUNIOR - CRIBILLERO CRIBILLERO LOPEZ LOPEZ EDUARDO EDUARDO JOEL - MENDEZ MENDEZ BENITES BENITES JHONA JHONATAN - RODRIGUEZ RODRIGUEZ JACINTO JACINTO ALEANDER ALEANDER FECHA DE REALIZACI!N REALIZACI !N DEL LABORATORIO: LABORATORIO: "#$0%$"01& FECHA DE PRESENTACI!N DE INFORME: 0&$0'$"01& 0&$0'$"01 &

1 LABORATORIO N° 01

LABORATORIO DE TEMAS SELECTOS DE ENERGIA SOLAR

“CALIBRACION DE MEDICORES DE RADIACION SOLAR”

1. OBJETIVOS: 1.1. OBJETIVOS GENERALES o Calibración de celdas solares, para la medición de la radiación solar. 1.2. OBJETIVOS ESPECIFICOS o Calibrar una celda solar, con un solarimetro patrón. o Determinar un coeficiente la relación de calibración para una celda

o

solar. Determinar y graficar las diversas curvas de calibración, que se pueden relacionar, para una celda solar.

2. FUNDAMENTO TEORICO: 2.1. CONCEPTO DE !D"!C"#N : $a radiación propagada en forma de ondas electromagn%ticas & rayos '(, rayos

gamma, rayos ), etc.* se llama radiación electromagn%tica, mientras que la llamada radiación corpuscular es la radiación transmitida en forma de part+culas subatómicas & part+culas , part+culas -, neutrones, etc.* que se mueven a gran velocidad, con apreciable transporte de energ+a. " LABORATORIO N° 01


i la radiación transporta energ+a suficiente como para provocar ioni/ación en el medio que atraviesa, se dice que es una radiación ioni/ante. En caso contrario se 0abla de radiación no ioni/ante. El car1cter ioni/ante o no ioni/ante de la radiación es independiente de su naturale/a corpuscular u ondulatoria. on radiaciones ioni/antes los rayos ), rayos 2, part+culas  y parte del espectro de la radiación '( entre otros. Por otro lado, radiaciones como los rayos '( y las ondas de radio, T( o de telefon+a móvil, son algunos e3emplos de radiaciones no ioni/antes. 2.2. $! !D"!C"#N O$!4 2.2.1. CONCEPTO4 El ol es una estrella que se encuentra a una temperatura media de 5666 7, en cuyo interior tienen lugar una serie de reacciones de fusión nuclear que producen una p%rdida de masa que se transforma en energ+a. Esta energ+a liberada del ol se transmite al e8terior mediante la radiación solar. $a radiación solar es el flu3o de energ+a que recibimos del sol en forma de ondas electromagn%ticas de diferentes frecuencias &lu/ visible, infrarro3a y ultravioleta*. $a lu/ visible son las radiaciones comprendidas entre 6,9 :m y 6,; :m pueden ser detectadas por el o3o 0umano. E8isten radiaciones situadas en la parte infrarro3a del espectro de la cual una parte es ultravioleta. No toda la radiación alcan/a la superficie de la Tierra, pues las ondas ultravioletas, m1s cortas, son absorbidas por los gases de la atmósfera fundamentalmente por el o/ono. $a magnitud que mide la radiación solar que llega a la Tierra es la irradiancia, que mide la energ+a que, por unidad de tiempo y 1rea, alcan/a a la Tierra. u unidad es el <=m> &vatio por metro cuadrado*.

2.3. CE$D! O$!E 4 ( LABORATORIO N° 01


$as c%lulas o celdas solares son dispositivos que convierten energ+a solar en electricidad, ya sea directamente v+a el efecto fotovoltaico, o indirectamente mediante la previa conversión de energ+a solar a calor o a energ+a qu+mica. $a forma m1s com?n de las celdas solares se basa en el efecto fotovoltaico, en el cual la lu/ que incide sobre un dispositivo semiconductor de dos capas produce una diferencia del foto volta3e o del potencial entre las capas. Este volta3e es capa/ de conducir una corriente a trav%s de un circuito e8terno de modo de producir traba3o ?til. 2.3.1. @'NC"ON!A"ENTO Para entender la operación de una c%lula fotovoltaica, necesitamos considerar la naturale/a del material y la naturale/a de la lu/ del sol. $as celdas solares est1n formadas por dos tipos de material, generalmente silicio tipo p y silicio tipo n. $a lu/ de ciertas longitudes de onda puede ioni/ar los 1tomos en el silicio y el campo interno producido por la unión que separa algunas de las cargas positivas &Bagu3erosB* de las cargas negativas &electrones* dentro del dispositivo fotovoltaico. $os agu3eros se mueven 0acia la capa positiva o capa de tipo p y los electrones 0acia la negativa o capa tipo n. !unque estas cargas opuestas se atraen mutuamente, la mayor+a de ellas solamente se pueden recombinar pasando a trav%s de un circuito e8terno fuera del material debido a la barrera de energ+a potencial interno. Por lo tanto si se 0ace un circuito se puede producir una corriente a partir de las celdas iluminadas, puesto que los electrones libres tienen que pasar a trav%s del circuito para recombinarse con los agu3eros positivos.

2.4 AED"DOE DE !D"!C"ON O$! 2.4.1 O$!"AETO % LABORATORIO N° 01


'n piran!"#r$ &tambi%n

llamado %$&ar'!"#r$ y a(#in!"#r$*

es

un

instrumento meteorológico utili/ado para medir de manera muy precisa la radiación solar incidente sobre la superficie de la tierra. e trata de un sensor diseado para medir la densidad del flu3o de radiación solar &ilovatios por metro cuadrado* en un campo de F6 grados. 2.4.1.1 D!TO GENE!$E Generalmente se utili/an tres medidas de radiación4 semiesf%rica total, difusa y directa. Para las medidas de radiación difusa y semiesf%rica la radiación directa se suprime utili/ando un disco parasol. El principio f+sico utili/ado generalmente en la medida es un termopar sobre el que incide la radiación a trav%s de dos c?pulas semiesf%ricas de vidrio. $as medidas se e8presan en kW / m² . 2.4.1.2 T"PO

a* P"!NOAETO TEA"CO 'n e3emplo de piranómetro es el de Kipp y Zonen, que se constituye por una pila termoel%ctrica contenida en un alo3amiento con dos 0emiesferas de cristal. $a pila termoel%ctrica est1 constituida por una serie de termopares colocados 0ori/ontalmente, cuyos e8tremos est1n soldados con unas barras de cobre verticales solidarias a una placa de latón maci/a. El con3unto est1 pintado con un barni/ negro, para absorber la radiación. El flu3o de calor originado por la radiación se transmite a la termopila, gener1ndose una tensión el%ctrica proporcional a la diferencia de temperatura entre los metales de los termopares. Para medir la radiación difusa es necesario tapar el sensor de radiación directa mediante una pantalla parasol, midiendo la irradiancia solar difusa &piranómetro de difusa*. 'na variante es el perheliógrafo, un pir0eliómetro dotado de un dispositivo registrador. El espectro de la radiación solar se e8tiende entre H66 y IF66 nm. Esto indica que un piranómetro debe cubrir ese espectro con una sensibilidad lo m1s JplanaK posible. Para medir la radiación solar, se requiere que la respuesta al flu3o de radiación var+e con el coseno del 1ngulo de incidencia. Por e3emplo, m18ima respuesta ' LABORATORIO N° 01


cuando el flu3o incide perpendicularmente sobre el sensor &6 grados*, respuesta nula cuando el ol est1 en el0ori/onte &L6 grados* o valores intermedios de respuesta, cuando el 1ngulo de incidencia est1 entre los anteriores. •

•

•

$a termopila, formada por sectores blancos y negros, es capa/ de absorber la radiación solar en un rango entre los H66 y los M6666 nm. y tiene una respuesta casi perfecta al coseno del 1ngulo de incidencia. $a c?pula de cristal limita la respuesta al rango de H66 a IF66 nm. preservando un campo de visión de F6 grados. Otra función de la c?pula es la de proteger la termopila de la convección. $as bandas negras del sensor &termopila* absorben la radiación solar que se transforma en calor. Este calor fluye atravesando los sensores 0acia el cuerpo del piranómetro, proporcionando una seal el%ctrica proporcional a la radiación incidente.

b* P"!NOAETO @OTO(O$T!"CO Otro tipo de piranómetros son los fotovoltaicos. En ellos, el principio de funcionamiento no es t%rmico como en el caso anterior sino que tiene como fundamento el efecto fotoel%ctrico. $a radiación incide sobre un fotodiodo que es capa/ de diferenciar el espectro solar por la frecuencia de la onda electromagn%tica, y de ese modo, mediante la lectura de volta3e, conocer los datos de radiación. Dada su naturale/a, en este tipo de piranómetros es posible adosar filtros de ciertas bandas del espectro solar, por medio de alg?n domo de vidrio impregnado con el filtro deseado. Por otro lado, son m1s sensibles a pequeas & LABORATORIO N° 01


irregularidades y cambios debido a que no tienen la inercia t%rmica que s+ tienen los t%rmicos.

3. ANTECEDENTES: 3.1 "N@OAE4 C!$"!C"ON DE "NT'AENTO DE AED"C"ON O$!Q En los últimos años, y debido al crecimiento de la potencia fotovoltaica !"# instalada, a$mentó de forma notable la actividad en el %&E'() de calibración de instr$mentos de medida de radiación solar, especialmente c*l$las solares fotovoltaicas de tecnolog+a e$ivalente, piranómetros, pirheliómetros y espectro radiómetros, tanto en laboratorio como en las propias centrales solares .ara la calibración de los sensores y transd$ctores de medida de radiación solar, el laboratorio dispone de procedimientos tanto en eterior a sol real como en interior con l0mparas patrón o sim$ladores solares- Estos procedimientos se

) LABORATORIO N° 01


basan en normas internacionales1 de la serie &E% 23435 en el caso de c*l$las solares e &67 en el caso de piranómetros y pirheliómetros-

CIEMAT) MADRID * ESPA+A) 2,,-

3.2 "N@OAE4 Calibración E8terna Conforme a los requisitos de la NormaR "O L664I66F = NA)RCCRL66R"ANCRI66FQ 8a calibración de los instr$mentos permite conocer la desviación de la medición y la confiabilidad del mismo, para ello9 $tili:amos instr$mentos calibrados y 'ateriales de ;eferencia %ertificados con tra:abilidad a .atrones
TMP E/UIPOS) ME0ICO) 2,1,

3.3 "N@OAE4 "nstalación de la Estación de Aedición olar C'CEO ""Q El calibrado o calibración de procesos sirven b0sicamente en la t*cnica de medición, control y reg$lación para el a=$ste y la verificación en instalaciones de control e instr$mentación- El calibrador tiene diferentes magnit$des $e deben ser atrib$idas a señales de medida normali:adas-

CENMA) SANTIGO DE CILE) FEBRERO DEL 2,13

4. MATERIALES  E/UIPOS: 4.1. A!TE"!$E4 @ormato de 0o3as para el llenado de datos. $apiceros, l1pices, etc. • •

F+,./ N°1 H2/ 34 5546/3 34 3/78 * LABORATORIO N° 01


4.2. ES'"PO4 illas y una mesa móvil de traba3o. 'na laptop y cables de adquisición de datos. • •

4.3. "NT'AENTO4  medidor de radiación solar patrón. Celdas solares.  sensor o termistor para medir la temperatura. I mult+metros.  anemómetro.  medidor de 0umedad de aire.  br?3ula.  sensor de la dirección de viento o rosa de viento . • • • • • • • •

. .

@igura NI4 adiómetro

@igura NH4 Celda solar

# LABORATORIO N° 01


@igura N94 Ault+metros

@igura NM4 !nemómetro y termocupla

@igura N54 ensor de la velocidad del viento . PROCEDIMIENTO: a* Determinar el lugar de ubicación para la pr1ctica, teniendo en cuenta que no

tenga sombra por 1rboles, paredes o edificios que la velocidad del viento sea moderada y el suelo sea plano. en este caso reali/amos la pr1ctica en la $osa olar. 10 LABORATORIO N° 01


b* Ua teniendo el lugar seleccionado, con ayuda de la br?3ula determinamos y marcamos los puntos cardinales. c* Trasladamos la mesa al lugar establecido teniendo en cuenta que esta est% en perpendicular a la dirección surRnorte, con un a/imut de 6. d* $uego, empe/aremos a limpiar y ubicar sobre la mesa la celda solar en forma 0ori/ontal y con dirección perpendicular al surR norte. e* eguidamente reali/amos las cone8iones necesarias de la celda solar a los instrumentos de medición de corriente y volta3e. f* Colocamos sobre la mesa el solarimetro patrón de forma vertical y el sensor para medir la temperatura ambiente.

@igura N;4 "nstalación del equipo de medición g* $uego de 0aber instalado el equipo de medición en forma correcta como se nos especifica anteriormente, procedemos a reali/ar la toma de datos cada M minutos del volta3e e intensidad de corriente de la celda solar velocidad de viento, radiación solar terrestre, temperatura y 0umedad del ambiente.

. ANALISIS  RESULTADOS: ;+467

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11 LABORATORIO N° 01


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5. CONCLUSIONES: e logró determinar el coeficiente de la relación de calibración para la celda solar, el rango del coeficiente 7Q esta entre V5R;9W.

Podemos concluir del grafico de adiación y 0umedad del aire y adiación vs Corriente de Celda, que es directamente proporcional con la adiación solar. e concluyó a partir del grafico de adiación y tensión de la celda , que la tensión de la celda solar, no var+a, y casi se mantiene constante en el transcurso del d+a. -. CUESTIONARIO: 1. ¿A qué se llama efecto fotovoltaico?

Consiste en la emisión de electrones por un material al incidir sobre %l una radiación electromagn%tica .

Cuando un electrón libre del metal es golpeado por un fotón, absorbe la energ+a del mismo. i el fotón tiene la suficiente energ+a, el electrón es e8pulsado del metal.

1% LABORATORIO N° 01


2.

¿Qué entiende por calibración?

$a calibración es el proceso de comparar los valores obtenidos por un instrumento de medición con la medida correspondiente de un patrón de referencia. $a calibración permite determinar la desviación de medición y otras propiedades metrológicas como deriva, 0ist%resis, linealidad, reproducibilidad, etc. Aediante los resultados de calibración se puede determinar las correcciones a aplicar en las indicaciones de los instrumentos. 3. ¿Cuáles son los parámetros para una correcta calibración?  Error de medición esultado de una medición menos un valor verdadero del

mensurando.  !esviación (alor medido menos su valor de referencia.  Error relativo Es la relación entre el error de medida y un valor verdadero del mensurando. (alor del mensurando recogido en el patrón. El error relativo se suele e8presar tambi%n en forma porcentual4 66 X.  Error sistemático er+an debidos a causas que podr+an ser controladas o eliminadas por e3emplo medidas reali/adas con un aparato averiado o mal calibrado.  Corrección

(alor sumado algebraicamente al resultado sin corregir de una

medición para compensar un error sistem1tico. De lo que se deduce que la corrección, o bien sea refle3ada en la 0o3a de calibración o bien minimi/ada mediante el a3uste, solo aplica a las derivas de los instrumentos.  A"uste !l proceso de corrección se le denomina a3uste, y es la operación destinada a llevar a un instrumento de medida a un estado de funcionamiento conveniente para su utili/ación. El a3uste puede ser autom1tico, semiautom1tico o manual. 1' LABORATORIO N° 01


 #atrón primario

Patrón que es designado o ampliamente reconocido como

poseedor de las m1s altas cualidades metrológicas y cuyo valor se acepta sin referirse a otros patrones de la misma magnitud. Patrón secundario4 Patrón cuyo valor se establece por comparación con un patrón primario de la misma magnitud.  #atrón de referencia

Patrón, en general de la m1s alta calidad metrológica,

disponible en un lugar dado o en una organi/ación determinada, del cual se derivan las mediciones reali/adas en dic0o lugar. Patrón de traba3o4 Patrón que se utili/a corrientemente para calibrar o controlar 

medidas materiali/adas, instrumentos de medida o materiales de referencia. #atrón de medida (alor de medición materiali/ado, aparato o sistema de medida con el que se intenta definir, reali/ar, conservar, o reproducir una unidad f+sica o bien uno o varios valores conocidos de una magnitud con el fin de que sirvan de comparación a otros elementos de medida.

$. ¿Cómo influ%e la temperatura del aire en las mediciones de la celda solar % sensor?

La #"!p"ra#6ra a7"(#a de manera considerable a la #"n%in, tal y como

muestra la figura siguiente4

Co mo se aprecia &a #"n%in 8"& (ir(6i#$

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#"!p"ra#6ra. La in#"n%i8a8 8" ($r#$(ir(6i#$, sin embargo, a6!"n#a (6an8$ a6!"n#a &a #"!p"ra#6ra, aunque la variación es muy pequea y a efectos

pr1cticos %" ($n%i8"ra ($n%#an#".

1& LABORATORIO N° 01


&. ¿Cómo influ%e la velocidad del aire en las mediciones de la celda solar % sensor?

$a velocidad del aire puede server de ventilación para la celda solar, 0aciendo que esta disminuya su temperatura y por ende traba3ar en una escala donde pueda producir un mayor volta3e. '. ¿Cuál es la relación entre la tensión de la celda o sensor % la intensidad de radiación solar?

$a tensión y corriente genera en una c%lula o celda solar depende directamente de la iluminación recibida. (a tensión de circuito abierto var)a poco con la radicación solar, aunque tambi%n decrece, a efectos pr1cticos se puede considerar constante.

*. ¿Cuál es la relación entre la corriente de la celda o sensor % la intensidad de radiación solar?

La ($rri"n#" 8" de la c%lula es directamente proporcional a la radicación solar como

se muestra en la figura siguiente, disminu%endo a medida que se

reduce la radiación solar

+. Estable,ca una relación emp)rica o ecuación que determine la radiación solar en función de las otras

1) LABORATORIO N° 01


-. #ara el caso de la celda o sensor bastar)a con epresar la intensidad de la radiación en función de un solo parámetro ¿cuál seria % porque? .ara el caso de la celda solar, para epresar la radiación en f$nción de $n solo

par0metro seria en f$nción de la intensidad de corriente 8a ra:ón del por $* radica en $e al graficar este par0metro con la radiación solar eperimenta $n comportamiento m$cho m0s estable o lineal, el c$al nos da $na pista m$cho m0s fiable acerca de s$ comportamiento con respecto a los dem0s par0metros1/. Estable,ca la correcta ecuación de calibración de la celda0 panel o sensor asinado a fin de reali,ar posteriores mediciones

. BIBLIOGRAFIA:  Aoro Pieiro,

Aar+a

&I666*. 'etrolog+a1

instr$mentos. 'niversidad de Oviedo. p. 

introd$cción,

conceptos

e

96.

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!pril

I65,

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0ttps4==YYY.pceR

instruments.com=espanol=instrumentoRmedida=medidor=radiometroRpceR instrumentsRradi\metroRpceRspmRRdet\HFF9H.0tm]\list^at_\listpos^9

1* LABORATORIO N° 01


 Energ+a solar y s$s beneficios >?$* es el efecto fotovoltaico@ .

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 El papel de la calibración en el sector energ*tico.

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1# LABORATORIO N° 01

Solar 3 -Calibracion de Medidores Solares

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