Lección

MEDICIÓN DE LA RADIACIÓN SOLAR

Instalación de estación de medición en la región de Atacama, Chile

Las observaciones meteorológicas para el pronóstico del tiempo han sido hechas de forma regular por siglos. No obstante, los datos adquiridos solamente pueden ser evaluados e interpretados luego de haber sido registrados en condiciones atmosféricas de mediano y largo plazo con un buen nivel estadístico de calidad y verificación.

En la actualidad, el transporte y las comunicaciones tanto por tierra, aire y mar no podrían mantenerse sin datos en tiempo real, los que son mayormente recolectados desde mediciones y observaciones en la atmósfera cercana a la superficie de la tierra. Los principales parámetros en este campo son:

  • Velocidad del tiempo y dirección
  • Temperatura del aire
  • Presión del aire
  • Humedad del aire
  • Precipitaciones
  • Neblina y contenidos del aire
  • Radiación solar y terrestre

Estos parámetros son también significantes para evaluar la contaminación del aire, riesgos de avalancha, la industria de energías renovables, agricultura, deforestación, recursos hídricos, planificación de expansión de pueblos y ciudades, y muchos más.

Radiación solar en el mundo ©3TIER

La estructura de la atmósfera cercana a la superficie es muy importante para las condiciones ambientales locales. Al conocer tanto la radiación solar como la humedad y temperatura del aire se pueden evaluar las reacciones químicas de la contaminación presente en el ambiente.

Todos los parámetros meteorológicos están sujetos a variaciones al corto plazo, normalmente causadas por turbulencias dentro de la atmósfera, y estas están influenciadas por la radiación solar, directa o indirectamente. Estas variaciones resultan en tendencias típicas de forma diaria o anual.

Para ser capaces de evaluar estas típicas tendencias es necesario calcular los valores medios de los valores medidos sobre un período específico. Para algunos parámetros meteorológicos es relativamente sencillo entender su ciclo diario. Por ejemplo, el ciclo de la temperatura es normalmente una curva con un mínimo valor luego de la salida del sol, y un máximo al mediodía.

Un ciclo anual de cierto parámetro meteorológico puede ser determinado haciendo mediciones diarias. El ciclo anual medio dentro de una región está normalmente definido haciendo mediciones sobre un mínimo de 30 años.

Para grandes áreas la distribución espacial de parámetros meteorológicos puede ser tomada desde una base de datos climática, pero peculiaridades locales normalmente tienen que ser medidas en forma separada. Esto significa que los sensores y la electrónica asociada debe ser designada para aguantar condiciones climáticas locales, que pueden ser extremas, desde desiertos hasta la Antártica.

Dentro de la atmósfera, cercano a la superficie las características temporales y espaciales de la radiación son influenciados por las características de la superficie terrestre. Los factores que influencian de mayor manera la radiación recibida en un lugar particular son:

  • Localización de la Tierra
  • Fecha y hora
  • Precipitaciones (nubes, neblina, nieve, lluvia)
  • Limitaciones del horizonte (sombras proyectadas)
  • Contaminación del aire
  • Albedo

Dados los efectos físicos que ejercen las variables mencionadas, a veces no es suficiente con medir solamente la “Radiación Global” viniendo desde todas las partes alrededor del lugar de medición. Puede ser necesario medir la “Radiación Directa” viniendo solamente del sol y/o la “Radiación Difusa” (radiación que llega de forma indirecta). El “Balance de Radiación” con respecto a la radiación que llega y la radiación que se emite dentro de longitudes de ondas cortas y largas puede ser requerido.

Los diferentes rangos de longitudes de onda, así como las propiedades de la atmósfera y la superficie terrestre tienen que ser tomadas en consideración y esto hace necesario el desarrollar sensores especiales adecuados para diferentes condiciones y tareas de medición.

Para ser capaces de desarrollar el sensor correcto, es necesario de antemano determinar qué valor meteorológico será medido y cómo se define. Los símbolos debajo son los dados en la Guía de Instrumentos Meteorológicos y Métodos de observación, por Organización Meteorológica Mundial, séptima edición 2008.

Los parámetros para el rango de longitud de onda cortas son:

  1. Radiación Solar Directa:
  2. Radiación Difusa: 
  3. Radiación Global: 
  4. Albedo:
  5. Radiación de longitud de onda corta:

Los parámetros dentro de longitudes de onda largas son:

  1. Radiación atmosférica hacia abajo:
  2. Radiación de la Tierra hacia arriba: 
  3. Radiación de longitud de onda larga neta:

Consecuentemente, el balance de radiación sobre el espectro total es la diferencia entre las radiaciones recibidas y devueltas, es decir, la radiación neta, está dada por .

Estos parámetros representan los factores más importantes de la radiación solar, para los cuales los siguientes sensores han sido desarrollados.

Radiación solar directa
Sensor: Pireliómetro
Rango espectral: 300 nm a 3000 nm
Campo de vista: <5º
Accesorio adicional: seguidor solar

Mide radiaciones viniendo directamente desde el sol. El seguidor solar mantiene al pirheliómetro alineado con el sol durante el período de luz.

Pirheliómetro

Radiación Global
Sensor: Piranómetro
Rango espectral: 300 nm a 3000 nm
Campo de vista: 180º
Accesorio necesario: ninguno
Accesorio opcional: unidad de ventilación

Medición básica para la mayoría de las aplicaciones.

Piranómetro

Radiación Difusa
Sensor: Piranómetro
Rango espectral: 300 nm a 3000 nm
Campo de vista: 180º
Accesorios necesarios: Dispositivo para crear sombra: aro de sombra/ Bola para sombra con seguidor solar

El piranómetro es ensombrecido de la radiación solar directa para medir la radiación difusa.

Medición de la radiación solar difusa

Radiación Global Reflejada
Sensor: Piranómetro
Rango espectral: 300 nm a 3000 nm
Campo de vista: 180º
Accesorio necesario: Escudo reflectante para dejar fuera la radiación de bajo ángulo no reflejada
Accesorio opcional: unidad de ventilación

Albedo
Sensor: Albedómetro (compuesto de 2 piranómetros)
Rango espectral: 300 nm a 3000 nm
Campo de vista: 180º
Accesorio adicional: Escudo reflectante para dejar fuera la radiación de bajo ángulo no reflejada.

Los Albedómetros también pueden ser ensamblados utilizando dos piranómetros de forma separada, un Platillo de Montaje y un Escudo reflectante.

Radiación Atmosférica
Sensor: Pirgeómetro
Rango espectral: 4.5 μm a >40 μm
Campo de vista: Al menos 150º, idealmente 180º
Accesorios adicionales: Los pirgeómetros requieren sombra para prevenir la radiación solar directa, se pueden utilizar anillos de sombra, seguidores de sol, bolas de sombra.
Accesorio opcional: unidad de ventilación

Mide la radiación infrarroja hacia abajo desde el cielo.

Emisión desde la Superficie
Sensor: Pirgeómetro
Rango espectral: 4.5 μm a >40 μm
Campo de vista: Al menos 150º, idealmente 180º
Accesorio necesario: Escudo reflectante para dejar fuera la radiación de bajo ángulo no reflejada.
Accesorio opcional: Unidad de Ventilación
Mide la radiación infrarroja hacia arriba desde la superficie.

Combinaciones de estas mediciones son necesarias para predicciones meteorológicas, climáticas, de energía solar y otras aplicaciones.

Una típica estación solar de monitoreo de alta calidad contiene un seguidor solar automático adaptado a los instrumentos para medir la radiación directa, difusa y global. Dependiendo de la aplicación, radiaciones de longitud de onda larga y radiaciones reflejadas de longitudes de onda cortas pueden ser medidas para proveer el balance total de radiación. Radiación ultravioleta y otras mediciones pueden también ser hechas.

Principios de Medición

Antes de ver los parámetros de medición en detalle es necesario estar atentos al procedimiento de medición en sí. Este procedimiento abarca:

  1. Adquisición y presentación de los valores físicos
  2. Comparación de los valores medidos con respecto a una unidad estándar

Hay dos prerrequisitos principales:

  1. El parámetro a ser medido debe ser claramente especificado
  2. La cantidad estándar y unidad deben ser establecidas en convenio

El Sistema Internacional de Unidades (SI) define siete “unidades base” para siete “cantidades base” que son asumidas mutualmente independiente, como sigue:

Cantidad base Unidad Base Símbolo
Distancia Metro m
Masa Kilogramo kg
Tiempo Segundo s
Corriente Eléctrica Ampere A
Temperatura Termodinámica Kelvin K
Cantidad de Sustancia Mol mol
Intensidad Luminosa Candela cd

En adición, hay dos cantidades “suplementarias” y unidades

Cantidad Suplementaria Unidad Símbolo
Ángulo Plano Radian rad
Ángulo Sólido Estereorradián Sr

Todas las otras mediciones, en cantidad y unidades pueden ser derivadas por estas cantidades básicas y suplementarias. Entonces, el proceso de medición puede ser descrito como interrelacionar un valor medido con la respectiva unidad estándar.

Los principios para medir la radiación solar se muestran en la siguiente tabla:

Transformación de Radiación solar    
Salida Efecto Físico Aplicación
Termal Absorción de radiación produce incremento de temperatura Piranómetro, Pireliómetro, pirgeómetro
Eléctrica Foto efecto (con foto-diodos) Sensor de luz, Piranómetro de Silicio, Sensor UV, Sensor de duración de Luz Solar
Óptica Conversión de longitud de onda por elementos fluorecentes Sensores UV
Molecular Cambio químico en emulsión Papel fotográfico