UNIVERSIDAD NACIONAL PEDRO RUIZ GALLOFACULTAD DE CIENCIAS FSICAS Y MATEMTICAS

INFORME DE PRCTICAS PREPROFESIONALES CALIBRACIN Y EVALUACIN DE UN PROTOTIPO DE SOLARMETRO EN LA ESTACIN CLIMATOLGICA PRINCIPAL U.N.P.R.G.

-----------------------------------------LUIS DAVID SILVA ALCNTARA

ASESOR: FRANCISCO GARCIA ROQUE

LAMBAYEQUE - PER AO - 2011CALIBRACIN Y EVALUCIACIN DE UN PROTOTIPO DE SOLARMETRO EN LA ESTACIN CLIMATOLGICA PRINCIPAL U.N.P.R.G.Silva Alcntara, Luis David. Facultad de Ciencias Fsicas y Matemticas, Universidad Nacional Pedro Ruiz Gallo (UNPRG). RESUMEN: El presente informe trata sobre la metodologa empleada para la calibracin y evaluacin de cuatro solarmetros fabricados de manera artesanal, cuyo elemento sensible es esencialmente una pila termoelctrica. El objetivo principal fue realizar una comparacin entre las medidas proporcionadas por los solarmetros fabricados y el solarmetro de referencia empleado, para determinar los coeficientes de calibracin correspondientes. La metodologa consisti en realizar lecturas simultneas del piranmetro CMP3 utilizado como patrn y los solarmetros fabricados. Luego se procedi a calibrar y evaluar a cada uno de ellos. Las mediciones se realizaron entre os das 24 de mayo y 12 de junio del 2011 en la Estacin Climatolgica Principal U.N.P.R.G.

INTRODUCCIN

INTRODUCCIN:

El estudio de la radiacin solar a partir de los datos proporcionados por un solarmetro recin fabricado necesita, como requisito imprescindible, una adecuada calibracin de dicho instrumento. El proceso de calibracin consiste en la obtencin de unos factores que permiten transformar el voltaje de salida registrado por el solarmetro en unidades radiomtricas (w/m2). La calibracin de un solarmetro debe realizarse peridicamente con el objetivo de corregir los cambios en la respuesta del instrumento debido a su envejecimiento. Existe una gran diversidad de mtodos para obtener los factores de calibracin de un solarmetro, lo que puede dar lugar a importantes diferencias en los factores de calibracin calculados. Para evitar esta fuente de discrepancia y poder comparar las medidas proporcionadas por distintos instrumentos, la Organizacin Meteorolgica Mundial (OMM) ha promovido la estandarizacin de los mtodos de calibracin de los solarmetros. Una de las tcnicas habituales de calibrado consiste en la intercomparacin de los solarmetros con un equipo de referencia, utilizando como fuente radiativa el sol. Este fue el mtodo utilizado para calibrar los cuatro solarmetros fabricados. El equipo de referencia empleado fue un piranmetro de segunda clase, modelo CMP3 fabricado por la empresa Kipp & Zonen, disponible en la Estacin Climatolgica Principal U.N.P.R.G.

MARCO TERICO

I.

MARCO TERICO:

La radiacin solar se puede medir con diversos tipos de sensores. Los ms difundidos son aquellos basados en la diferencia de potencial que se crea entre dos puntos, bien sea porque uno de ellos est expuesto a la radiacin solar y el otro no, bien porque uno est pintado de blanco y refleja la luz solar y el otro de negro y la absorbe, o bien porque sean materiales de distinta naturaleza. Esta diferencia de potencial est relacionada linealmente con la intensidad de radiacin solar que recibe la superficie del sensor. Debido a que cada material y que la configuracin de cada sensor produce una diferencia de potencial distinta, es preciso determinar los factores de linealidad, para poder emplearlos en la determinacin de la radiacin solar a partir de una medida del voltaje suministrado por el sensor. Este proceso recibe el nombre de calibracin del sensor. 1.1. CALIBRACIN DE UN PIRANMETRO POR COMPARACIN:

Este mtodo consistente en registrar medidas simultneas de dos piranmetros (uno de ellos tomado como referencia) montados

horizontalmente, uno junto al otro, al aire libre durante un periodo de tiempo suficientemente prolongado para llegar a resultados representativos. Si los instrumentos son similares, basta un solo da. Cuando ms acusada sea la diferencia entre los dos tipos, ms dilatado debe ser el periodo de comparacin. No obstante, puede reemplazarse un periodo extenso por diversos periodos cortos que cubran condiciones tpicas (despejado,

cubierto, lluvia, etc.). La obtencin del factor de calibracin se obtiene empleando el mtodo estadstico de regresin lineal.

MATERIALES Y MTODOS

II. 2.1.

MATERIALES Y MTODOS MATERIALES:

Los materiales que se usaron fueron:

Piranmetro de segunda clase, modelo CMP3.

Multmetro digital marca Konstar, modelo UT33A. Nivel marca Stanley.

Banco y plataforma de soporte para los solarmetros. Cuatro solarmetros con detector pintado de blanco y negro.

2.1.1. PIRANMETRO DE SEGUNDA CLASE, MODELO CMP3: El CMP3 es un piranmetro robusto, fabricado por la empresa Kipp & Zonen. Mide la radiacin solar con una termopila ennegrecida de alta calidad, protegida por una cpula. La termopila proporciona una respuesta espectral plana en todo el rango de espectro solar. Esto permite al CMP3, usarse bajo cubierta vegetal o lmparas, con cielo nublado y para medidas de radiacin reflejada. Caractersticas principales: tiempo de respuesta: menor a 18s; mxima absorcin de radiacin: 2000 w/m2; rango espectral: 310 a 2800 nm; rango de temperatura de funcionamiento: -40 a 80 0C. El piranmetro utilizado tiene un factor de calibrado de

Figura1. Piranmetro CMP3. 2.1.2. SOLARMETRO CON DETECTOR PINTADO DE BLANCO Y NEGRO: Se disearon y construyeron 4 de este tipo. Su elemento sensible es esencialmente una pila termoelctrica constituida por pares termoelctricos de cobre-constantan conectados en serie sobre un disco de baquelita de 5 cm de dimetro. La superficie del receptor, que presenta una serie de crculos concntricos, se pint de manera alternativa de color blanco y

negro, de tal manera que las uniones calientes de los termopares estn en contacto con las superficies negras, altamente absorbentes, y las uniones fras en contacto con las superficies blancas de gran reflectividad. La

diferencia de potencial medida a la salida de los solarmetros est relacionada con el nivel de radiacin solar instantnea.

Figura2. Solarmetro blanco y negro, de fabricacin casera.2.2.

PROCEDIMIENTO:

2.2.1. DISPOSICIN DE LOS MATERIALES: Los solarmetros fabricados se colocaron sobre la plataforma de soporte formando un arreglo cuadrangular en cuyo centro se coloc el piranmetro patrn. La plataforma se asegur al banco mediante tornillos y se coloc en campo abierto, asegurndose en cada momento que los solarmetros se encuentren a un mismo nivel.

Figura3. Disposicin de los solarmetros para la toma de datos. 2.2.2. REGISTRO DE MEDIDAS: Se registraron medidas simultneas de los cuatro solarmetros y del piranmetro de referencia con un intervalo de tiempo de 10 minutos. Las mediciones fueron realizadas en das con cielo despejado, en las instalaciones de la Estacin Climatolgica Principal U.N.P.R.G.

Figura4. Estacin climatolgica principal UNPRG 2.2.3. DETERMINACIN DE LA CONSTANTE DE CALIBRACIN: Para determinar el valor de la constante de calibracin de los solarmetros, se encontr la pendiente de la recta que mejor se ajusta al voltaje de salida de cada solarmetro versus la medida de irradiacin solar del solarmetro patrn (CMP3). Tambin se calcul el coeficiente de correlacin lineal y la desviacin estndar residual. Para ello se utiliz las herramientas

disponibles en el programa Microsoft Excel. 2.2.4. EVALUACIN DE LOS SOLARMETROS: Se determino el nivel de radiacin medido por cada solarmetro en un determinado instante y se compar con los valores obtenidos mediante el piranmetro de referencia CMP3. Los datos se registraron el da 12 de junio, desde el medioda hasta las 5pm.

RESULTADOS

Y DISCUSION

3.

RESULTADOS Y DISCUSIN:

El valor ms probable para la constante de calibracin de cada solarmetro viene dada por la pendiente de recta mejor ajustada entre el voltaje de salida de cada solarmetro versus la medida de irradiacin solar del solarmetro patrn CMP3.

Fig.1. Determinacin de la constante de calibracin para el solarimetro1 En la figura1 se observa el valor ms probable para la constante del solarmetro1. El valor encontrado fue de , con un

coeficiente de regresin lineal de 0.9658. La desviacin estndar calculada para este solarmetro fue de w/m2 entre el rango de 0 a 1000

Fig.2. Determinacin de la constante de calibracin para el solarimetro2 En la figura2 se observa el valor ms probable para la constante del solarmetro2. El valor encontrado fue de , con un

coeficiente de regresin lineal de 0.9746. La desviacin estndar calculada para este solarmetro fue de w/m2 entre el rango de 0 a 1000

Fig.3. Determinacin de la constante de calibracin para el solarimetro3 En la figura3 se observa el valor ms probable para la constante del solarmetro2. El valor encontrado fue de , con un

coeficiente de regresin lineal de 0.971. La desviacin estndar calculada para este solarmetro fue de w/m2 entre el rango de 0 a 1000

Fig.4. Determinacin de la constante de calibracin para el solarimetro4 En la figura4 se observa el valor ms probable para la constante del solarmetro4. El valor encontrado fue de , con un

coeficiente de regresin lineal de 0.9696. La desviacin estndar calculada para este solarmetro fue de w/m2 entre el rango de 0 a 1000

Los resultados anteriores se pueden resumir en el siguiente cuadro: CUADRO1 VALORES ESTADSTICOS OBTENIDOS PARA CADA SOLARMETRO Constante de Desviacin

calibracin )

Coeficiente de regresin lineal (R2) 0.9658

estndar residual (mV/w.m-2) 0.17

Solarmetro 1

3.7

Solarmetro 2

3.9

0.9746

0.15

Solarmetro 3

3.9

0.971

0.17

Solarmetro 4

3.6

0.9696

0.16

En el cuadro1 se puede observar los valores de la constante de calibracin, coeficiente de correlacin lineal y desviacin estndar residual, con sus respectivas unidades, obtenidos para cada uno de los solarmetros fabricados.

En las siguientes figuras se presenta una parte de la curva tpica del comportamiento de la radiacin solar, que generalmente presenta un perfil de campana. La medicin tuvo lugar el 12 de junio, con nubosidad variable, alcanzando un valor pico de 880.95 w/m2 (este fue el valor pico registrado con el piranmetro de referencia CMP3).

Figura5. Medida de la radiacin solar realizada con el solarimetro1 y el piranmetro CMP3 el da 12 de junio En la figura5, se puede comparar los valores de radiacin obtenidos con el solarimetro1 y el CMP3 de referencia. En general la curva representada debe ser una lnea suave; sin embargo se pueden observar picos pronunciados, sobre todo, en la grafica obtenida con los datos del solarimetro1. Esto se puede explicar en su mayor parte, al hecho de que hubo determinados instantes de nubosidad, lo que afect a las condiciones de medida.

Figura6. Comparacin entre la medida de la radiacin solar realizada con el solarimetro2 y el piranmetro CMP3. En la figura6, se puede comparar los valores de radiacin obtenidos con el solarimetro2 y el CMP3 de referencia.

Figura7. Comparacin entre la medida de la radiacin solar realizada con el solarimetro3 y el piranmetro CMP3. En la figura7, se puede comparar los valores de radiacin obtenidos con el solarimetro2 y el CMP3 de referencia. Se puede observar descenso del nivel de radiacin solar a las 2:30pm, registrado con mayor intensidad con el solariemtro3. Esto descenso en el nivel de radiacin se debi a las condiciones de nubosidad muy variable que present el da 12 de junio, lo que de hecho afect a que las condiciones de medida sean iguales para todos los solarmetros.

Figura8. Comparacin entre la medida de la radiacin solar realizada con el solarimetro4 y el piranmetro CMP3. En la figura8, se puede comparar los valores de radiacin obtenidos con el solarimetro2 y el CMP3 de referencia.

CONCLUSIONES

4.

CONCLUSIONES: La adecuada calibracin de los solarmetros cobra una importancia capital cuando se quiere realizar un estudio sobre radiacin solar a partir de los datos que nos proporcionan, ya que garantiza la confiabilidad y trazabilidad de las medidas realizadas.

En promedio, los solarmetros fabricados tienen un coeficiente de correlacin 0.97. Esto nos indica que existe una excelente linealidad entre los datos proporcionados con los solarmetros y los

proporcionados con el piranmetro de referencia empleado.

Los solarmetros fabricados satisfacen suficientemente la expectativa propuesta y pueden proporcionar datos necesarios para grupos de investigadores en lo que respecta a estudios sobre radiacin solar, de gran importancia en la actualidad.

5.

REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS: Torres R, (1982), Construccin de un solarmetro blanco y negro. Revista peruana de Fsica. Vol I, N3, Pag. 379-389. Comisin Nacional del Agua.(2010). Manual terico prctico del observador meteorolgico de superficie. Secretaria del medio ambiente y recursos naturales. Mxico, Pag 113-131.