radiacion solar difusa ok

VICERRECTORÍA ACADÉMICADIRECCIÓN DE INVESTIGACIÓN

PROYECTOMEDICION DE RADIACION SOLAR DIFUSA

FUNDACIÓN UNIVERSITARIA LOS LIBERTADORESFALCULTAD DE INGENIERIA ELECTRONICA


I. LA PROPUESTA DE INVESTIGACIÓN 1.0 INFORMACIÓN GENERAL DEL PROYECTO:

Título: MEDICION DE RADIACION SOLAR DIFUSA POR MEDIO DEL PIRANOMETRO E LA FUNDACION UNIVERSITARIA LOS LIBERTADORES

2.0 RESUMEN DEL PROYECTO

SINTESIS DEL PROBLEMA A INVESTIGAR

Este proyecto se enfoca en la medición de radiación difusa a través de los datos

que se obtendrán del piranometro, por medio de un grabador de datos Datalogger

CR1000 el cual consiste en un módulo de almacenamiento, Este datalogger

provee medición de sensores, mantenedor del tiempo, reducción del tamaño del

dato, almacenamiento de datos y programas y funciones de control.

El proyecto facilitará la obtención de datos al grupo de investigación sobre la

cantidad de radiación difusa y a la Universidad Los Libertadores el poder contar

con una herramienta que contribuya a obtener los niveles de radiación en la

superficie, los cuales dependen de varios factores como son: la posición del sol, la

altitud, la latitud, el cubrimiento de las nubes, la cantidad de ozono en la atmósfera

y la reflexión terrestre.


3.0 DESCRIPCIÓN DEL PROYECTO:

3.1 Planteamiento de la pregunta o problema de investigación y su contexto:

¿Cuáles son los niveles de radiación difusa en la universidad los libertadores?

Los niveles de radiación varían durante el día y a lo largo del año, presentándose

los mayores niveles en el día cuando el sol se encuentra en su máxima elevación,

esto es entre las 10 a.m. y las 2 p.m.(cerca del 60% de la radiación es recibida a

estas horas), mientras que, cuando el ángulo del sol está más cercano al horizonte

llega menos radiación a la superficie de la Tierra debido a que atraviesa una

distancia más larga en la atmósfera y encuentra más moléculas de ozono, dando

lugar a una mayor absorción. Por medio del piranometro y del datalogger CR1000

se tendrán datos exactos de radiación difusa los cuales se podrán visualizar por

medio del software Device Configuration Utility v.2.12

4.0 MARCO TEORICO:

RADIACION SOLARLa energía emitida por el sol, que se propaga en todas las direcciones a través del espacio cósmico mediante ondas electromagnéticas.El sol emite continuamente un amplio espectro de radiación electromagnética que puede describirse según su frecuencia (ν) (número de oscilaciones por segundo) o por su longitud de onda (λ) (distancia entre dos puntos en fase de la onda). Como toda la radiación electromagnética se propaga a la misma velocidad por el espacio, la frecuencia y la longitud de onda tienen una relación inversa que se expresa por la ecuación:ν = c/ λ (4.1)c = ν. λ (4.2)Donde:c = velocidad de la luz (3 x 10 8 m/seg)ν = frecuencia de oscilaciones por segundoλ = longitud de onda en unidades métricas


Las longitudes de onda de la radiación electromagnética varían desde valores muy pequeños en nanómetros (nm) (1 nm es igual a 10 -9 metros) hasta miles de metros y de acuerdo al rango de longitudes de onda (λ) se clasifican en:La región del ultravioleta (λ< 0,38 μm).La región visible (0,38 μm< λ < 0,78 μm) es el intervalo del espectro solar que puede detectar el ojo humano, y dentro del cual están los colores violetas (0,42 μm), azul (0,48 μm), verde (0,52 μm), amarillo (0,57 μm), naranja (0,60 μm) y rojo (0,70 μm).La región del infrarrojo (λ> 0,78 μm).

4.1 Distancia Tierra – Sol

La tierra se mueve alrededor del sol en una órbita elíptica, por lo cual la distancia tierra sol varía durante el año, como se observa en la figura No 4.1

Figura No 4.1: Figura ilustrativa del movimiento de la tierra alrededor del sol

La distancia promedio es aproximadamente 149,46x108 Km y se conoce como la Unidad Astronómica (U.A) de medidas celestes, con una variación de +- 1,7 por ciento. ¨ (1 Iqbal)


La distancia tierra – sol, se pude calcular para cada día del año, mediante la siguiente ecuación determinada por J.W. Spencer, en su libro representación de la posición del sol mediante series de Fourier:

Eo = (Ro/R) ² = 1,00011 + 0, 034221 Cos α + 0, 00128 Senα +0,000719 Cos 2 α +

0,000077 Sen 2 α (4.3)

α es la posición angular de la tierra en la órbita de giro alrededor del sol

α = 2π (dn – 1) /365 (4.4)

Donde:

dn = día juliano del año (día consecutivo y va desde 1 el primero de enero hasta 365 el 31 de diciembre)

Ro = Distancia promedio tierra – sol (1 U.A),

R = Distancia tierra sol para cualquier día del año.

Eo, se conoce también como el factor de corrección por excentricidad de la órbita terrestre.

4.2 Constante solar (Isc)

Como la intensidad de la energía solar varía inversamente proporcional al cuadrado de la distancia al sol, entonces en el movimiento de translación de la tierra en la órbita terrestre cambia la distancia tierra-sol durante el año originando una variación de la radiación solar extraterrestre incidente sobre una superficie normal al rayo solar.

El valor de la constante solar ha sido objeto de investigación, hoy en día se realizan mejoras en los instrumentos y en las metodologías para su determinación como el valor promedio de numerosas mediciones.

El valor adoptado como constante solar por la Organización Mundial de Meteorología (OMM) hasta la última calibración realizada durante el año 2005 en el Centro Mundial de Radiación Solar de Davos Suiza es:


Isc = 1 367 W/m² con un error de ±7 W/m2 (4.5)

4.3 Altura del sol (h)

Es el ángulo formado entre el plano del horizonte geográfico y la línea trayectoria del rayo solar que llega a una superficie normal a dicho rayo en la superficie terrestre y se determina con los ángulos complementarios de la ecuación 4.5

Sen h = SenФ Sen δ + Cos Ф Cos δ Cosω (4.6)

De esta forma la altura del sol queda en función de la latitud (Ф) del lugar, la declinación del sol (δ) y el ángulo horario (ω) al momento de la medida de radiación solar.

4.7 Declinación del Sol (δ)

El ángulo formado entre el plano ecuatorial de la tierra y la línea de la trayectoria del rayo solar justo al mediodía solar se denomina declinación solar (δ). Debido al movimiento de la tierra alrededor del sol el valor de este ángulo varía cada día durante el año.

Los valores diarios de la declinación solar pueden calcularse mediante otra fórmula obtenida por Spencer con un error máximo de 0,0006 rad.

δ = (0,006918 – 0,399912Cosα + 0,070257Senα – 0,006758Cos 2α + 0,00097Sen2α – 0,002697Cos3α + 0,00148 Sen3α) (180/ π). (4.7)

4.8 Angulo horario (ω)

Es el ángulo formado en la esfera celeste en la intersección en el polo norte, entre el círculo máximo del meridiano del lugar que se traza imaginariamente entre el polo norte y polo sur y pasa verticalmente sobre el sitio de medida y el círculo máximo del meridiano que describe la trayectoria del sol en ese momento.


La precisión con que se calcula el ángulo horario, depende de la exactitud con que se determine el paso del sol sobre el lugar de observación, en el momento que se esté midiendo la intensidad de la radiación solar y para esto es necesario conocer la hora real del paso del sol, que es diferente de la hora local del país.

El ángulo horario (W) se calcula en magnitud tiempo a partir del mediodía solar así:

W = 12 – TSV

(4.8)

4.9 Tiempo Solar Verdadero (TSV)

El tiempo solar verdadero (TSV) o LAT (local apparent time, en inglés) es el tiempo real que determina el sol a su paso sobre un meridiano y lo define el ángulo horario (W) medido a partir del mediodía solar.

El TSV se determina mediante la siguiente igualdad:

TSV = TSM + 4 (Ls – LL) + Et (4.9)

Donde:

TSM = Tiempo solar Medio, corresponde a la hora local

Et = Ecuación de Tiempo de la ecuación

Ls = Longitud Geográfica del Meridiano de referencia del País (75o)

LL = Longitud Geográfica del Meridiano del Lugar

El factor 4 de la ecuación es para convertir directamente a minutos la diferencia de las dos longitudes geográficas que son medidas en grados.

4.10 Ecuación del Tiempo (ET)

El tiempo solar se determina con base a la rotación de la tierra sobre su eje polar y su revolución alrededor del sol. El giro sobre su eje polar se considera en 24 horas, pero en realidad no lo realiza en ese tiempo, sino que varía a lo largo del año por su desplazamiento elíptico alrededor del sol. Las 24 horas de giro diario sería como si la


tierra girara en forma circular alrededor del sol y no en forma elíptica. A esta diferencia de tiempo de giro se conoce como ecuación del tiempo (ET) y tiene una variación diaria hasta un máximo de 16 minutos, Spencer también formula una ecuación para calcular diariamente la ET en términos de serie de Fourier:

(ET) = (0,000075 + 0,001868 Cosα – 0,032077 Senα – 0,014615 Cos 2α - 0,04089Sen2α) (229,18)

(1.10)

4.11 Tiempo Solar Medio (TSM)

Es el tiempo que se registra en el reloj, que indica la hora local y esta referenciado al meridiano asignado al país, porque la hora del país se mide con respecto a un meridiano de referencia que para Colombia es el meridiano 75,

5. COMPONENTES RADIACION SOLAR SOBRE LA SUPERFICIE TERRESTRELa radiación solar que llega al límite superior de la atmósfera experimenta un proceso de atenuación en su paso por la atmósfera. Se ilustra con la figura 5.

Figura 5. Proceso de atenuación por absorción y dispersión de la radiación solar en su paso por la atmósfera

5.1 Radiación solar directa (In).Es la radiación solar que llega directamente del disco solar sobre una superficie perpendicular al rayo solar sin que haya cambiado su ángulo de dirección en su paso por la atmósfera y, medida en la unidad de área y unidad de tiempo.


5.2 Radiación solar difusa. (Rd)

Es la radiación solar que llega a superficie horizontal sobre la tierra y que ha sido difundida por las diferentes sustancias constituyentes de la atmósfera, que al chocar con ellas son dispersadas en todas direcciones.

5.3 Radiación solar global (RG).

Es la radiación solar que llega sobre una superficie horizontal y corresponde a la componente vertical de la radiación solar directa mas la radiación difundida por la atmósfera en todas direcciones.

6 INSTRUMENTOS PARA MEDIR RADIACIÓN SOLAR DIFUSA

Los instrumentos utilizados para medir radiación difusa de denominan Piranómetros y son los mismos para medir radiación solar global, por lo que es necesario acondicionarles un sistema de sombreado para que bloqueen la radiación directa y solo puedan así medir la que ha sido difundida por la atmósfera. En las siguientes fotos se muestran las distintas formas de sombrear los piranómetros para que solamente puedan medir la radiación difusa.

6.1 DIFERENTES ACONDICIONAMIENTOS PARA MEDIR RADIACION DIFUSA

6.2 TIPOS DE SENSORES DE LOS PIRANÓMETROS Los sensores de los piranómetros son los encargados de transformar la energía de la radiante del sol en una variable de fácil medida, en este caso la radiación solar se transforma en electricidad y se mide en mili voltios.

6.3 TermocuplasEs el primer arreglo termoeléctrico que se construye y en la figura 6.3 se presenta el esquema general de una termocupla, la cual está formada por dos conductores


eléctricos de distinta naturaleza (A y B).

Los extremos del conductor A están soldados, a dos conductores B de un metal diferente al de A. Si las uniones o puntos de soldadura son sometidos á distintas temperaturas (To y Ti), se genera entre los extremos libres una pequeña diferencia de potencial proporcional a la diferencia de temperatura (Ti - To). Las diferencias de temperatura se consiguen pintando de negro una unión y la otra pintada de blanco, de esta forma la negra absorbe radiación solar y la blanca la refleja, ocasionando diferencia de temperatura y esta diferencia es directamente proporcional con la cantidad de energía solar que llega sobre ella.

Figura 6.3 Esquema Ilustrativo de una termocupla

A y B = Alambres de diferente conductividad eléctricaV = Diferencia de potencial (mV) T0 y Ti = Temperaturas de las unionesK = Constante de proporcionalidad

6.4 Termopilas

Para obtener una diferencia de potencial mayor de las termocuplas del orden de los milivoltios, se utiliza un gran numeró de termocuplas conectadas en serie como se esquematiza en la figura 1.8. A este conjunto se le denomina Termopila.Las uniones que están a mayor temperatura se denominan uniones activas y a las que están a menor temperatura, pasivas. Básicamente, un sensor termoeléctrico es una termopila, las uniones activas están en contacto térmico con una superficie ennegrecida que se calienta al absorber la radiación que incide sobre ella. Las uniones pasivas están en contacto térmico con superficies no absorbentes o con un cuerpo metálico no expuesto a la radiación y que actúa como sumidero de calor, permaneciendo aproximadamente a temperatura ambiente.Las termopilas responden rápidamente a las variaciones de la radiación, su respuesta depende muy poco de la temperatura ambiente y responde linealmente a


la intensidad incidente.

Figura 6.4 Esquema de una termopila unión en serie de termocuplas

7 Calibración de piranómetros

La calibración de un piranómetro consiste en determinar un factor K de calibración, que ajuste los valores de radiación que él mide con los de la referencia mundial.Un piranómetro puede calibrarse por varios métodos, empleando el sol como fu en te de radiación y en días completamente despejados:a) Por comparación con un pirheliómetro patrón y un disco oscurecedor movible

para oí piranómetro, de tal forrea que el pirheliómetro patrón determina el haz solar directo y el piranómetro la radiación global y difusa en forrea alternada, para después determinar la fracción directa.

b) Por comparación con un pirheliómetro patrón y un piranómetro oscurecido permanentemente para que mida la parte difusa.

c) Por comparación con un piranómetro patrón que previamente haya sido calibrado con mi pirheliómetro absoluto.

En todos los casos los piranómetros deben ser calibrados en la posición normal de uso. Normalmente, debe especificarse las condiciones ambientales cié la prueba, las que pueden ser completamente diferentes para las diversas aplicaciones.

7.1 Calibración de Piranómetro utilizando un Pirheliómetro Patrón

Se describe el método de calibración con un pirheliómetro patrón, por ser éste el método más usual y recomendado por la OMM. El principio se basa en determinar la radiación solar medida por el piranómetro que corresponda a la componente vertical de la radiación directa que mide el pirheliómetro. Para lograr esto, se realizan dos medidas secuenciales, una con el piranómetro totalmente descubierto,


para que mida toda la radiación solar global proveniente de la bóveda celeste, la siguiente medida utilizando un pequeño disco de sombra para que bloquee la radiación directa sobre el sensor del piranómetro y corresponde a la radiación difusa, de esta forma la diferencia de los voltajes, la del destapado y tapado, corresponde a la componente vertical de la radiación directa medida con el pirheliómetro. En esta forma el piranómetro tendrá dos medidas de voltaje: la primera corresponde a la radiación global y la segunda a la difusa; su diferencia corresponderá a la componente vertical Las siguientes fotos ilustran el procedimiento:

Figura 7.1 Piranómetro destapado Figura 7.2 Piranómetro tapadoMide radiación global Mide radiación difusa

CR1000:


Fuente de alimentaciónEl datalogger se puede alimentar por cualquier fuente de 12Vdc. El rango permitido es de 9.6 a 16 voltios.Panel de conexionesEl datalogger se conecta en un panel de conexiones provisto de terminales para conexión de los sensores, la alimentación eléctrica y periféricos para comunicaciones; así mismo, protecciones contra descargas eléctricas.Sensores AnalógicosLos sensores analógicos se conectan en los terminales analógicos. Los terminales analógicos se pueden configurar tanto en single-ended (medida respecto a tierra) como en diferencial (medida respecto a otro canal de entrada).


Los canales analógicos se pueden configurar individualmente; hay 8 canales diferenciales o 16 canales single ended.

Memoria del CR1000Para el almacenamiento de tablas de datos están disponibles aproximadamente 1400 Kbytes (1.4Mb) de memoria. El resto de la memoria se utiliza para los programas de usuario y comunicaciones. Adicionalmente, se pueden guardar tablas de datos opcionalmente en una tarjeta Compact Flash y su módulo. La memoria SRAM está salvaguardada por una pila interna; por tanto, datos y programas permanecen en la memoria aun cuando el CR1000 pierda la alimentación eléctrica.EspecificacionesEs importante saber las especificaciones y limitaciones de los sensores y del datalogger a la hora de tomar medidas.Rangos de temperatura funcionamiento: Standard: -25° a +50° C Extendido: -55° a +85° C Velocidad en las comunicaciones:300 bps a 115.2 kbps Voltaje en modo común: Rango ± 5.0 VdcVoltaje de entrada permanente soportado por el CR1000 sin que se produzcan daños: ± 16 Vdc máximo


Rangos de medida y resolución:

Precisión: La precisión de una medida va desde aproximadamente ± 0.1% a ± 0.4% de la lectura, dependiendo de la temperatura. Salidas analógicas (Excitación):Tres salidas excitación individuales, sólo activas durante la medida. Rango - programable entre ±2.5 Vdc Máxima corriente = 25 mA. Contadores de pulsos Cierre de contacto 11 ms mínimo Alta frecuencia máx. 400 kHz AC bajo nivelSensor conectado a canal #1 Diferencial

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