Los técnicos del departamento de energía solar térmica de CENER han comenzado a realizar la nueva temporada de calibración de piranómetros. El Centro Nacional de Energías Renovables está acreditado por ENAC para la calibración de piranómetros según la norma internacional ISO 9847:1992 “Calibración de piranómetros de campo por comparación con un piranómetro de referencia”
La calibración de piranómetros se realiza en el exterior sobre una superficie horizontal, comparándolo con un piranómetro-patrón con trazabilidad a su vez de patrones de referencia del World Radiation Center (WRC-PMOD) ubicado en Davos (Suiza). Las mediciones se efectuarán en la estación radiométrica BSRN que CENER tiene en su sede central, en Sarriguren (Navarra).
¿Qué son los piranómetros?
Los piranómetros son radiómetros diseñados para medir la irradiancia en una superficie plana receptora que resulta de los flujos radiantes incidentes del hemisferio superior en el rango de longitud de onda de 0,3 µm a 3 µm.
El detector del piranómetro se basa en un elemento de detección térmica pasiva llamado termopila. Aunque la construcción del detector es diferente para los modelos distintos, el principio de funcionamiento fundamental se aplica a la mayoría de los radiómetros. Como resultado de la radiación total absorbida por el recubrimiento superficial negro del sensor, que es una pintura no selectiva espectralmente, se produce un aumento de temperatura en la termopila. El calor generado fluye a través de una resistencia térmica hacia el disipador térmico (el cuerpo del piranómetro). La diferencia de temperatura a través de la resistencia térmica del detector se convierte en voltaje como una función lineal de la irradiancia solar absorbida. Este aumento de temperatura se ve afectado con facilidad el viento, la lluvia y las pérdidas por la radiación térmica en el entorno (cielo «frío»). Para minimizar el efecto de los factores mencionados, el detector está protegido por dos cúpulas. Estas cúpulas permiten igual transmitancia de la componente solar directa para cualquier posición del sol en la esfera celeste.
Un cartucho de secado (desecador) de la carcasa del radiómetro se llena con gel de sílice y previene la acumulación de humedad y de condensaciones en la parte interna del equipo y de las cúpulas expuestas a la intemperie en condiciones desfavorables.
Otro elemento que en ocasiones acompaña a los piranómetros son las unidades de ventilación y calefacción que favorecen la reducción de efectos offset motivados por gradientes bruscos de temperatura ambiente o por cambios de radiación térmica desfavorable, manteniendo un flujo de aire constante y atemperado y dando estabilidad a la medición de la radiación solar.
¿Para qué se emplean y por qué se calibran?
Los piranómetros se utilizan para medir la irradiancia que es la magnitud utilizada para describir la potencia incidente por unidad de superficie de todo tipo de radiación electromagnética. Con estos equipos se mide específicamente la irradiancia global y difusa en una localización concreta.
La calibración de piranómetros consiste en determinar el factor de calibración [W/(m2μV)] para equipos de medición de la radiación solar. Básicamente consiste en comparar la señal de tensión (mV) producida por el piranómetro de campo o mesurando frente a la señal de un piranómetro patrón calibrado anteriormente en el centro mundial de radiación (WRC – World Radiation Center). En CENER, se utiliza como equipo patrón un piranómetro modelo CMP 22 de Kipp & Zonen cuyas características técnicas son de las más fiables y estables del mercado. Este equipo forma parte de la estación radiométrica BSRN (Baseline Surface Radiation Network) que posee CENER en su sede central de Sarriguren en Navarra.
¿Qué son los pirheliómetros?
Los pirheliómetros son sensores diseñados para medir la componente directa de la radiación solar, la irradiancia que resulta del flujo radiante solar desde un ángulo sólido definido del cual el eje esta perpendicular al plano de la superficie del receptor. El funcionamiento del pirheliómetro está basado, al igual que el del piranómetro, en una termopila. Merced al empleo de obturadores, solamente se mide la radiación procedente del Sol y de una región anular del cielo muy próxima al astro. En los instrumentos modernos esta última abarca un semiángulo de 2,5º aproximadamente a partir del centro del Sol. Su utilización está asociada a seguidores solares que permiten una alineación correcta con la dirección del Sol.
¿Para qué se emplean y por qué se calibran?
La calibración de pirheliómetros consiste en determinar el factor de calibración [W/(m2μV)] para equipos de medición de la radiación solar directa. Básicamente consiste en comparar la señal de tensión (mV) producida por el pirheliómetro de campo o mesurando frente a la señal de un pirheliómetro patrón calibrado anteriormente en el centro mundial de radiación (WRC – World Radiation Center). En CENER se utiliza como equipo patrón un pirheliómetro modelo CHP1 de Kipp & Zonen para calibrar pirheliómetros de campo. Sin embargo para calibración de patrones primarios o secundarios se utiliza un pirheliómetro de cavidad absoluta PMO 6 de PMOD. Estos equipos forman parte de la estación radiométrica BSRN (Baseline Surface Radiation Network) que posee CENER en su sede central de Sarriguren en Navarra.
¿Por qué estos no tienen estacionalidad en su calibración?
La calibración de los piranómetros y de los pirheliómetros se hace siempre en comparación con otro equipo patrón de mejor o igual calidad. Las condiciones de entorno, tal como el valor de irradiancia solar o la temperatura ambiente pueden influir sobre estos sensores. La metodología de calibración por comparación elimina los posibles efectos desfavorables de las condiciones ambientales fijando criterios para el rechazo y selección de datos en el tratamiento posterior. De esta manera, se consigue que el valor resultado de la calibración de un sensor sea independiente de la estancia del año en la cual ha sido efectuada.
Los niveles de radiación solar global, medida por los piranómetros, en los meses de invierno son más bajos y van acompañados de bajas temperaturas. Estas condiciones hacen que la consecución de las calibraciones de piranómetros sea realmente compleja. Resultando muy difícil reunir los requerimientos de la metodología de calibración para obtener diferentes niveles de radiación, distintas alturas solares y ángulos de incidencia para obtener una calibración representativa para un usuario final que empleará el equipo a lo largo de todo el año. CENER, al igual que el WRC, tiene establecida su campaña de calibración de piranómetros fuera de los meses de invierno. A diferencia de los piranómetros, la calibración de los pirheliómetros puede realizarse a lo largo de todo el año, dado que su dependencia a los ángulos de incidencia de la radiación es nula gracias al empleo de seguidores solares. Además, a pesar de que puede resultar más costoso, la calibración de pirheliómetros en los meses de invierno es posible en días de cielos claros.
¿Qué aplicación tienen, y qué ventajas se obtienen?
Los piranómetros son los sensores más adecuados para la medida de la radiación solar. Fundamentalmente se utilizan para la medida tanto de la radiación solar global, como de la radiación solar difusa (radiación que proviene de la bóveda celeste, excluyendo la radiación reflejada por el suelo y la radiación que proviene directamente del Sol). Para la medida de la radiación difusa se requiere el uso de dispositivos de seguimiento y sombreamiento del disco solar.
Los pirheliómetros son los sensores más adecuados para la medida de la radiación solar directa.
Entre las principales aplicaciones de los piranómetros y pirheliómetros, actualmente cabría destacar:
• Los estudios de evaluación de la radiación solar de cara a su aprovechamiento energético, así como estudios de predicción del recurso solar para la validación de las metodologías basadas en imágenes de satélite. El panorama actual tanto a nivel nacional como internacional de fomento de las centrales de energía solar, ya sea fotovoltaica o termoeléctrica, ha promovido un importante aumento de la demanda de este tipo de sensores.
• Instalaciones y laboratorios de ensayo. En los numerosos centros e instalaciones de ensayo que realizan actividades relacionadas con la radiación solar, ya sea de cara a su aprovechamiento térmico como fotovoltaico.
• Estaciones meteorológicas automáticas de redes agro-meteorológicas o relacionadas con cultivos. Existe una importante relación entre la radiación solar y el crecimiento vegetal. Esta variable tiene igualmente un importante efecto sobre la evapotranspiración potencial del suelo y por ello en los sistemas de regadíos.
En los casos en los que los piranómetros y pirheliómetros estén ubicados a la intemperie se recomienda un plan de mantenimiento específico y la calibración anual de los mismos. En determinados usos de laboratorio este intervalo de calibración puede extenderse a un periodo de tiempo superior dependiendo del uso real del piranómetro o pirheliómetro.
Alberto García de Jalón, Jefe del Servicio de Medida y Caracterización del Dpto. de Energía Solar Térmica de CENER (Centro Nacional de Energías Renovables)
