El Pirheliómetro es un instrumento de medición que permite establecer el nivel de irradiancia, una magnitud que permite describir la potencia de radiación electromagnética de cualquier tipo que incide por cada unidad de superficie. Es una herramienta que facilita medir un haz de luz solar, algo muy útil además de interesante, que estaremos conociendo adecuadamente en nuestro artículo, no te lo pierdas, pues tendrás la oportunidad de aprender sobre sus usos, aplicaciones, historia y mucho más.
Índice del Artículo
¿Qué es un Pirheliómetro?
El Pirheliómetro es un instrumento de medición que se emplea con la finalidad de poder determinar la radiación electromagnética, haciendo entrar a través de una ventana la luz del sol; donde gracias a una serie de procesos realizados por este aparato, el calor se convierte en una señal eléctrica que es registrada.
En pocas palabras, el Pirheliómetro es un instrumento meteorológico que se emplea para medir la radiación solar de forma directa, cuando está incidiendo sobre la superficie terrestre, algo que es calculado en base a W/m2, lo cual significa vatios por metro cuadrado.
Este aparato ha sido elaborado con una serie de características que le permiten captar la luz solar mediante una ventana, similar a una cámara, la cual se encuentra ubicada sobre una termopila que le da energía y permite que el calor recibido se convierta en una señal eléctrica que es registrada, para luego mediante la aplicación de una fórmula, calcular los vatios por cada metro cuadrado.
Es necesario que este instrumento de medición se encuentre orientado al sol para mayor efectividad; y en muchas oportunidades se emplea en conjunto con un Piranómetro; el cual es también identificado como solarímetro o actinómetro y es de gran utilidad como instrumento de medición para establecer de manera precisa la radiación solar, a través de su densidad de flujo.
Historia
Como sabemos, desde la antigüedad los científicos se han ocupado de crear instrumentos que le permitan al hombre establecer medidas de la acción de los elementos sobre la superficie terrestre. Este es uno de esos casos, ya que el primer Pirheliómetro se desarrolló entre los años 1837 y 1838; su creador fue un físico de origen francés, conocido como Claude Pouillet.
Este físico desarrolló el Pirheliómetro con la finalidad de establecer medidas cuantitativas del calor emitido por los rayos solares, consideradas como las primeras mediciones cuantitativas que se realizaban en la historia, con respecto a la energía solar; pero basándose en su incidencia sobre la superficie de la tierra.
Los estudiosos de la materia manifiestan que Pouillet, estableció estimaciones de 1228 vatios por metro cuadrado, que a criterio de ellos se encontraba bastante cerca de las mediciones actuales, que son de 1367 vatios por metro cuadrado.
Por otro lado, este físico se ayudó con la Ley de Dulong-Petit, que establece que el calor específico de los sólidos, se presenta en función creciente de acuerdo con la temperatura; y que además tiende a ser de cero al estar próxima a los 0 kelvin, es decir, 0 grados de calor.
Textualmente, la Ley de Dulong y Petit establece lo siguiente:
“El calor específico atómico de todos los elementos en estado sólido (con pocas excepciones) presenta valores próximos a 25 J/ (mol·K) (o sea, 6 cal/ (mol·K), cuando aumenta considerablemente su temperatura”.
En base a esto el físico Pouillet, estimó que la temperatura de la superficie del sol es aproximadamente de 1800 °C. Cabe destacar que para el año 1879, otro físico matemático austriaco de nombre Jozef Stefan, corrigió este valor determinando que se encuentra por el orden de 5.430 °C.
Posteriormente para el año 1923, el Profesor Dr. Moll promueve la creación de una termopila, que consiste un dispositivo electrónico que permite convertir la energía térmica en eléctrica y forma parte del funcionamiento del Pirheliómetro.
Esto fue aprovechado por el Dr. Ladislas Gorczynski para construir un Pirheliómetro termo-eléctrico, que permitió obtener las primeras curvas de forma diaria sobre la radiación solar directa y fueron grabadas mediante un galvanómetro, instrumento que permite determinar la intensidad y sentido de la electricidad, en función de la desviación que es registrada por una aguja magnética.
Ya para el año de 1927, se comienza a comercializar el Pirheliómetro como instrumento de medición de la intensidad de la radiación solar, al igual que otros, como fue el caso de los solarímetros, que también se emplean con la finalidad de establecer la radiación del sol de manera global, una vez que atraviesa la atmósfera terrestre.
Características
El Pirheliómetro es un instrumento que cuenta con una serie de características indispensables para su funcionamiento, de hecho en la actualidad se han creado varios tipos provistos de sensores específicos, con la finalidad de que el tiempo de respuesta es más corto, permitiendo con ello facilitar el trabajo para el cual ha sido diseñado.
Este aparato está construido a base de varias partes, como son:
- El cuerpo del instrumento, que es un tubo cromado de tamaño compacto con una tapa de protección, un visor con ventana de cuarzo pulido, un indicador de humedad y además un calentador de baja potencia, aislado térmicamente.
- Sensores de termopila con superficie cubierta en negro, que se identifican como DR01 o DR03, los cuales permiten medir la radiación solar directa con alta precisión, muchos de ellos se crean de manera compacta y con ventanas calefactadas.
Cabe destacar, que el diseño del Pirheliómetro varía de acuerdo con el fabricante que lo ofrece comercialmente. En este sentido, se pueden encontrar algunos identificado como CHP1, que son promovidos con el último avance en el campo de la medición de la radiación solar, además se indica que puede abarcar todo el espectro solar entre 200 y 4000 Nanómetros. Como referencia les indicamos que un nanómetro es una mil millonésima partes de un metro.
¿Para qué sirve el Pirheliómetro?
Como hemos indicado, el Pirheliómetro mide la radiación solar directa ya que posee una superficie receptora, la cual se coloca de manera que esté expuesta a los rayos solares, pues cuenta con un obturador que mide la radiación procedente del sol, además de la región del cielo que se encuentra próxima a este astro.
Existen en la actualidad aparatos Pirheliómetros que han sido diseñados para abarcar un semiángulo de 2,5° aproximadamente, medidos desde el centro del sol; algo que en los ejemplares antiguos era de unos 8°. Lo cual se debe a la apertura de sus sensores, que es básicamente la esencia principal de este aparato.
El instrumento es utilizado para medir la radiación solar directa, algo empleado en estudios de evaluación de su nivel, con la finalidad de lograr el aprovechamiento energético del sol. Por otro lado, también permite la predicción del comportamiento del recurso solar, especialmente por parte de estaciones meteorológicas que funcionan automáticamente.
Esto permite establecer pronósticos que sean favorables para los cultivos, además de estudios en instalaciones y laboratorios para el aprovechamiento térmico o fotovoltaico; que permite la obtención de fuerza electromotriz, generada por la acción de la radiación luminosa, es decir, con lo que se transforma la energía solar en eléctrica.
Esto es un elemento de vital importancia a nivel económico, pues obtener energía durante el día a través de la radiación solar, permite contar con energía eléctrica de origen renovable, algo que con el paso de los años se estima será la principal fuente de energía a nivel mundial.
De aquí la importancia de contar con Pirheliómetros que funcionen adecuadamente, pues con ellos se establecerán los lugares acordes para la instalación de los paneles solares y de esta forma alcanzar con un mejor aprovechamiento de la energía suministrada por el sol.
Funcionamiento
El Pirheliómetro se considera un sensor diseñado para medir la radiación solar de forma directa, es decir la irradiancia que se da como resultado del flujo radiante del sol desde un determinado ángulo sólido, que se encuentra definido de forma perpendicular al eje del plano de la superficie que es rectora de la radiación.
Este instrumento funciona a base de una termopila, que le proporciona energía y generalmente se emplea asociado con seguidores solares, que son alineados correctamente con la dirección del Pirheliómetro.
Con el uso de los seguidores solares, se establecen los movimientos del sol en su trayectoria, pues en ellos se colocan los Pirheliómetros para poder medir la radiación directa del sol.
Sin embargo, se establece que estos seguidores presentan el inconveniente de que al final del día vuelven a la posición inicial, con la finalidad de volver a registrar correctamente la salida del sol, lo que en ocasiones ocasiona problemas con respecto a los cabes de alimentación y algunas señales, necesitando ser supervisados diariamente.
Dentro del funcionamiento del Pirheliómetro, es necesario contemplar que existen varios tipos y que esto está asociado a la inversión disponible para la combinación de este con otros instrumentos de medida, al igual el objetivo de precisión establecido y otros parámetros relacionados; por lo cual se puede emplear un tipo determinado de este aparato.
Por ejemplo, se encuentra el Pirheliómetro de patrones primarios absolutos, que trabaja definiendo la escala de irradiación total sin necesidad de otras fuentes o radiadores de referencia. Es moderno y trabaja en base a receptores de cavidad, con sensores y medidores diferenciales de flujo calorífico que han sido calibrados previamente, mediante electricidad.
Por otro lado están los de patrones secundarios, como el denominado pirheliómetro de compensación de nombre Angström, empleado para calibrar Piranómetros y otros pirheliómetros. También está el pirheliómetro de disco de plata, que debe ser calibrado en función de un patrón primario; trabajando de manera estable para calibrar posteriormente otros instrumentos.
La Calibración es un proceso mediante el cual se comparan valores que son obtenidos por un instrumento de medición, en base a una medida establecida como patrón o referencia en este sentido, con lo cual se garantiza su adecuado funcionamiento.
Además cabe destacar, para asegurar el adecuada funcionamiento del Pirheliómetro, es necesaria la realización un mantenimiento periódico para limpiarlo adecuadamente, ya que se coloca en exteriores, expuesto a la intemperie, donde adquiere polvo y otras suciedades que pueden alterar sus correctas mediciones.
Normas para el uso adecuado
La correcta utilización del Pirheliómetro está basada en el seguimiento de una serie de normas y especificaciones de medición que deben seguirse de acuerdo con los estándares establecidos por los organismos competentes como la Organización Internacional para la Normalización, la cual crea una serie de estándares que facilitan la elaboración de servicios y productos de manera que su uso arroje resultados fiables, seguros y de calidad garantizada, evitando la incidencia de errores que ocasionen mayores gastos.
El otro organismo que regula la utilización de los Pirheliómetros es la Organización Meteorológica Mundial, encargada de regular los servicios relacionados con el clima, promoviendo y unificando el uso de los instrumentos de medición al igual que los métodos de observación.
Por lo que el uso del Pirheliómetro debe estar regulado por dichos organismos, mediante comparaciones entre varios instrumentos para que sean intercalibrados adecuadamente, de manera regular y que con ello se pueda garantizar que la cantidad de energía solar recibida está siendo medida con la mayor exactitud posible.
Las comparaciones se realizan a nivel internacional, cada cinco años dentro del Centro Mundial de Radiación, que se encuentra ubicado en la ciudad de Davos en Suiza, para asegurar con ello que se realizan los ajustes necesarios de estos instrumentos de medición a nivel mundial; con esta finalidad todos los interesados llevan hasta esta ciudad sus aparatos.
Además de los Pirheliómetros, se llevan sistemas de seguimiento solar y otros de adquisición de datos, que como hemos comentado, complementan el trabajo de este instrumento y para ello, se realizan en la ciudad de Davos mediciones de radiación solar simultáneas en conjunto con el World Standard Group; que es el grupo mundial de estándares, el cual realiza su normalización.
Con todo esto, el Pirheliómetro se encontrará correctamente dispuesto para la realización de mediciones meteorológicas científicas, que ayudarán en el establecimiento de pronósticos del clima, ya que generalmente es montado en un seguidor solar; donde además se emplean dispositivos que siguen la trayectoria del sol, de manera de ir registrando adecuadamente la radiación emitida por este astro en una determinada superficie.
Con el uso de este aparato, por otro lado, se busca garantizar el manejo eficiente de los colectores solares, que recogen el calor absorbiendo la luz; o los dispositivos fotovoltaicos, que son los que permiten convertir la luz en electricidad, mediante el empleo de una serie de materiales que son semiconductores y empleando paneles solares.
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