El piranómetro es un instrumento empleado en el ámbito de la meteorología, con el fin de medir la radiación que emite el sol. En el artículo de hoy nos dedicaremos a realizar un recorrido de manera detallada por todo lo que abarca este instrumento.
Índice del Artículo
¿Qué es un Piranómetro?
Un piranómetro es un instrumento que se emplea con el fin de medir las radiaciones de calor en una superficie plana. No obstante, si se utiliza una pantalla para impedir que las radiaciones afecten al instrumento, lo que estará midiendo en realidad será el calor difuso de la atmósfera.
Este instrumento viene integrado con una pila termoeléctrica que sirve como conductor de energía de forma continua, la misma se encuentra cubierta por una semiesfera de cristal y está conectada a un equipo para el registro de información.
Historia
En el año 1913, la empresa Kipp & Zonen dio origen al instrumento al fabricar una termopila formada por termopares que tuvieran las características de rapidez y sensibilidad.
Esta acción surgió a partir de los diseños ejecutados por el Dr. Moll, de la Universidad de Utrecht, que estaban dirigidos a medición de luz y la radiación térmica. No obstante, no fue sino hasta una conferencia sobre meteorología en Utrecht para 1923 cuando el Dr. Moll logró captar la atención de los ejecutivos de la compañía.
Luego de este evento, el profesor L. Gorczynski del Instituto Meteorológico de Polonia, tomó la decisión de desarrollar un pirheliómetro, que también cumple con la tarea de medir las radiaciones solares, y un piranómetro utilizando como fuente de funcionamiento las termopilas Moll-Gorczynski que ya habían sido modificadas para entonces.
La integración de esta pila haría que ambos instrumentos fueran más compactos, ligeros y baratos, además de proporcionar una salida continua para la tensión, liberándolos de una alimentación de tipo eléctrica externa a partir de controles de mando. Los primeros diseños mostraron ser de gran calidad, por lo que la empresa de Kipp & Zonen se convirtió en la primera compañía en desarrollar estos dispositivos para el año 1924.
Durante el centenario de la empresa en el año 1930, la compañía Ankersmit hace la declaración de que los productos realizados en Kipp & Zonen tienen sus bases a partir de los descubrimientos del científico Moll. A pesar de que para esa época la crisis económica estaba en su apogeo, la empresa siguió creciendo y los diseños de este instrumento seguían produciéndose.
Posteriormente Kipp & Zonen entrega gran parte de su inventario químico a los laboratorios de N.V. v/h G.B. Salm, en Amsterdam. La compañía en la que estaban dichos laboratorios era conocida como N.V. Salm-Kipp, hoy en día se sigue manteniendo en pie bajo el nombre de Salm en Kipp B.V, en Brooklyn.
La empresa de Kipp & Zonen se dedicó a desarrollar instrumentos que funcionaran a partir de las termopilas como los piranómetros y galvanómetros de espejo con bobinas de grabación.
De una misma manera, dentro de su inventario añadieron otros instrumentos de medición como los micro-fotómetros y grandes espectrógrafos grabadores de IR que se basaban en una serie de ideas de las cabezas de los científicos Zernike, Van Cittert y Van Heel.
En la actualidad dicha empresa se encuentra en completo funcionamiento, con una visión orientada a las ciencias solares y atmosféricas, en donde se puede desarrollar con mayor facilidad el instrumento piranómetro.
Por otro lado, no se quedaron solamente con la invención de este dispositivo, sino que ampliaron su gama de productos para esta área. Por lo que respecta al piranómetro, la empresa realiza constantes investigaciones para mejorar su funcionamiento.
Radiación solar
La radiación solar es el nombre que se le da al flujo que proviene directo del sol hacia sus alrededores. Todas las radiaciones que son emitidas por este astro poseen diferentes longitudes en sus ondas expansivas. Además de esto, es importante saber que la misma no llega con igual intensidad ni modifica las temperaturas en los planetas de la misma forma.
Siguiendo esta misma línea de ideas, la radiación es absorbida por todos los seres vivos y plantas que se encuentren en los planetas durante su alimentación. Un ejemplo de esto es cuando las plantas la reciben como parte de su proceso de fotosíntesis, luego los animales herbívoros la absorben de manera indirecta al comer dichas plantas y en consecuencia, los carnívoros la reciben en menor medida cuando se alimentan de un animal herbívoro.
Por lo general, estos dispositivos tienden a medir tres tipos de radiaciones solares, que son:
- La radiación difusa, que se recibe en la atmósfera de manera dispersa de parte del sol.
- La radiación directa, aquella que se proyecta directamente sobre la atmósfera sin ninguna repercusión.
- La radiación refleja, que como lo indica su nombre, se obtiene cuando la misma se proyecta sobre la superficie terrestre.
Características del instrumento
En la parte interna del instrumento se encuentra la pila termoeléctrica, la misma está conformada por secciones blancas y negras, esta puede absorber la radiación solar entre 300 y 50.000 nm (nanómetros).
Además de poseer una respuesta rápida a este evento. La cobertura de cristal en la que se encuentra, limita su capacidad de unos 300 a 2.800 nm. Haciendo que su campo de visión solo pueda ser de 180 grados, además de garantizarle una protección segura a la batería.
Las secciones negras de la pila son las encargadas de recibir toda la radiación y transformarla en calor. Dicho calor luego realiza su trayectoria por los sensores hasta llegar al cuerpo del instrumento, generando una señal eléctrica proporcional a la radiación.
Este instrumento se encuentra elaborado con un sistema de recogida de datos, unas células solares fotovoltaicas que se encargan de transformar la energía mullica en eléctrica y una caja de bombillos. Una vez que este dispositivo se encuentre instalado y conectado con el software de la estación, reflejará la radiación obtenida del sol en un porcentaje de watios/m2, además de permitir calcular la cobertura de las nubes de manera automática.
La cubierta de bombillos sirve para proteger eficazmente de cualquier factor externo a la célula solar. Luego, al tomar algunos trozos del material industrial conocido como burlete adhesivo que suele ser implementado en las ventanas, se puede garantizar que la misma se mantenga fija en su lugar.
Por otro lado, la parte externa que sería la tapa, está elaborada a partir de un CD cortado de manera tal que pueda encajar perfectamente con lo mencionado antes. Se procede entonces a poner una tapa metálica con orificios para que pueda funcionar como un soporte a toda la estructura, en el montaje final se añaden las células, un cable y se cierran las tapas con cinta aislante.
Como ya se ha explicado, el rango de radiación que puede captar este instrumento ronda entre los 300 y 2800 nm. Lo que indica que el mismo debe realizar una cobertura lo más amplia posible para poder obtener resultados verídicos. Para lograr medir de manera certera el flujo de la radiación solar se requiere que este varíe de acuerdo a su ángulo de incidencia sobre el instrumento.
En otras palabras, hay una respuesta mayor en dicho flujo cuando este se proyecta de manera perpendicular sobre los sensores del dispositivo, hay una respuesta nula cuando la radiación se encuentra de manera horizontal a unos 90º, y por último, los valores pueden ser intermitentes si el flujo ronda entre las otras dos opciones.
Tipos de Piranómetros
Así como muchos otros instrumentos utilizados en esta área conocida como la meteorología, los piranómetros se encuentran divididos en varios tipos que cumplen funciones específicas, sin embargo, persiguen el mismo fin que es medir la radiación del sol. En este apartado exploraremos los piranómetros más conocidos durante la historia.
Piranómetro térmico
Este tipo de diseño viene con una pila termoeléctrica que usa el principio físico del termopar, el mismo es un transductor de energía que produce una diferencia en las temperaturas entre el punto de calor y el punto frío. Dicha pila se encuentra ubicada en la parte interna del dispositivo, protegida por dos semiesferas de cristal y está formada por una serie de termopares.
Los termopares están conformados por dos tipos de metales cuya función es dar con la diferencia de los potenciales de manera mínima entre ambos extremos de la temperatura, es decir, un punto está diseñado para el calor y el otro para el punto frío. En líneas generales, el termopar está pintado con un barniz negro que es el encargado de absorber el calor de las radiaciones solares.
El calor que es provocado a causa de dicha radiación se traslada hacia la termopila, haciendo que se forme una tensión de electricidad entre ambos metales que es proporcional a la diferencia de las temperaturas de los mismos.
Piranómetro fotovoltaico
Otro modelo de estos diseños se denomina fotovoltaico. El principio que se maneja en este tipo de diseño no es como el anterior, este utiliza lo que se conoce como mecanismo fotoeléctrico, es decir, emite electrones en el material cuando se capta la radiación electromagnética del sol.
Dicha radiación se proyecta en el fotodiodo que puede diferenciar el espectro solar a partir de las longitudes de las ondas emitidas en la radiación, proporcionando una lectura de voltaje que revela todos los datos pertinentes sobre la misma. Gracias a su naturaleza, es posible integrar a su diseño filtros para las emisiones electromagnéticas, a través de algunos de los domos de vidrio impregnados con el filtro deseado.
No obstante, presentan algunas desventajas estos diseños, debido a que poseen una mayor sensibilidad para las alteraciones mínimas y cambios puesto que no poseen una inercia térmica, es decir, la capacidad para que se conserve la energía eléctrica en la masa como ocurre en los modelos anteriores.
Piranómetro de radiación solar global
Como se mencionó antes, el piranómetro se encarga de medir tres tipos de radiaciones solares: la difusa, refleja o directa, también conocida como global. Este diseño del instrumento se encarga de medir esta última de forma directa sobre la superficie terrestre.
Piranómetro de radiación solar reflejada
El modelo de este instrumento se encarga de medir la radiación reflejada indirectamente del sol en la atmósfera de la tierra. El principio de su funcionamiento es igual que el diseño de la radiación solar global.
Piranómetro químico
Este modelo del instrumento está más orientado al estudio de los efectos de la luz solar sobre ciertos productos químicos. Las reacciones que se encuentren en estos estudios sirven como una base para la investigación sobre la intensidad de las radiaciones solares en la atmósfera de la tierra.
Piranómetro M-80-M
Este modelo, a pesar de que es un derivado del piranómetro, también es considerado un actinométrico universal, que cumple con las mismas funciones del instrumento que nos encontramos estudiando, con la diferencia de que además puede medir la intensidad de las ondas electromagnéticas que irradia la luz solar. Con él se pueden medir todos los flujos de radiación solar en el rango de onda corta.
El sensor del instrumento se encuentra ubicado en la parte externa del mismo, mientras que en la sección interna el funcionamiento viene de parte de una termobatería cuadrada formada por bandas de constantán y manganina que constituyen los termopares conectados en serie, en esencia, tiene el mismo modo de procesamiento que un piranómetro térmico.
Dicha termobatería está dividida en dos partes pintadas, una con hollín y la otra con magnesio. Las secciones que se cubren de hollín son las zonas donde la radiación solar es captada con mayor intensidad. No obstante, esto no significa que la sección blanca de magnesio no reciba la misma cantidad solar, pero se aplica con la finalidad de que no existan diferencias entre las temperaturas de ambas secciones para poder producir los resultados esperados.
Para resumir, las radiaciones solares se perciben como dos ondas, una larga y otra corta, donde el funcionamiento del circuito eléctrico de la batería del instrumento corre a partir de la onda de menor alcance. La superficie externa que es la encargada de recibir las captaciones solares desde la batería, se encuentra protegida por una esfera que logra proporcionar el mayor alcance de las ondas proyectadas.
¿Para qué sirve el Piranómetro?
Este instrumento es empleado en el ámbito meteorológico y cumple una función crucial al explorar con profundidad las radiaciones solares o en algunos casos, dependiendo de su modelo, las ondas electromagnéticas que se proyectan en la atmósfera.
Las radiaciones solares que puede percibir este instrumento son tres, como ya la hemos mencionado (difusa, refleja y directa), para cada una de ellas se utiliza un modelo en particular, aunque es posible emplear el más común para todos los casos, que sería el térmico. Pero hay que tener en cuenta que las mediciones no serían tan exactas si no se empleara el modelo especializado para su fin.
¿Dónde se ubica?
Ya que el objeto de estudio en estos instrumentos está orientado a las radiaciones solares, la ubicación de los mismos es muy importante para poder captar la mayor cantidad de información pertinente para su medición. Con base en lo antes expuesto, las características que debe tener el espacio en donde se vaya a situar este dispositivo son las siguientes:
- El lugar en donde se vaya a colocar el dispositivo debe ser abierto, es decir, se requiere una exposición óptima del cielo. Es de vital importancia que dicha ubicación se mantenga constante durante todo el estudio, de lo contrario se pueden encontrar fallas en los valores medidos por factores externos del ambiente.
- Es importante tratar de evitar lo más que se pueda cualquier tipo de obstrucción solar, es decir, que el dispositivo debe situarse en un espacio en donde no se proyecte la sombra de ningún objeto, puesto que ella causaría errores en las medidas arrojadas.
- El lugar tampoco puede tener otras fuentes de radiación artificial. Es decir, la radiación que debe captar el instrumento solo debe estar proporcionada por el sol, de manera que las radiaciones producidas por otros artefactos deben ser anuladas por completo.
- En cuanto a la altura, se ha demostrado que para este instrumento no posee ningún tipo de influencia en las captaciones de las radiaciones solares. Sin embargo, es recomendable que el modelo empleado se encuentre en una altura moderada en donde no le afecte ningún tipo de obstrucción.
¿Cómo funciona?
La manera en que estos dispositivos captan las radiaciones solares es a partir del principio físico de la termoelectricidad y esto lo emplean por medio de una batería con estas propiedades, en donde una de sus secciones está oscurecida para recoger la mayor cantidad de ondas electromagnéticas. De igual manera, el aumento en la temperatura del instrumento es medido por medio de una serie de termopares puestos para esta batería.
Las uniones que se encuentran activas son aquellas que están calientes, y esto se logra en la parte baja de la superficie de la pila oscurecida que es donde la mayor radiación se sitúa para permitir su calentamiento. Mientras que las uniones denominadas pasivas por ser las frías, están en contacto con la parte externa del dispositivo y funcionan como un proyector térmico.
En la actualidad, varios modelos del instrumento han sido modificados para incorporarles un módulo llamado Peltier, que posee también un carácter termoeléctrico, mientras que varias partes de los termopares y la termopila han sido cambiados por dispositivos semiconductores.
Es de gran importancia que las secciones oscurecidas de la batería sean protegidas y resguardadas por los distintos factores externos que pueden alterar las mediciones, como por ejemplo las precipitaciones, la suciedad o incluso el viento. Por lo general, las capas o esferas semi completas que cumplen esta labor de protección están diseñadas por un cristal óptico.
La función que cumple este cristal es permitir la transmisión de las ondas que puede variar de 300 nm (o menos) hasta unos 3000 nm. De igual manera, las cápsulas que tienen integrado un doble cristal proporcionan una protección más dinámica en el ambiente, puesto que pueden cuidar de mejor manera el instrumento y la termopila ante las situaciones ambientales que afectan las mediciones.
La respuesta recibida en el sensor que se encuentra en la cúpula se percibe de una mejor manera al momento en que el sol se encuentra visto de forma horizontal. Hoy en día, existen distintos modelos de este dispositivo en donde la cúpula está formada por un material muy similar al cuarzo, esto permite que la captación de la onda solar sea más amplia y los resultados de los estudios suelen ser más precisos.
El incremento en la respuesta de refacción solar también va en ascenso cuando dichas emisiones solares se encuentran en una dirección específica. Además esto ofrece una mejora en cuanto a la conductividad térmica para el rendimiento del instrumento. No obstante, existen modelos de estos dispositivos que contienen una termopila que se califica como pasiva en el sentido de que no necesita alguna fuente de alimentación.
El detector incorporado en este dispositivo es el encargado de dar con las pequeñas diferencias de tensión de las temperaturas recibidas por las emisiones solares. Dado que la tensión es vista como 10 µV (microvoltios) por W/m², en un día con buen sol, la tensión aproximada sería de 10 mV (milivoltios).
Cada modelo derivado del instrumento posee un nivel de sensibilidad propio de su diseño, el mismo puede modificarse por el proceso de calibración, que también se utiliza para alterar la salida en cuanto a la lectura de la tensión, que originalmente es medida en microvoltios y al modificarse se convierte en irradiancia global de W/m².
Si se desea que el rendimiento del instrumento sea óptimo, es recomendable que el proceso de calibración se realice por lo menos cada dos años, de una misma manera, se puede integrar un conector impermeable con el fin de elevar la calidad del cable y hacer el proceso más simple.
Diferencia entre Piranómetro y Pirheliómetro
Como se sabe, dentro del área de la meteorología este instrumento funciona para medir las emisiones solares hacia la atmósfera de la Tierra, sin embargo existe otro instrumento que ha sido desarrollado para cumplir esta misma tarea, el mismo se conoce como pirheliómetro.
Ambos instrumentos son igualmente válidos para emprender estudios con este objetivo, no obstante, los dos presentan diferencias importantes, sobre las cuales hablaremos en esta sección.
Hoy en día es de gran importancia el uso de fuentes de energía renovable, esto se debe a la gran pérdida de combustibles fósiles que existe y al impacto negativo que han tenido sobre el ambiente. Es por esta razón que la energía del sol se ha destacado como un recurso necesario para solventar los problemas de energía.
Sin embargo, no toda la radiación que se extiende desde el sol, alcanza la superficie de la Tierra. Mucha de esta se pierde cuando toca la atmósfera o simplemente es absorbida por la misma.
Ahora bien, hemos podido conocer a lo largo de este artículo que el piranómetro es un dispositivo desarrollado para medir la irradiación del sol. El mismo contribuye de gran manera a la investigación meteorológica y estas investigaciones sobre las radiaciones solares sirven de base para un gran número de aplicaciones a otras áreas.
Este instrumento suele ir ubicado en el techo de las estaciones meteorológicas, justo a los lados de los paneles solares utilizados para aprovechar la energía solar. Los piranómetros cumplen con la labor de medir en general la radiación difusa del sol. Esto se debe a que es la más importante para nuestro ambiente, por lo que el piranómetro posee mayor relevancia que el pirheliómetro.
Por su parte, el pirheliómetro es otro dispositivo diseñado para medir la irradiación del sol y la diferencia fundamental que guarda con el piranómetro es que este se encarga de medir la radiación directa y no la difusa. El mismo puede convertir la energía del sol en una señal eléctrica volviéndola más sencilla de medir. Gracias a este instrumento, la luz del sol entra por el instrumento y pasa por la termopila, para transformarse en energía eléctrica.
El voltaje que se genera cuando este evento sucede, indica cuántos vatios por metro cuadrado de energía se recibe. El pirheliómetro por lo tanto, contribuye con el desempeño de los paneles solares a fin de aprovechar toda la energía posible y también ha contribuido a la investigación meteorológica con sus descubrimientos.
Ha sido todo por el artículo de hoy, esperamos que la información proporcionada le haya sido de gran ayuda. Le hacemos la invitación a leer también los siguientes: Cartabón y Galvanómetro
