La importancia de la respuesta a la temperatura del piranómetro

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Publicado: lunes, 20 de abril de 2015 Uno de los principales parámetros que afectan a la medición de la radiación solar por parte de los piranómetros, en la práctica, es la respuesta a la temperatura. La norma ISO 9060:1990 define la respuesta a la temperatura y los límites de las clasificaciones de los piranómetros, pero no determina cómo calcular los valores. Hay varias formas de hacerlo y los resultados pueden variar considerablemente, como se explica en este artículo.

Los piranómetros y su clasificación

Obtener mediciones de buena calidad sobre la radiación solar es fundamental para muchos campos, como la meteorología, la climatología, los ensayos de materiales y la energía solar. La irradiancia horizontal global (GHI) es la cantidad que se mide más habitualmente, y está compuesta por la irradiancia horizontal difusa (DHI) y la irradiancia directa normal (DNI). La relación entre estos tres componentes de la radiación solar es:

GHI = DHI + DNI*cos(θ), donde θ es el ángulo cenital solar (el eje vertical sobre una ubicación es 0° y el eje horizontal es 90°).

ISO 9060:1990 es la norma internacional para la «especificación y clasificación de instrumentos de medida de la radiación solar hemisférica y directa». Define el piranómetro como el instrumento de medición de la GHI y especifica los parámetros que afectan en mayor medida a la calidad de la medición.

La norma ISO 9060 clasifica la calidad de los piranómetros en función de las especificaciones de rendimiento. Las tres categorías, de menor a mayor calidad, son: segunda clase, primera clase y patrón secundario. En la actualidad, muchos piranómetros sobrepasan considerablemente los requisitos del patrón secundario, pero no hay ninguna clase de calidad superior. No hay ningún piranómetro de patrón primario para la medición de la GHI y, de hecho, esta se calcula a partir de las mediciones de DHI y DNI de mayor calidad.

Definición de la respuesta a la temperatura

Siempre que la cúpula se mantenga limpia, uno de los factores que más incertidumbre producen a la hora de medir la GHI es el efecto de la temperatura ambiente sobre la sensibilidad del piranómetro, en comparación con su temperatura de calibración. En las zonas desérticas, la temperatura ambiente (a la sombra) puede ascender hasta los +50 °C, y en las regiones árticas puede descender hasta los –40 °C, mientras que la temperatura de calibración suele estar en torno a los +20 °C.

La ISO 9060 define la respuesta a la temperatura del piranómetro como la desviación de la sensibilidad por encima de un intervalo de temperatura de 50 grados Kelvin como un porcentaje de la sensibilidad de calibración a una temperatura especificada. Los valores máximos de las clasificaciones de piranómetros se indican en la tabla siguiente.

Respuesta a la temperatura según ISO 9060:1990

Clasificación de piranómetros

Patrón secundario

Primera clase

Segunda clase

Desviación por encima de un intervalo de 50 K

2%

4%

8%

Medición de la respuesta a la temperatura

La norma ISO 9060 define la respuesta a la temperatura, pero no determina una forma normalizada de medirla. Se da el problema de que la respuesta a la temperatura de un piranómetro de termopila no es lineal, y depende en gran medida de las características de flujo térmico que tenga la construcción mecánica. En general, la función es un polinomio de tercer grado.

Se suele emplear un intervalo de temperaturas de entre –10 °C y +40 °C como intervalo representativo de climas no extremos. No obstante, en el mercado se siguen diferentes métodos para determinar la respuesta a la temperatura de un piranómetro.

El método de Kipp & Zonen utiliza la mayor desviación respecto de la sensibilidad de calibración por encima de un intervalo de 50 K:

Con esto, se obtiene la variación más desfavorable en la sensibilidad del piranómetro con respecto al valor de la calibración. Un método alternativo a este emplea la mitad de la diferencia existente entre las desviaciones máxima y mínima de la sensibilidad por encima de un intervalo de temperaturas:

donde ∆S(T) es la desviación de la sensibilidad, con una temperatura T, respecto de la sensibilidad de la calibración.

Sin embargo, este método no proporciona una respuesta a la temperatura realista cuando las desviaciones se producen, sobre todo, en una misma dirección.

La diferencia entre ambos métodos se aclara con el siguiente ejemplo.

Ejemplo de cambio en la sensibilidad del piranómetro con la temperatura

T [ºC]

Desviación de la sensibilidad

-10

-1.4%

0

-0.7%

10

-0.2%

20

0% (temperatura de calibración)

30

-0.1%

40

-0.3%

En este ejemplo, la sensibilidad se reduce en las temperaturas inferiores y superiores, un efecto bastante común, de modo que la desviación mínima es del –1,4 %, y la desviación máxima, del 0 %. Por convención, el signo de la desviación se ignora y la respuesta a la temperatura se expresa como ±x %, o bien <x %.

 A continuación, se muestra la respuesta a la temperatura calculada con ambos métodos.

Método

Respuesta a la temperatura

Método de Kipp & Zonen

1.4%

Método alternativo

(0% +1.4%)/2 = 0.7%

Este método alternativo que se utiliza en el mercado indica una respuesta a la temperatura de solo un 0,7 %, pero este dato no se corresponde con la realidad. Si el piranómetro se usara a –10 °C, la sensibilidad se desviaría un –1,4 % respecto de la sensibilidad calibrada.

El método de Kipp & Zonen, que indica una respuesta a la temperatura del 1,4 %, ofrece un dato realista sobre el error de medida de la respuesta a la temperatura.

 

Conocimiento del cálculo de la respuesta a la temperatura

Para saber que se dispone de un piranómetro de gran calidad para medir la irradiación solar hemisférica, es necesario conocer la respuesta a la temperatura, pero también saber cómo se calculó la respuesta a la temperatura, ya que esto no se define en la norma ISO 9060:1990.

Para comparar las especificaciones de los piranómetros de Kipp & Zonen con las especificaciones de otros fabricantes, es importante saber que existen distintos métodos para determinar la respuesta a la temperatura. Algunos fabricantes emplean un método que subestima la respuesta a la temperatura con un factor de hasta 2.

La tabla siguiente recoge los piranómetros de Kipp & Zonen, su clasificación y su respuesta a la temperatura.

Piranómetro

Clasificación según ISO 9060:1990

Respuesta a la temperatua

CMP 22

Patrón secundario

< 0.5 % (-20 °C to +50 °C)

CMP 21

Patrón secundario

< 1 % (-20 °C to +50 °C)

CMP 10 & 11

Patrón secundario

< 1 % (-10 °C to +40 °C)

SMP10 & 11

Patrón secundario

< 1 % (-20 °C to +50 °C)

< 2 % (-40 °C to +70 °C)

CMP 6

Primera clase

< 4 % (-10 °C to +40 °C)

CMP 3

Segunda clase

< 5 % (-10 °C to +40 °C)

SMP3

Segunda clase

< 3 % (-20 °C to +50 °C)

< 5 % (-40 °C to +70 °C)

 

Artículo de Marc Korevaar, físico del departamento de I+D de Kipp & Zonen.

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