RADIACIÒN Principios de radiación Los objetos que se encuentran a temperaturas mayores al cero absoluto (0 K) emiten radiación. Un objeto que emite la máxima radiación posible para la temperatura a la que se encuentra es denominado cuerpo negro. Definiciones básicas: Energía radiante Q: es la cantidad de energía que incide sobre una superficie de área dada en un período de tiempo dado. Sus unidades son Joules (J). Flujo (potencia) radiante, ɸ : es el flujo de energía radiante por unidad de tiempo. Se mide en Watts, 1W= 1 J/s dq Φ = dt Irradiancia, E: es la densidad de flujo radiante por unidad de superficie que incide sobre un punto en la superficie especificada. Deben incluirse todas las direcciones comprendidas en el ángulo sólido hemisférico por encima o por debajo del punto en la superficie. Se mide en W/m2 E= dφ ds0 La irradiancia es, por tanto función de la posición específica del punto considerado sobre la superficie. Intensidad radiante, I: es la densidad de flujo radiante por unidad de ángulo sólido incidente en un punto del espacio propagándose en una dirección específica. Se mide en W/sr. (sr= estereorradian). I= Donde ω es el ángulo sólido. dφ dϖ 1
Radiancia, L: es la densidad de flujo radiante por unidad de área y de ángulo sólido incidente en un elemento de superficie centrado en un punto del espacio propagandose en una direccion especifica. De mide en W/m2sr. d 2Φ d 2Φ = dϖ ds dϖ ds0 cosθ Donde ds=ds0cosθ es una magnitud denominada área proyectada que es el área de la proyección de la superficie elemental ds0 (la que contiene al punto) sobre un plano perpendicular a la dirección de propagación. L= Métodos de medición de Radiación: La energía radiante puede ser detectada de tres maneras distintas: A) mediante el aumento de la temperatura de una superficie receptora pequeña B) por respuesta de una célula fotoeléctrica C) por métodos fotoquímicos ( se busca reacción que sea afectada por la luz) Los elementos térmicos sensibles pueden generar una señal eléctrica y son los mas utilizados para medir radiación. Los elementos sensores de tipo térmico pueden tomar la forma de una resistencia o una termopila. Veamos como funciona un radiómetro neto, ya que esto es aplicable a otros tipo de sensores. En general los radiómetros neto producen una señal debido a una absorción diferencial de radiación, ya sea entre una superficie blanca y otra negra, dos negras, etc. 2
El balance de energía en el tope de la superficie t de la placa negra esta dado por: α Qb = ε σ Tt 4 + h( Tt Ta ) + λ ( Tt Tb ) l α= coeficiente de absorción Q = densidad de flujo de radiación ε = emisividad σ = cte de Stefan-Boltzmann h= coeficiente de convecciòn (por el aire encerrado) λ = conductividad térmica l= espesor del transductor Ta= temperatura del aire Tb es la temperatura del fondo de la placa Por otro lado el balance de energía en la superficie inferior (b) es: α Qb = ε σ Tb4 + h( Tb Ta ) λ ( Tt Tb ) l La radiación neta Q* se obtiene realizando la resta de las ecuaciones 1) 2) ( ) Q * = α ( Qt Qb ) = ε σ Tt 4 Tb4 + h( Tt Tb ) + 2 λ ( Tt Tb ) l Eliminando los términos por conveccion (ya que es un sólido) la ecuación queda: ( ) Q * = ε σ Tt 4 Tb4 + 2 λ ( Tt Tb ) l El flujo de calor a través del elemento sensible se puede expresar como: G= λ/l (Tt-Tb) Puede ser detectado con la ayuda de una termopila. La diferencia de temperatura entre los extremos fríos y calientes de la termopila produce una señal dependiente del número de uniones involucradas en el aumento de la temperatura. La señal esta relacionada con la diferencia de temperatura total (Tt-Tb) mediante la potencia termoeléctrica. La cual se define como: D= NC(Tt-Tb) N: numero de placas negras y C: cte de proporcionalidad 4 4 3 Usando la aproximación: Tt Tb 4Tt (Tt Tb ) 3
Entonces nos queda: λ D Q * = 4ε σ Tt 3 + 2 = gd l NC Donde g es la constante de calibración que depende de la temperatura, emisividad, conductividad y espesor del transductor térmico. El término de convección térmica puede ser reducido o eliminado encerrando la parte del sensor del transductor térmico del radiómetro con una cobertura de vidrio o cuarzo. El vidrio y el cuarzo son generalmente transparentes a longitudes de onda menores de 4 y 3 micrómetros respectivamente. Detectores Fotovoltaicos Un piranómetro fotovoltaico utiliza un detector de silicio cuya respuesta cubre el rango espectral desde los 400 a 1100 nm y cuya respuesta esta lejos de ser uniforme en todo el rango. Como se observa la respuesta crece gradualmente hasta desde los 400 nm, alcanza un pico alrededor de los 1000 nm y luego cae rápidamente hasta alcanzar el 0 a los 1100 nm. Debido a este gran error en la respuesta espectral estos sensores fotovoltaicos deben ser calibrados contrastándolos con sensor de termo-pila de alta calidad. L Una de las ventajas de los sensores fotovoltaicos es que son muy baratos respecto a los otros sensores, pero no son útiles para mediciones de UV y radiación IR cercana. 4
Definiciones de Radiación: Las mediciones de radiación de onda corta comúnmente utilizadas son la radiación solar global recibida sobre una superficie horizontal y la radiación solar reflejada. La radiación solar global incluye la radiación directa recibida del ángulo sólido del disco solar y la radiación que ha sido dispersada al atravesar la atmósfera. Ocasionalmente la radiación solar global es separada en dos términos: la radiación solar directa y la del cielo o radiación difusa. La radiación de onda corta hacia arriba consiste en la radiación solar reflejada por la superficie y la difundida por la capa de atmósfera ubicada entre la superficie y el punto de observación. La suma de la radiación global menos la solar reflejada es conocida como radiación solar neta La radiación total consiste de la radiación de onda corta y larga. Cuando se considera el flujo hacia abajo, la radiación total incluirá la radiación solar global y la radiación atmosférica de onda larga. Si se considera la radiación hacia arriba, la radiación total la radiación solar reflejada, la radiación terrestre y la radiación de onda larga de la atmósfera entre la superficie y el sensor. La suma de los flujos totales de radiación hacia abajo menos el total de flujo de radiación hacia arriba es la radiación neta. Los instrumentos que mide la radiación se denomina radiómetro Los instrumentos utilizados para medir los diferentes tipos de radiación tienen nombres especiales: PIRANOMETRO: es usado para medir la radiación solar global 5
PYRHELIÓMETRO: es utilizado exclusivamente para medir la radiación solar directa PYRADIOMETRO: es utilizado para radiación total, tanto onda corta como larga PYRGEOMETRO : radiación atmosférica de onda larga 6
ALBEDÓMETRO: Mide albedo PYRADIOMETRO NETO: radiación neta UV Radiometers 7
Sensor de duración de horas de sol Heliofanógrafo: No miden radiación sino horas de sol!!!. 8
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Con que instrumental se miden las diferentes radiaciones definidas: Radiación solar directa Sensor Rango espectral Accesorio necesario Pyrheliometro 300nm - 3,000nm < 5º Track para seguir al sol Radiación Global Sensor Rango espectral Accesorio Pyranometro 300nm 3,000nm 180 Ninguno Radiación Global Reflejada Sensor Rango espectral Pyranometro 300nm 3,000nm 180 Escudo para evitar la llegada de Accesorio radiación no-reflejada proveniente de ángulos chicos Radiación Difusa del cielo Sensor Rango espectral Pyranometro 300nm 3,000nm Radiación 180 Disco de sombra Accesorio: Banda de sombra Dispositivo para generar la sombra: Track solar/ Balon de sombra Track solar/disco de sombra Atmosférica Sensores Pyranometro y Pyrgeometro Rango Espectral 300nm 50µm 180 10
Accesorio Ninguno Emision de superficie Sensor Pyranometro y Pyrgeometro Rango espectral 300nm 5oµm 180 Escudos para evitar la radición no-reflejada Accesorios de ángulo pequeño Balance de Radiación Radiometro Neto 2 Pyranometros y 2 Pyrgeometros Rango espectral 300nm 50µm 180 Escudo para los sensores que miran hacia abajo Accesorios para evitar la radiación no- reflejada Sensor Errores de Medición: 1) Error absoluto de Calibración: error debido al uso de un sensor de referencia que es imperfecto para la calibración del sensor. 2) Error en la respuesta espectral: debido a sensores que no se ajustan a la respuesta espectral ideal. 3) Error del coseno: es un error del sensor debido a una corrección de coseno poco exacta que produce errores cuando el ángulo solar es bajo. 4) Error Azimutal: es el cambio en la salida del sensor cuando el mismo va rotando alrededor de un eje normal a un ángulo particular de incidencia de la radicion solar. 5) Error de histéresis 11
6) Error por coeficiente de temperatura: cuando el sensor es sensible tanto a la temperatura como a la radiación. 7) Error de tiempo de respuesta: existe cuando la entrada cambia tan rapidamente que el sensor no puede responder. Exposición del instrumental: La incidencia de niebla, contaminación, etc debe ser la representativa de la zona. El domo debe permanecer limpio. Una estación de 1ra. Clase requiere una limpieza diaria La condensación NUNCA debe ocurrir dentro del instrumental. El lugar de emplazamiento debe estar libre de sombras desde todos los ángulos solares de todo el año. No debe existir refleccion de luz sobre el sensor. El instrumento debe permanecer bien nivelado. 12