Tema: Educación en Energía Solar

COMPARACIONES DE MEDIDAS OBTENIDAS
MEDIANTE PIRANÓMETROS CON EL MÉTODO DE HOTTEL
V. Passamai 1
INENCO – CIUNSa2 - CONICET
Facultad de Ciencias Exactas
Av. Bolivia 5150 – 4400 Salta. R. Argentina
Tel.: 0054-87-255389 – Fax: 0054-87-255489 – Email: <[email protected]>
RESUMEN
Se presentan algunas conclusiones resultantes de la comparación de mediciones realizadas con tres piranómetros, efectuadas
durante días claros en la Ciudad de Salta, con la aplicación de un programa de cálculo de radiación sobre superficie horizontal, que responde al método de Hottel. Se eligieron algunos días de los meses de enero y julio de 2000, por haber tenido las
características que se esperan para días sin nubes, mostrándose varias series de datos que presentan acuerdo con la correlación de Hottel. Se detalla la metodología empleada para las mediciones, determinación de errores globales, calibración y
comparación de los aparatos y el método de Hottel con un piranómetro que puede ser considerado como patrón.
Palabras clave : Hottel, piranómetros, días claros
INTRODUCCIÓN
El método de Hottel (1976) permite estimar la radiación directa para condiciones de atmósfera clara, según la latitud y altura
del lugar, así como las características del clima, determinadas según cuatro tipos. El mismo es de los más simples entre los
numerosos métodos presentados por los distintos clásicos que estudian la radiación solar (Duffie y Beckman, 1991, Iqbal,
1983) y su utilidad práctica se ve potenciada cuando es necesario aplicarlo para simulaciones térmicas de aparatos y dispositivos solares bajo radiación solar o, por carecer de piranómetros, se desea estimar datos de días despejados en una determinada localidad.
MATERIAL Y MÉTODO
Se trabajó con dos piranómetros Kipp & Zonnen CM5, cuyos errores en la lectura de la radiación se estima en alrededor del
5%, y un radiómetro Eppley, Mod. "PSP", calibrado con un equipo patrón (Cadena, 2000). Estos tienen un nivel para establecer la horizontalidad y doble cúpula de vidrio para evitar las distorsiones de corrientes de aire, lo que los hace frágiles para su
manejo en mediciones de campo. Además son relativamente pesados (3 kg) y caros. El cuarto aparato usado fue un “Medidor
de Luz (Light Meter) LI-250” con un sensor piranómetro para medir radiación solar, del tipo “SA”, según es denominado por
la firma “LI-COR” que fabrica el mismo. Este equipo tiene la característica de ser liviano, pues pesa menos de 300 g. Si bien
se fabrica un accesorio de montaje y nivelación, en este caso no se contó con el mismo. El fabricante especifica que la radiación global medida (“sol más cielo”) tiene una precisión de ± 5% “bajo condiciones de luz diurna sin obstrucciones” (LICOR, 1996). No tiene cúpulas de vidrio y mide en el rango de 0 a 1999 W/m 2 con una resolución de 0,1 W/m 2, según las
mismas especificaciones mencionadas.
El método de medición consistió en colocar los dispositivos en una superficie horizontal, al aire libre, lejos de obstáculos que
pudieran dar sombra o reflexiones, y realizar las lecturas de radiación de manera simultánea durante cuatro horas alrededor
del mediodía solar. Los equipos Kipp & Zonnen fueron conectados a sendos multímetros que fueron puestos a la sombra, lo
mismo que el medidor LI-250. El radiómetro Eppley fue usado con posterioridad para contrastar con él los otros piranómetros. En el momento de medir, a intervalos de entre 5 y 30 minutos, fueron encendidos los multímetros y el medidor LI-COR,
realizándose cada medida con este último en el modo denominado “promedio”. Las mediciones primarias leídas con los multímetros fueron expresadas en mV, contándose con una constante de conversión para uno solamente de los dos aparatos Kipp
& Zonnen.
RESULTADOS
La Figura 1 muestra los datos (unidos mediante líneas continuas) obtenidos de la lectura directa de los tres piranómetros:
“Kip-1”, “Kip-2” y “LI-COR”. Por su parte, la Figura 2 presenta, superpuestos, los datos del piranómetro LI-COR, el piranómetro que tenía constante de conversión (“Kip-1”) una vez aplicada ésta, y los datos de radiación que se obtuvieron de calcular mediante el método de Hottel.
1
Investigador Adjunto del CONICET
Consejo de Investigación de la Universidad Nacional de Salta, organismo financiador.
2
asades2k1.doc / compaq / passam1
Para visualizar adecuadamente los datos, la Figura 1 tiene dos escalas distintas para el eje vertical correspondiente a los valores de radiación. El de la izquierda los expresa en W/m 2, mientras que a la derecha se han transcripto en el equivalente en mV,
proveniente del uso de los multímetros en la escada de milivolts, correspondiente a la señal analóga de la radiación. Como se
puede apreciar, los datos se han presentado como curvas continuas, producto de la unión de los puntos mediante trazos de
distinta naturaleza (continuo o puntos) para permitir observar la coincidencia de la tendencia de todos, no así los valores, ni
siquiera de los Kipp & Zonnen, debido a diferencias en sus constantes de conversión.
La Figura 2 muestra claramente una gran coincidencia entre los datos del piranómetro denominado “Kip-1”, cuya constante
de conversión de mV a W/m 2 era de 94,97 (W/m 2)/mV, y los determinados por el método de Hottel (Passamai, 2000). La diferencia media entre ambos datos fue del 1,3 %, tomando como dato de referencia el correspondiente a la correlación. El piranómetro LI-COR muestra valores un 14 % mayores que aquéllos.
Figura 1: Datos primarios tomados con los piranómetros.
Figura 2: Superposición con la correlación de Hottel.
En estas figuras las diferencias se muestran exageradas debido a las escalas usadas. Esto se observa que cambia en la Figura
3, resultante de modificar adecuadamente la escala de radiación, haciendo que comience en 0 W/m 2. Aquí se observa también
la cercanía de los datos con el correspondiente al mediodía solar, pues los mismos aparecen más “planos”.
Figura 3: Representación de datos en escala 0-1400 W/m 2.
Figura 4: Datos corregidos con la correlación de Hottel.
Tomando los valores de la correlación de Hottel como buenos y refiriendo los datos primarios medidos con el piranómetro
Kip-1 a aquéllos, se pudo determinar una nueva constante de conversión para éste. En promedio, su valor resultó ser 95,4
(W/m 2)/mV, con un error cuadrático medio del promedio igual a 0,4 (W/m 2)/mV, o sea un error porcentual del 0,3 %. Si se
compara esta constante así calculada con la que traía el aparato, ambas difieren sólo en un 0,5 %. Recalculando los datos
primarios para Kip-1 con la nueva constante, para obtener la conversión de mV a W/m 2, el error global promedio respecto de
la curva de Hottel se redujo al 1,2 %.
Por su parte, ajustando los datos tomados con el aparato LI-COR también a los de la correlación de Hottel, resultó que la
constante de conversión para aquél pasó a ser 0,884 ± 0,005, con un error del 0,6 %. Los datos así convertidos son un 10 %
más bajos que los leídos. Al igual que antes, con el recálculo de estas medidas, se pudo disminuir la diferencia promedio entre ellas y la correlación, en este caso hasta un 1,8 %.
Para el piranómetro cuya constante no se conocía (Kip-2), se realizó la calibración de igual manera, resultando entonces un
valor de aquélla igual a (83,2 ± 0,4) (W/m 2)/mV, con un error absoluto del 0,5 % . El recálculo de los datos dio una diferencia
promedio con la curva de Hottel del 1,5 %.
La Figura 4 muestra los resultados superpuestos, luego de recalcular los datos de los tres piranómetros de acuerdo con el procedimiento mencionado en los párrafos anteriores.
COMPARACIÓN CON UN PIRANÓMETRO PATRÓN
Como se mencionó anteriormente, se usó un radiómetro Eppley como piranómetro patrón para comparar los datos obtenidos
de los otros tres, usados normalmente en mediciones de campo. Dicha comparación fue realizada sucesivamente con cada piranómetro y el radiómetro por aparte.
En la Figura 5 se muestran las curvas superpuestas para los datos del piranómetro patrón (piranómetro Eppley) y el denominado Kip-1 (Kipp & Zonnen CM5), habiéndose usado para éste su constante corregida. La diferencia media porcentual entre
ambos datos, referidos a los del piranómetro, es del 2,5 %.
La Figura 6, en cambio, muestra las curvas para los datos del piranómetro patrón y Kip -2, para el cual se usó la constante correlacionada de valor 83,2 (W/m 2)/mV. La diferencia media porcentual calculada es del 3 %.
En la Figura 7 se representaron superpuestas las curvas de radiación medidas con el piranómetro patrón y las correspondientes al medidor LI-COR sin corregir y luego de aplicar el coeficiente de corrección. En el primer caso la diferencia media es
del 12 % y en el segundo sólo del 3,2 %.
Figura 5: Comparación entre datos de Kip-1 y Eppley PSP.
Figura 7: Datos de LI-COR y el piranómetro patrón.
Figura 6: Datos comparativos entre Kip -2 y Eppley.
Figura 8: Datos tomados con Eppley y calculados de Hottel.
Por último, la Figura 8 muestra datos de radiación para un día claro, medidos mediante el piranómetro Eppley, y los calculados para el mismo día mediante el método de Hottel. El error medio porcentual entre datos y valores calculados fue del 2,3%.
CONCLUSIONES
El criterio de elegir la correlación de Hottel como patrón de medición de la radiación (comparada con un piranómetro patrón)
para un día claro permitió el recálculo de las constantes de tres piranómetros.
Uno de éstos, el denominado “Kip-1”, presentó una coincidencia inicial con los cálculos de Hottel del 1,3 %. Por otro lado, la
coincidencia con una piranómetro patrón, sugirió tomar la decisión de asignar al método de Hottel la categoría de “patrón”,
siempre que se tenga día claro.
El cálculo de las constantes para los piranómetros permitió elaborar una tabla como la siguiente:
Piranómetro
LI-COR
Kip-1
Kip-2
Constante
0,884
95,4 (W/m 2)/mV
83,2 (W/m 2)/mV
Desv. c. m. del promedio
0,05
0,4 (W/m 2)/mV
0,4 (W/m 2)/mV
Error absoluto
0,6 %
0,3 %
0,5 %
Diferencia c/Hottel
1,8 %
1,2 %
1,5 %
Tabla 1: Constantes de calibración de los piranómetros, con sus desviaciones cuadráticas medias,
errores absolutos y diferencias porcentuales con respecto a la determinación mediante el método de Hottel.
Los datos de las dos últimas columnas de esta tabla, coincidentes en su tendencia, permiten establecer un criterio de “calidad”
de cada uno de los aparatos.
La menor precisión del equipo LI-COR en parte también puede atribuirse a la falta de un sistema de nivelación.
Todos los argumentos usados a favor de la correlación de Hottel pudieron ser corroborados tanto mediante la comparación de
los datos medidos por los piranómetros con respecto al patrón, como de la comparación directa de éste con los cálculos de
Hottel. Convendría repetir estas mediciones y su correspondiente cálculo a lo largo del tiempo y para otros lugares (véase
Passamai, 2000).
REFERENCIAS Y BIBLIOGRAFÍA
Cadena, C., Universidad Nacional de Salta (2000) Comunicación personal.
Duffie, J. A. y Beckman, W. A. (1991) Solar Engineering of Thermal Processes, 2ª Edición. Wiley-Interscience, New York..
Hottel, H. C. (1976) Solar Energy, 18, 129. “A simple model for estimating the transmitance of direct solar radiation through.
clear atmospheres”.
Iqbal, M. (1983) An Introduction to Solar Energy, Academic Press, Toronto, Canadá.
LI-COR (1996) LI-250 Light Meter Instruction Manual, LI-COR, Inc. Environmental Division. E-mail: envsales
@env.licor.com. Inernet: http://www.licor.com.
Passamai, V. J. (2000), Determinación de radiación solar horaria para días claros mediante planilla de cálculo. Avances en
Energías Renovables y Medio Ambiente.
COMPARISONS OF PYRANOMETER MEASUREMENTS WITH HOTTEL'S METHOD
ABSTRACT
A comparison of measurements carried out with three pyranometers is presented. They were performed during clear days in
the City of Salta, Northern Argentina. The result of applying a program to calculate the global radiation on a horizontal surface, that responds to the method of Hottel, is also compared. Clear days of January and July 2000 were tested. Several series
of data show a good agreement with Hottel's correlation. The methodology employed for the measurements, the determination of global errors, calibration and the comparisons with a standard pyranometer are detailed.
Key words: Hottel, pyranometers, clear days