Sensor de Radiación Solar
Piranómetro.
APOGEE SP-110
Es un sensor analógico auto alimentado capaz de medir la radiación global solar total: una medida de la tasa de energía solar total entrante (tanto directa como difusa) en un plano horizontal en la superficie de la Tierra. Aproximadamente el 80% del total de la radiación de onda corta está dentro de su rango de medición.
Fig. 1. Piranómetro Apogee SP-110
Se utiliza en una amplia variedad de clima. Sus aplicaciones típicas incluyen la medición de la radiación de onda corta en redes meteorológicas agrícolas, ecológicas e hidrológicas, además se utilizan para optimizar los sistemas fotovoltaicos 1.
Características técnicas
Las especificaciones del piranómetro se dan en la siguiente Tabla 2
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Voltaje de operación | - |
| Sensibilidad | 0.20 $mV$ por $W \cdot m^-2$ |
| Campo de Visión | 180° |
| Rango Espectral | [360, 1120] nm |
| Rango de Operación | Temperatura: [-40, 70] °C Humedad Relativa: [0, 100] % |
Montaje
Orientación
Para minimizar el error de acimut, el sensor debe montarse con el cable apuntando hacia el norte verdadero en el hemisferio norte o hacia el sur verdadero en el hemisferio sur, como se observa en la Figura 2. El error de acimut es típicamente menor al 1%, pero es fácil de minimizar por la orientación adecuada del cable.
Fig. 2. Orientación recomendada del Piranómetro.
Además de orientar el cable para que apunte hacia el polo más cercano, el sensor también debe montarse de manera que la torre de la estación meteorológica u otros instrumentos no hagan sombra al sensor.
Soporte
Se debe instalar el sensor en una superficie horizontal y sólida donde se asegure que el sensor este nivelado 2. Se diseño el soporte de la Figura 3 para lograr los requerimientos del montaje.
Fig. 3. Soporte para piranómetro.
Conexión
El piranometro tiene una señal de voltaje positiva dada por el cable rojo y una negativa dada por el cable negro. Si se espera una cantidad significativa de ruido eléctrico, entonces se debe utilizar el cable blanco de masa 2. Los pines de salida del sensor se observan en la Figura 4.
Fig. 4. Pines de salida del Piranómetro
Acondicionamiento de señal
Debido a que el sensor presenta una salida de voltaje muy pequeña del orden de los milivoltios, se requiere un etapa de amplificación para que el microcontrolador pueda leer esta tensión de forma adecuada. En este caso el rango de medición de entrada para cubrir la radiación total de onda corta procedente del sol va de 0 a 250 mV aproximadamente. Es raro que la radiación solar sea superior a 250 mV, pero puede ocurrir cerca del mediodía solar cuando las nubes finas aumentan la radiación descendente.
Para amplificar este tipo de señales de baja potencia se utilizan generalmente amplificadores de instrumentación analogicos en circuitos integrados, sin embargo, actualmente también es posible encontrar modulos digitales que ya integran amplificadores de este tipo en su circuito interno, brindando gran precisión y calidad de conversión. El modulo ADS1015 es un convertidor ADC de 12 bits de resolución, que incorpora un amplificador de ganancia programable (PGA) y que además es capaz de medir señales de voltaje en modo diferencial 3, como la enviada por el piranometro utilizado. Las especificaciones tecnicas del convertidor se dan en la siguiente tabla.
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Voltaje de operación | 2V ∼ 5.5V |
| Corriente de Operación | 150$\mu$A |
| Interfaz de Comunicación | Protocolo i2c |
| Rango de Operación | Temperatura: [-40, 85] °C |
Para definir la amplificación del ADC se sobredimensiona 20% el valor de la radiación máxima que obtiene el sensor, y se supone 300 mV como el voltaje máximo de salida. Por lo que mediante programación se define una PGA = 8 en el ADC, en consecuencia, será capaz de medir señales de voltaje de +/- 512mV, con una resolución de 250$\mu$V 3.
Calculo de Radiación
Todos los modelos de piranómetros no amplificados de Apogee tienen un factor de calibración estándar de exactamente: $5\frac{W}{m^2}$ por $mV$. Multiplicando este factor de calibración por la señal de $mV$ medida por la salida del sensor se obtiene la radiación de onda corta en unidades de $W/m^2$.
Código de Programación
Teniendo en cuenta el Datasheet del piranometro 2 se desarrolla un codigo que permite obtener la lectura de la radiación solar.
El codigo esta disponible en GitHub. Se utiliza la biblioteca ADS1X15 proporcionada por ‘Adafruit’ 4, el fabricante del modulo, donde se encuentran las operaciones y comandos necesarios para la conversión del valor analógico en un dato de voltaje.
A continuación se presenta un código de ejemplo para la medición con el piranómetro SP-110.
Mantenimiento
La humedad o los residuos en el difusor son una causa común de las bajas lecturas. El sensor tiene un difusor abovedado y una carcasa para mejorar la autolimpieza de las precipitaciones, pero pueden acumularse materiales en el difusor (por ejemplo, polvo durante los períodos de escasas precipitaciones, depósitos de sal por evaporación del agua de mar o de riego por aspersión) y bloquear parcialmente el camino óptico.
La mejor manera de eliminar el polvo o los depósitos orgánicos es utilizando agua o limpiador de ventanas y un paño suave o un hisopo de algodón. Los depósitos de sal deben disolverse con vinagre y eliminarse con un paño suave o un bastoncillo de algodón. No se debe utilizar un material abrasivo o un limpiador en el difusor.
Aunque los sensores de Apogee son muy estables, la deriva de precisión nominal es normal para todos los sensores de grado de investigación. Para asegurar la máxima precisión, generalmente se recomienda que los sensores se envíen para su recalibración cada dos años, aunque a menudo se puede esperar más tiempo según tolerancias particulares 2.