Explicación de las especificaciones del piranómetro

Comprensión de las especificaciones del piranómetro.

El mundo de las especificaciones de los piranómetros es complejo, y elegir el piranómetro adecuado para cada aplicación suele ser crucial. Con tantas variables en las especificaciones, es importante comprender qué representa cada una y cómo afecta a las mediciones. Sin más preámbulos, presentamos la guía de ESS Earth Sciences sobre especificaciones de piranómetros.

Notas:

1. Como distribuidores principales de sensores de irradiancia Kipp y Zonen, en ESS nos centraremos principalmente en estos productos. Sin embargo, las especificaciones son aplicables a todas las marcas y modelos. Muchas de estas especificaciones se describen en la clasificación ISO 9060:1990.
2. La mayoría de las especificaciones se aplican a todos sensores de irradiancia solar, como los pirheliómetros y los pirgeómetros. Sin embargo, esta guía se centra en los piranómetros.

Especificaciones del piranómetro: una guía

Clasificación de piranómetros

Esto se refiere al rendimiento general del piranómetro y su comparación con la norma ISO 9060:1990. Existen 4 clasificaciones, aunque solo tres son aplicables a sensores de irradiancia solar comerciales. En general, las centrales solares y los estudios meteorológicos serios deberían utilizar sensores de irradiancia de Clase A, ya que ofrecen un rendimiento superior y una mejor relación coste-beneficio en estos sectores.

• Grado de referencia: el estándar de oro en sensor de irradiancia para comparar todos los piranómetros. Son, literalmente, el estándar mundial. Su adquisición no es comercialmente viable.
• Piranómetro de clase A con respuesta espectralmente plana: el grado más alto de piranómetro disponible comercialmente (piranómetros SMP y CMP 10, 11, 21, 22). (También se denominaba estándar secundario).
• Piranómetro de clase B espectralmente plano: alto nivel de rendimiento, pero no cumple con el estándar de clase A (SMP y CMP 6). Anteriormente, de primera clase.
• Piranómetro de clase C con espectro plano: ofrece un buen rendimiento, pero no cumple con los criterios de la clase B (SMP y CMP 3). Anteriormente denominado de segunda clase.

Normas ISO 9060:1990

Especificaciones del piranómetro — Clase A de espectro plano — Clase B de espectro plano — Clase C de espectro plano

Tiempo de respuesta (95% de respuesta) — < 15 s — < 30s — < 60S

Desplazamiento cero (a) Respuesta a una radiación térmica neta 200 W /m² (ventilado) (b) Respuesta a un cambio de temperatura ambiente de 5 K/h — ± 7 W /m² ± 2 W /m² — ± 15 W /m² ± 4 W /m² — ± 30 W /m² ± 8 W /m²

No estabilidad (cambio anual, porcentaje de la escala completa) — ± 0.8 % — ± 1.5 % — ± 3.0 %

No linealidad (desviación porcentual de la responsividad a 500 W /m² debido a cualquier cambio de irradiancia dentro del rango 100 a 1000 W /m²) — ± 0.5 % — ± 1 % — ± 3 %

Respuesta direccional para radiación de haz (rango de errores causados ​​por asumir que la responsividad de incidencia normal es válida para todas las direcciones al medir, desde cualquier dirección, radiación de haz cuya irradiancia de incidencia normal es 1000 W /m²). Generalmente definida como hasta un ángulo cenital de 80°. — ± 10 W /m² — ± 20 W /m² — ± 30 W /m²

Selectividad espectral (porcentaje de desviación del producto de la absorbancia espectral y la transmitancia espectral respecto de la media correspondiente dentro de 0.35 µm y 1.5 µm) — ± 3 % — ± 5 % — ± 10 %

Respuesta a la temperatura (desviación porcentual debida al cambio de temperatura ambiente en un intervalo de 50 K) — 2% — 4% — 8%

Respuesta a la inclinación (desviación porcentual de la responsividad a 0° de inclinación, horizontal, debido al cambio de inclinación de 0° a 90° con una irradiancia 1000 W /m²) — ± 0.5 % — ± 2 % — ± 5 %

Normas ISO 9060:1990 para sensores de irradiancia solar

Sensibilidad: solo para piranómetros analógicos.

La sensibilidad se mide en microvoltios por vatio por metro cuadrado (µV/W/m²). Se relaciona con la interpretación de la irradiancia solar total recibida. Un rango más estrecho aumenta la resolución.

Impedancia: solo para piranómetros analógicos.

Se refiere a la resistencia eléctrica total generada por las uniones, cables y conexiones dentro del piranómetro.

Rango de salida previsto: solo para piranómetros analógicos.

Medida en µV, esta será la señal de salida del piranómetro. Los registradores de datos registran las salidas en µV y las convierten a W/m² (esto se realiza dentro del registrador o en otro lugar). La salida es directamente proporcional a la radiación solar recibida por los sensores de la termopila.

Irradiancia operativa máxima

Irradiancia solar máxima que el piranómetro puede recibir antes de que sea probable que se produzcan daños. El valor mínimo para un piranómetro Kipp y Zonen es de 2000 W / 2. La constante solar (promedio recibido en la Tierra por W/m2) es de aproximadamente 1370 W / 2 por lo que es improbable que se supere el límite máximo durante los estudios realizados en la Tierra. Los piranómetros de mayor calidad tienen una irradiancia máxima de 4000 W / 2

Tiempo de respuesta (63%) y tiempo de respuesta (95%)

Hay un par de detalles que conviene aclarar. Primero, ¿qué es el tiempo de respuesta? Y segundo, ¿qué significan el 63% y 95%? Para algunas aplicaciones, el tiempo de respuesta no es crítico. Sin embargo, para aplicaciones como las centrales de energía solar concentrada, donde el aumento y la disminución del suministro para satisfacer la demanda dependen del movimiento de las nubes, un tiempo de respuesta rápido de los piranómetros y pirheliómetros es fundamental. Por lo tanto, esta es una de las especificaciones más importantes de los piranómetros en la industria solar.

El tiempo de respuesta se refiere al tiempo que tarda un radiómetro en reaccionar a un cambio en el parámetro medido. Piense en cómo reaccionan sus ojos a un cambio de luz. La respuesta no siempre es inmediata; a veces se requiere un ajuste. El tiempo de respuesta depende de la termopila y de la construcción general del radiómetro. Materiales y componentes de mayor calidad se traducen en un tiempo de respuesta más preciso.

Los valores del tiempo de respuesta (medidos en segundos) se dividen en 63% y 95%. 63% se refiere a los segundos que tarda la salida del piranómetro en alcanzar 63% del valor final del cambio escalonado en la irradiancia. De manera similar, el 95% se refiere al tiempo que tarda en alcanzar 95% de la salida final.

Rango espectral (puntos 20% y 50%)

Hay algunas cosas que analizar aquí.

El rango espectral se refiere al espectro de la radiación electromagnética. El espectro electromagnético abarca desde la radiación gamma (longitud de onda 0.5µm) hasta las ondas de radio (longitud de onda 500,000,000 µm). Los paneles solares fotovoltaicos estándar producen energía (en forma de electricidad) a partir de longitudes de onda comprendidas aproximadamente entre 200 – 700 µm. Este rango se sitúa entre la radiación ultravioleta y la radiación infrarroja cercana.

Los piranómetros producen señales en un amplio rango espectral, generalmente entre 210 a 3600 µm. Por ello, son ideales para medir la luz ultravioleta, la luz visible y la radiación infrarroja cercana.

Los puntos 50 % son las longitudes de onda en las que la salida del instrumento se reduce en 50 % con una entrada 100 %.

Desplazamientos cero (sin ventilación)

(a) radiación térmica

b) cambio de temperatura

En primer lugar, debemos comprender un poco cómo funciona un piranómetro (haga clic aquí para obtener más información). El sensor de termopila de un piranómetro requiere una diferencia de temperatura entre las uniones caliente y fría de la termopila. Esta diferencia temperatura genera un voltaje muy pequeño. El voltaje es proporcional a la radiación solar recibida (a mayor radiación, mayor voltaje). Los registradores de datos miden la salida de voltaje y luego calculan la irradiancia solar en W/ m2 a partir de los mV; esto se relaciona con el rango de salida esperado.

Pero, ¿qué tiene que ver esto con las desviaciones cero? En algunos casos, el sensor de termopila está más caliente que la atmósfera circundante (específicamente la cúpula). Cuando esto sucede, la energía térmica se transfiere del sensor a la cúpula y, finalmente, a la atmósfera. En estos casos, se produce una salida negativa, lo que se denomina Desviación Cero Tipo A. Esto es perfectamente normal y se experimenta principalmente durante la noche. Instalar un ventilador como el CVF4 minimizará los efectos. Los piranómetros más avanzados tienen dos cúpulas para reducir la transferencia radiativa al máximo.

Tipo B de compensación cero: el cambio de temperatura se refiere a la respuesta del piranómetro a los cambios de temperatura del aire circundante. Su función es compensar pequeñas fluctuaciones en la temperatura del aire. Se cuantifica en ISO 9060:1990 como la respuesta en W/m² a un cambio de 5 K/h en temperatura ambiente.

No estabilidad (cambio/año)

Este es el cambio porcentual en la sensibilidad a lo largo de un año. Este efecto se debe principalmente a la degradación del recubrimiento absorbente negro de la superficie de la termopila por la radiación UV. Cuanto más negro sea el sensor mayor será la cantidad de radiación que podrá absorber, lo que aumenta su precisión. La radiación UV irá decolorando el negro con el tiempo, al igual que cualquier material expuesto al sol durante un período prolongado.

Cuanto menor sea este porcentaje de variación, mejor. SMP22 de Kipp y Zonen presenta un valor 0.5%. Debido a esta deriva, es necesario recalibrar periódicamente el piranómetro para restablecerlo y comprender cómo han variado las mediciones con el tiempo.

No linealidad (100 a 1000 W /m²)

Definición según la ISO 9060:1990: Como la desviación porcentual en la sensibilidad en un rango de irradiancia de 100 a 1000 W /m² en comparación con la sensibilidad a la irradiancia de calibración de 500 W /m².

El efecto no lineal se debe principalmente a la pérdida de calor por convección y radiación en la superficie del sensor negro. Esto provoca que el equilibrio térmico condicional del radiómetro sea no lineal.

Respuesta direccional (hasta 80° con haz 1000W /m²)

La radiación incidente sobre una superficie plana horizontal, proveniente de una fuente puntual con una posición cenital definida (como el sol), tendrá un valor de intensidad proporcional al coseno del ángulo cenital de incidencia.

Idealmente, un piranómetro tiene una respuesta direccional que sigue la ley del coseno. Sin embargo, la respuesta direccional del piranómetro se ve influenciada por el detector y la calidad de la cúpula. La desviación máxima respecto a la respuesta ideal del piranómetro se da hasta un ángulo de incidencia de 80° con respecto a una irradiancia 1000 W /m² en incidencia normal (ángulo cenital de 0°). Agradecemos a Kipp y Zonen por esta explicación.

Selectividad espectral

Variación de la transmitancia de la cúpula y del coeficiente de absorción del recubrimiento negro del detector con la longitud de onda. Generalmente se expresa como porcentaje del valor medio.

Respuesta a la inclinación (0° a 90° a 1000 W /m²)

Desviación de precisión causada por la inclinación del piranómetro entre 0° a 90° a una irradiancia de incidencia normal 1000 W /m². El porcentaje es muy bajo con los piranómetros Kipp y Zonen; por ejemplo, el CMP3 es 1%, y el CMP/SMP 10, 21 y 22 es 0.2%. Información necesaria para los cálculos de irradiancia solar para piranómetros con ángulo POA, aunque el efecto es insignificante.

Respuesta a la temperatura

Según la definición de la ISO 9060:1990: la desviación porcentual debida a cambios en temperatura ambiente dentro de un intervalo de 50 K. Expresada como porcentaje, cuanto menor sea el porcentaje, menor será la desviación. Un CMP3 tendrá una respuesta a la temperatura del 5%, mientras que un CMP22 tendrá una respuesta a la temperatura del 0.5%.

Campo de visión

¿Cuánta radiación puede detectar el sensor de irradiancia? Esto afecta la exposición máxima posible del sensor a la radiación incidente. Dado que los piranómetros miden la irradiancia horizontal global (toda la irradiancia incidente en un plano horizontal) cuando están planos, deben detectar toda la radiación incidente desde arriba, por lo que se necesita un campo de visión 180°. En cambio, un pirheliómetro solo mide la radiación directa (un haz estrecho), por lo que debe tener un campo de visión restringido a aproximadamente 5°.

Tipo de detector

El sensor utilizado en el instrumento de irradiancia. Los piranómetros CMP y SMP de Kipp y Zonen utilizan sensores de termopila de alta calidad. Sin embargo, también existen piranómetros con sensores de silicio.

temperaturas de funcionamiento y almacenamiento

temperaturas máximas y mínimas a las que pueden estar expuestos los piranómetros antes de que se produzcan daños. La temperatura de funcionamiento puede incrementarse con una unidad de ventilación CVF4.

Rango de humedad

Niveles máximos y mínimos de humedad que un piranómetro puede soportar antes de sufrir daños. Dado que los piranómetros cuentan con desecante y un grado de protección IP67, pueden operar con una humedad 100%. De hecho, los piranómetros Kipp y Zonen pueden funcionar bajo el agua. Por consiguiente, este es uno de los aspectos menos importantes de las especificaciones del piranómetro.

Tiempo medio entre fallos

El tiempo transcurrido previsto entre fallos inherentes de un sistema mecánico o electrónico, durante el funcionamiento normal del sistema. Fuente: https://en.wikipedia.org/wiki/Mean_time_between_failures.

Tensión de alimentación: solo serie SMP

Fuente de alimentación necesaria para el funcionamiento de los piranómetros SMP.

Esperamos que esta guía de especificaciones del piranómetro le haya resultado útil. Agradecemos sus sugerencias para futuras guías sobre cualquiera de nuestros productos; póngase en contacto con nosotros y háganoslo saber.

ESPECIFICACIONES DE LA SERIE CMP

Aquí puede descargar PDF con las especificaciones del piranómetro CMP.

ESPECIFICACIONES DEL PIRANOMETRO SERIE CMP

ESPECIFICACIÓN — CMP3 — CMP6 — CMP10/CMP11 — CMP21 — CMP22

Clasificación según ISO 9060:1990 — Clase C — Clase B — Clase A — Clase A — Clase A

Sensibilidad — 5 a 20µV /W/m² — 5 a 20µV /W/m² — 7 a 14µV /W/m² — 7 a 14µV /W/m² — 7 a 14µV /W/m²

Impedancia — 20 a 200Ω — 20 a 200Ω — 10 a 100Ω — 10 a 100Ω — 10 a 100Ω

Rango de salida esperado (0 a 1500 W /m²) — 0 a 30mV — 0 a 30mV — 0 a 20mV — 0 a 20mV — 0 a 20mV

Irradiancia operativa máxima — 2000 W /m² — 2000 W /m² — 4000 W /m² — 4000 W /m² — 4000 W /m²

Tiempo de respuesta (63 %) — < 6 s — < 6 s — < 1.7 s — < 1.7 s — < 1.7 s

Tiempo de respuesta (95 %) — < 18 s — < 18 s — < 5 s — < 5 s — < 5 s

Rango espectral (puntos 20 %) — 285 a 3000nm — 270 a 3000nm — 270 a 3000nm — 270 a 3000nm — 210 a 3600nm

(50 % puntos) — 300 a 2800nm — 285 a 2800nm — 285 a 2800nm — 285 a 2800nm — 250 a 3500nm

Desplazamientos cero (sin ventilación)

(a) radiación térmica (a 200 W /m²) — < 15 W /m² — < 10W /m² — < 7W /m² — < 7W /m² — < 3W /m²

(b) cambio de temperatura (5 K/h) — < 5 W /m² — < 4 W /m² — < 2W /m² — < 2W /m² — < 1W /m²

No estabilidad (cambio/año) — < 1% — < 1% — < 0.5% — < 0.5% — < 0.5%

No linealidad (100 a 1000 W /m²) — < 1.5% — < 1% — < 0.2% — < 0.2% — < 0.2%

Respuesta direccional (hasta 80 ° con haz 1000 W /m²) — < 20 W /m² — < 20 W /m² — < 10 W /m² — < 10 W /m² — < 5W /m²

Selectividad espectral (350 a 1500 nm) — < 3% — < 3% — < 3% — < 3% — < 3%

Respuesta de inclinación (0 ° a 90 ° a 1000 W /m²) — < 1% — < 1% — < 0.2% — < 0.2% — < 0.2%

Respuesta a la temperatura — < 5% (- 10 °C a + 40 °C) — < 4% (- 10 °C a + 40 °C) — < 1% (- 10 °C a + 40 °C) — < 1% (- 20 °C a + 50 °C) — < 0.5% (- 20 °C a + 50 °C)

Campo de visión — 180 ° — 180 ° — 180 ° — 180 ° — 180 °

Precisión del nivel de burbuja — < 0.2 ° — < 0.1 ° — < 0.1 ° — < 0.1 ° — < 0.1 °

Salida del sensor de temperatura — NA — NA — NA — Termistor 10 k (opcional Pt- 100) — Termistor 10 k (opcional Pt- 100)

Tipo de detector — Termopila — Termopila — Termopila — Termopila — Termopila

Rango de temperatura de funcionamiento y almacenamiento: 40 °C a +80 80 °C; 40 °C a 80 °C; 40 °C a +80 80 °C; 40 °C a +80 80 °C; 40 °C a 80 °C

Rango de humedad: 0 a 100% — 0 a 100% — 0 a 100% — 0 a 100% — 0 a 100%

MTBF (Tiempo medio entre fallos) — > 10 años — > 10 años — > 10 años — > 10 años — > 10 años

Clasificación de protección IP (Ingreso a la Entrada) — 67 — 67 — 67 — 67 — 67

Incertidumbre del piranómetro in situ — Calcular con la aplicación Suncertainty — Calcular con la aplicación Suncertainty — Calcular con la aplicación Suncertainty — Calcular con la aplicación Suncertainty — Calcular con la aplicación Suncertainty

Aplicaciones recomendadas: — Solución económica para mediciones rutinarias en estaciones clima y ensayos de campo. — Mediciones de alta calidad para redes hidrológicas y control climático de invernaderos. — Redes meteorológicas, ensayos de paneles fotovoltaicos y colectores térmicos, ensayos de materiales. — Redes meteorológicas, mediciones de referencia en climas extremos, polares o áridos. — Investigación científica que requiere el máximo nivel de precisión y fiabilidad en las mediciones.

Tabla de especificaciones de piranómetros CMP – Piranómetros Kipp y Zonen.

ESPECIFICACIONES DE LA SERIE SMP

Aquí puede descargar PDF con las especificaciones del piranómetro CMP.

ESPECIFICACIONES DEL PIRANOMETRO SERIE SMP

ESPECIFICACIONES — SMP3 — SMP6 — SMP10/SMP11 — SMP21 — SMP22

Clasificación según ISO 9060:1990 — Clase C — Clase B — Clase A — Clase A — Clase A

Salida analógica versión V — 0 a 1V — 0 a 1V — 0 a 1V — 0 a 1V — 0 a 1V

Rango de salida analógica — - 200 a 2000W /m² — - 200 a 2000W /m² — - 200 a 2000W /m² — - 200 a 2000W /m² — - 200 a 2000W /m²

Salida analógica versión A — 4 a 20mA — 4 a 20mA — 4 a 20mA — 4 a 20mA — 4 a 20mA

Rango de salida analógica — 0 a 1600W /m² — 0 a 1600W /m² — 0 a 1600W /m² — 0 a 1600W /m² — 0 a 1600W /m²

Salida serie — RS-485 Modbus ® — RS-485 Modbus ® — RS-485 Modbus ® — RS-485 Modbus ® — RS-485 Modbus ®

Rango de salida en serie — - 400 a 2000W /m² — - 400 a 2000W /m² — - 400 a 4000W /m² — - 400 a 4000W /m² — - 400 a 4000W /m²

Tiempo de respuesta (63 %) — < 1.5 s — < 1.5 s — < 0.7 s — < 0.7 s — < 0.7 s

Tiempo de respuesta (95 %) — < 12 s — < 12 s — < 2 s — < 2 s — < 2 s

Rango espectral (puntos 20 %) — 285 a 3000nm — 270 a 3000nm — 270 a 3000nm — 270 a 3000nm — 210 a 3600nm

(50 % puntos) — 300 a 2800nm — 285 a 2800nm — 285 a 2800nm — 285 a 2800nm — 250 a 3500nm

Desplazamientos cero (sin ventilación)

(a) radiación térmica (a 200 W /m²) — < 15W /m² — < 10W /m² — < 7 W /m² — < 7 W /m² — < 3 W /m²

(b) cambio de temperatura (5 K/h) — < 5W /m² — < 4W /m² — < 2 W /m² — < 2 W /m² — < 1 W /mm²

No estabilidad (cambio/año) — < 1% — < 1% — < 0.5% — < 0.5% — < 0.5%

No linealidad (100 a 1000 W /m²) — < 1.5% — < 1% — < 0.2% — < 0.2% — < 0.2%

Respuesta direccional (hasta 80 ° con haz 1000 W /m) — < 20W /m² — < 15W W/m² — < 10 W /m² — < 10W /m² — < 5 W /m²

Respuesta a la temperatura — < 2% (- 20 °C a + 50 °C) — < 1.5% (- 20 °C a + 50 °C) — < 1% (- 20°C a + 50 °C) — < 0.3% (- 20°C a + 50 °C) — < 0.3% (- 20°C a + 50 °C)

< 4% (- 40 °C a + 70 °C) — < 3% (- 40 °C a + 70 °C) — < 2% (- 40 °C a + 70 °C) — < 0.3% (- 40 °C a + 70 °C) — < 0.3% (- 40 °C a + 70 °C)

Selectividad espectral (350 a 1500 nm) — < 1% — < 1% — < 1% — < 1% — < 2%

Respuesta de inclinación (0 ° a 90 ° a 1000 W /m²) — < 1% — < 1% — < 0.2% — < 0.2% — < 0.2%

Campo de visión — 180 ° — 180 ° — 180 ° — 180 ° — 180 °

Precisión del nivel de burbuja — < 0.2 ° — < 0.1° — < 0.1 ° — < 0.1 ° — < 0.1 °

Consumo de energía (a 12 V CC) — Versión V: 55mW — Versión V: 55mW — Versión V: 55mW — Versión V: 55 55mW — Versión V: 55mW

Versión A: 100mW — Versión A: 100mW — Versión A: 100mW — Versión A: 100mW — Versión A: 100mW

Software, Windows ™ — Software Smart Sensor Explorer, para configuración, prueba y registro de datos. — Software Smart Sensor Explorer, para configuración, prueba y registro de datos. — Software Smart Sensor Explorer, para configuración, prueba y registro de datos. — Software Smart Sensor Explorer, para configuración, prueba y registro de datos. — Software Smart Sensor Explorer, para configuración, prueba y registro de datos.

Tensión de alimentación: 5 a 30VDC; 5 a 30VDC; 5 a 30VDC; 5 a 30VDC; 5 a 30VDC

Tipo de detector — Termopila — Termopila — Termopila — Termopila — Termopila

Rango de temperatura de funcionamiento y almacenamiento: 40 °C a +80 80 °C; 40 °C a 80°C; 40 °C a +80 80 °C; 40 °C a +80 80 °C; 40 °C a 80 °C

Rango de humedad: 0 a 100% — 0 a 100% — 0 a 100% — 0 a 100% — 0 a 100%

MTBF (Tiempo medio entre fallos) — > 10 años — > 10 años — > 10 años — > 10 años — > 10 años

Clasificación de protección IP (Ingreso a la Entrada) — 67 — 67 — 67 — 67 — 67

Incertidumbre del piranómetro in situ — Calcular con la aplicación Suncertainty — Calcular con la aplicación Suncertainty — Calcular con la aplicación Suncertainty — Calcular con la aplicación Suncertainty — Calcular con la aplicación Suncertainty

Aplicaciones recomendadas: — Solución económica para el monitoreo de eficiencia y mantenimiento de instalaciones de energía fotovoltaica, mediciones rutinarias en estaciones clima, agricultura, horticultura e hidrología. — Mediciones de alta calidad para monitoreo solar, redes hidrológicas y control climático de invernaderos. — Alto rendimiento para pruebas de paneles fotovoltaicos y colectores térmicos, investigación energía solar, prospección solar, pruebas de materiales, meteorología avanzada y redes climáticas. — Redes meteorológicas, mediciones de referencia en monitoreo fotovoltaico, climas extremos, polares o áridos. — Investigación científica que requiere el máximo nivel de precisión y confiabilidad en todas las condiciones.

Tabla de especificaciones de piranómetros SMP – Piranómetros Kipp y Zonen.