“UNIVERSIDAD
NACIONAL PEDRO RUIZ GALLO”
FACULTAD DE CIENCIAS FÍSICAS Y MATEMÁTICAS
INFORME DE PRÁCTICAS PREPROFESIONALES CALIBRACIÓN Y EVALUACIÓN DE UN PROTOTIPO DE SOLARÍMETRO EN LA ESTACIÓN CLIMATOLÓGICA PRINCIPAL U.N.P.R.G.
-----------------------------------------LUIS DAVID SILVA ALCÁNTARA
ASESOR: FRANCISCO GARCIA ROQUE
LAMBAYEQUE - PERÚ AÑO - !"" CALIBRACIÓN Y EVALUCIACIÓN EVALUCIACIÓN DE UN PROTOTIPO PROTOTIPO DE SOLARÍMETRO EN LA ESTACIÓN CLIMATOLÓGICA PRINCIPAL U.N.P.R.G. Silva Alcántara, Luis David. Facultad de Ciencias Físicas y Matemáticas, Universidad Nacional Nacional Pedro Ruiz Gallo (UNPRG).
RESUMEN: El presen presente te inform informe e trata trata sobre sobre la metodo metodolog logía ía emplea empleada da para para la cali calibr brac ació ión n y eval evalua uaci ción ón de cuat cuatro ro sola solarím rímet etro ros s fabr fabric icad ados os de mane manera ra artesanal, cuyo elemento sensible es esencialmente una pila termoeléctrica. El obetivo principal fue reali!ar una comparación entre las medidas proporcionadas por los solarímetros fabricados y el solarímetro de referencia empleado, para determinar los coeficientes de calibración correspondientes. La meto metodo dolo logí gía a cons consis isti tió ó en real reali! i!ar ar lect lectur uras as simul imultá táne neas as del del piranó piranómet metro ro "#$% "#$% utili! utili!ado ado como como patrón patrón y los solarí solarímet metros ros fabric fabricado ados. s. Luego se procedió a calibrar y evaluar a cada uno de ellos. Las mediciones se reali!aron entre os días &' de de mayo y (& de unio unio del &)(( en la Estación Estación "limatológica $rincipal *.+.$..-.
INTRODUCCIÓN
INTRODUCCIÓN:
El estudio de la radiación solar a partir de los datos proporcionados por un solarímetro recién fabricado necesita, como reuisito imprescindible, una adecuada calibración de dic/o instrumento. El proceso de calibración consiste en la obtención de unos factores ue permiten transformar el voltae de salida registrado por el solarímetro en unidades radiométricas 012m&3. La calibración de un solarímetro debe reali!arse periódicamente con el obetivo de corregir los cambios en la respuesta del instrumento debido a su enveecimiento. E4iste una gran diversidad de métodos para obtener los factores de calibración de un solarímetro, lo ue puede dar lugar a importantes diferencias en los factores de calibración calculados. $ara evitar esta fuente de discrepancia y poder comparar las medidas proporcionadas por distintos instrumentos, la 5rgani!ación #eteorológica #undial 05##3 /a promovido la estandari!ación de los métodos de calibración de los solarímetros. *na de las técnicas /abituales de calibrado consiste en la intercomparación de los solarímetros con un euipo de referencia, utili!ando como fuente radiativa el sol. Este fue el método utili!ado para calibrar los cuatro solarímetros fabricados. El euipo de referencia empleado fue
un
piranómetro de segunda clase, modelo "#$% fabricado por la empresa 6ipp 7 8onen, disponible en la Estación "limatológica $rincipal *.+.$..-.
MARCO TEÓRICO
I.
MARCO TEÓRICO:
La radiación solar se puede medir con diversos tipos de sensores. Los más difundidos son auellos basados en la diferencia de potencial ue se crea entre dos puntos, bien sea porue uno de ellos está e4puesto a la radiación solar y el otro no, bien porue uno está pintado de blanco y reflea la lu! solar y el otro de negro y la absorbe, o bien porue sean materiales de distinta naturale!a. Esta diferencia de potencial está relacionada linealmente con la intensidad de radiación solar ue recibe la superficie del sensor. Debido a ue cada material y ue la configuración de cada sensor produce una diferencia de potencial distinta, es preciso determinar los factores de linealidad, para poder emplearlos en la determinación de la radiación solar a partir de una medida del voltae suministrado por el sensor. Este proceso recibe el nombre de calibración del sensor.
1.1.
CALIBRACIÓN DE UN PIRANÓMETRO POR COMPARACIÓN:
Este método consistente en registrar medidas simultáneas de dos piranómetros
0uno
de
ellos
tomado
como
referencia3
montados
/ori!ontalmente, uno unto al otro, al aire libre durante un periodo de tiempo suficientemente prolongado para llegar a resultados representativos. Si los instrumentos son similares, basta un solo día. "uando más acusada sea la diferencia entre los dos tipos, más dilatado debe ser el periodo de comparación. +o obstante, puede reempla!arse un periodo e4tenso por diversos periodos cortos ue cubran condiciones típicas 0despeado,
cubierto, lluvia, etc.3. La obtención del factor de calibración se obtiene empleando el método estadístico de regresión lineal.
MATERIALES Y MÉTODOS
II. 2.1.
MATERIALES Y MÉTODOS MATERIALES:
Los materiales ue se usaron fueron9 •
$iranómetro de segunda clase, modelo "#$%.
•
#ultímetro digital marca 6onstar, modelo *:%%A.
•
+ivel marca Stanley.
•
;anco y plataforma de soporte para los solarímetros.
•
"uatro solarímetros con detector pintado de blanco y negro.
2.1.1. PIRANÓMETRO DE SEGUNDA CLASE, MODELO CMP3: El "#$% es un piranómetro robusto, fabricado por la empresa 6ipp 7 8onen. #ide la radiación solar con una termopila ennegrecida de alta calidad, protegida por una c
má4ima absorción de radiación9 &))) 12m&> rango espectral9 %() a &=)) nm> rango de temperatura de funcionamiento9 ?') a =) )". El piranómetro utili!ado tiene un factor de calibrado de
Figura1. Piranómetro CMP3.
2.1.2. SOLARÍMETRO CON DETECTOR PINTADO DE BLANCO Y NEGRO: Se dise@aron y construyeron ' de este tipo. Su elemento sensible es esencialmente una pila termoeléctrica constituida por pares termoeléctricos de cobre?constantan conectados en serie sobre un disco de bauelita de cm de diámetro. La superficie del receptor, ue presenta una serie de círculos concéntricos,
se pintó de manera alternativa de color blanco y
negro, de tal manera ue las uniones calientes de los termopares están en contacto con las superficies negras, altamente absorbentes, y las uniones frías en contacto con las superficies
blancas de gran reflectividad.
La
diferencia de potencial medida a la salida de los solarímetros está relacionada con el nivel de radiación solar instantánea.
Figura2. Solarímetro blanco y negro, de fabricación casera.
2.2.
PROCEDIMIENTO:
2.2.1. DISPOSICIÓN DE LOS MATERIALES: Los solarímetros fabricados se colocaron sobre la plataforma de soporte formando un arreglo cuadrangular en cuyo centro se colocó el piranómetro patrón. La plataforma se aseguró al banco mediante tornillos y se colocó en campo abierto, asegurándose en cada momento ue los solarímetros se encuentren a un mismo nivel.
Figura3. Disosición de los solarímetros ara la toma de datos.
2.2.2. REGISTRO DE MEDIDAS: Se registraron medidas simultáneas de los cuatro solarímetros y del piranómetro de referencia con un intervalo de tiempo de () minutos. Las mediciones fueron reali!adas en días con cielo despeado, en las instalaciones de la Estación "limatológica $rincipal *.+.$..-.
Figura!. "stación climatológica rincial #$P%&
2.2.3. DETERMINACIÓN DE LA CONSTANTE DE CALIBRACIÓN: $ara determinar el valor de la constante de calibración de los solarímetros, se encontró la pendiente de la recta ue meor se austa al voltae de salida de cada solarímetro versus la medida de irradiación solar del solarímetro patrón 0"#$%3. :ambién se calculó el coeficiente de correlación lineal y la desviación estándar residual.
$ara ello se utili!ó las /erramientas
disponibles en el programa #icrosoft E4cel.
2.2.4. EVALUACIÓN DE LOS SOLARÍMETROS: Se determino el nivel de radiación medido por cada solarímetro en un determinado instante y se comparó con los valores obtenidos mediante el piranómetro de referencia "#$%. Los datos se registraron el día (& de unio, desde el mediodía /asta las pm.
RESULTADOS
Y DISCUSION
3.
RESULTADOS Y DISCUSIÓN:
El valor más probable para la constante de calibración de cada solarímetro viene dada por la pendiente de recta meor austada entre el voltae de salida de cada solarímetro versus la medida de irradiación solar del solarímetro patrón "#$%.
Fi.1. D!"!#$i%&'i(% )! *& '+%"&%"! )! '&*i-#&'i(% & !* +*i$!"#+1 En la figura( se observa el valor más probable para la constante del solarímetro(. El valor encontrado fue de
, con un
coeficiente de regresión lineal de ).BC=. La desviación estándar calculada para este solarímetro fue de 12m&
entre el rango de ) a ()))
Fi.2. D!"!#$i%&'i(% )! *& '+%"&%"! )! '&*i-#&'i(% & !* +*i$!"#+2 En la figura& se observa el valor más probable para la constante del solarímetro&. El valor encontrado fue de
, con un
coeficiente de regresión lineal de ).B'C. La desviación estándar calculada para este solarímetro fue de
entre el rango de ) a ()))
12m&
Fi.3. D!"!#$i%&'i(% )! *& '+%"&%"! )! '&*i-#&'i(% & !* +*i$!"#+3 En la figura% se observa el valor más probable para la constante del solarímetro&. El valor encontrado fue de
, con un
coeficiente de regresión lineal de ).B(. La desviación estándar calculada para este solarímetro fue de 12m&
entre el rango de ) a ()))
Fi.4. D!"!#$i%&'i(% )! *& '+%"&%"! )! '&*i-#&'i(% & !* +*i$!"#+4 En la figura' se observa el valor más probable para la constante del solarímetro'. El valor encontrado fue de
, con un
coeficiente de regresión lineal de ).BCBC. La desviación estándar calculada para este solarímetro fue de
entre el rango de ) a ()))
12m&
Los resultados anteriores se pueden resumir en el siguiente cuadro9
CUADRO1 VALORES ESTADÍSTICOS OBTENIDOS PARA CADA SOLARÍMETRO C+%"&%"! )!
D!/i&'i(%
C+!i'i!%"! )!
!"%)
#!#!i(% *i%!&*
#!i)&*
R20
$V56.$720
%.
).BC=
).(
%.B
).B'C
).(
%.B
).B(
).(
%.C
).BCBC
).(C
'&*i-#&'i(% 0
S+*$!"#+ 1 S+*$!"#+ 2 S+*$!"#+ 3 S+*$!"#+ 4
En el cuadro( se puede observar los valores de la constante de calibración, coeficiente de correlación lineal y desviación estándar residual, con sus respectivas unidades, obtenidos para cada uno de los solarímetros fabricados.
En las siguientes figuras se presenta una parte de la curva típica del comportamiento de la radiación solar, ue generalmente presenta un perfil de campana. La medición tuvo lugar el (& de unio, con nubosidad variable, alcan!ando un valor pico de ==).B 12m& 0este fue el valor pico registrado con el piranómetro de referencia "#$%3.
Figura'. Medida de la radiación solar reali(ada con el solarimetro1 y el iranómetro CMP3 el día 12 de )unio En la figura, se puede comparar los valores de radiación obtenidos con el solarimetro( y el "#$% de referencia. En general la curva representada debe ser una línea suave> sin embargo se pueden observar picos pronunciados, sobre todo, en la grafica obtenida con los datos del solarimetro(. Esto se puede e4plicar en su mayor parte, al /ec/o de ue /ubo determinados instantes de nubosidad, lo ue afectó a las condiciones de medida.
Figura*. Comaración entre la medida de la radiación solar reali(ada con el solarimetro2 y el iranómetro CMP3. En la figuraC, se puede comparar los valores de radiación obtenidos con el solarimetro& y el "#$% de referencia.
Figura+. Comaración entre la medida de la radiación solar reali(ada con el solarimetro3 y el iranómetro CMP3. En la figura, se puede comparar los valores de radiación obtenidos con el solarimetro& y el "#$% de referencia. Se puede observar descenso del nivel de radiación solar a las &9%)pm, registrado con mayor intensidad con el solariemtro%. Esto descenso en el nivel de radiación se debió a las condiciones de nubosidad muy variable ue presentó el día (& de unio, lo ue de /ec/o afectó a ue las condiciones de medida sean iguales para todos los solarímetros.
Figura. Comaración entre la medida de la radiación solar reali(ada con el solarimetro! y el iranómetro CMP3. En la figura=, se puede comparar los valores de radiación obtenidos con el solarimetro& y el "#$% de referencia.
CONCLUSIONES
4.
CONCLUSIONES: •
La adecuada calibración de los solarímetros cobra una importancia capital cuando se uiere reali!ar un estudio sobre radiación solar a partir de los datos ue nos proporcionan, ya ue garanti!a la confiabilidad y tra!abilidad de las medidas reali!adas.
•
En promedio, los solarímetros fabricados tienen un coeficiente de correlación ).B. Esto nos indica ue e4iste una e4celente linealidad entre
los
datos
proporcionados
con
los
solarímetros
y
los
proporcionados con el piranómetro de referencia empleado. •
Los solarímetros fabricados satisfacen suficientemente la e4pectativa propuesta y pueden proporcionar datos necesarios para grupos de investigadores en lo ue respecta a estudios sobre radiación solar, de gran importancia en la actualidad.
9.
REFERENCIAS BIBLIOGRFICAS: •
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•
"omisión +acional del Agua.0&)()3. #anual teórico práctico del observador meteorológico de superficie.
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ambiente y recursos naturales. #é4ico, $ag ((%?(%(.
medio