Midiendo la Radiación Solar
(construcción de Piroheliómetro artesanal)
Judá Curto Amigo
backinblack7@hotmail.com
Introducción: La radiación solar
Podemos definir como constante solar a la energía recibida desde el Sol , por unidad de tiempo y por unidad de área perpendicularmente a los rayos del sol y en el límite de la atmósfera, a una distancia del Sol igual al radio medio de la órbita de la Tierra. Este valor cifrado en 1353 W/m2, representa dicho de otro modo, la energía media que llega desde el sol a los limites de nuestra atmósfera. ¿Pero, cuanto alcanza la superficie terrestre?.
La verdad es que la radiación solar al atravesar la atmósfera sufre fuertes variaciones como consecuencia del filtrado que las diferentes capas atmosféricas llevan a cabo debido a tres causas: La reflexión, la absorción y la difusión de la energía al entrar en contacto con los cuerpos con lo que se topa. Sirva como ejemplo la reflexión que provoca el ozono en la mayor parte de la radiación de onda corta o la absorción de energía producida por los gases atmosféricos sobre todo el vapor de agua.
Con todo ello, la radiación solar que llega a la superficie terrestre queda enmarcada en dos enunciados según halla sido su paso a través de la atmósfera:
Radiación solar directa: aquélla que alcanza un punto de la superficie terrestre sin haber sido absorbida o reflejada
Radiación solar difusa: llega al nivel del suelo después de haber sido reflejada o re-radiada
Medición de la radiación solar
Proyecto
El objetivo que nos marcamos, era conseguir medir la disminución de radiación directa durante el eclipse anular del pasado 3 de octubre y con ello confeccionar una gráfica que mostrase la caída y la posterior recuperación del valor de la radiación a lo largo del periodo en que la luna se interpuso entre el sol y la Tierra.
La herramienta y sus componentes:
Una de las herramientas que nos permiten la medición de la radiación es el piroheliómetro, un aparato cuya misión es la captación de la radiación solar directa y que como consecuencia de la aparición de nuevas tecnologías mas sofisticadas a caído en desuso en el ámbito profesional.
No obstante, la “sencillez” tanto en su construcción como en el manejo, hacían que fuese un instrumento valido para nuestro cometido.
Así, la primera etapa pasaba por la construcción del Piroheliómetro consistente en:
Un sistema colimador formado por un tubo de color negro en su interior, que limita el ángulo aproximadamente a unos 5º de campo,
Un mecanismo de guiado que permita tenerlo apuntando al sol constantemente
Un detector de radiación termoeléctrico, bimetálico o fotosensible.
Construcción del Piroheliómetro:
Con esta información construimos el aparato utilizando materiales accesibles a cualquier aficionado.
Para ello, nuestro piroheliómetro “casero” se formó a partir de un tubo de PVC de presión (gris oscuro) de 63 mm de abertura por 721 mm de longitud, una placa fotovoltaica de farolillo de jardín que hizo las veces de detector fotosensible y que tapaba uno de los extremos del tubo colimador, una carcasa hecha de tubo PVC de 90 mm que permitía ensamblarlo todo , y finalmente un sistema de guiado compuesto por una montura (eq2) sobre un trípode de telescopio y un pequeño buscador de 6x30 equipado con un filtro solar.
A todo ello se le suma un polímetro con el que se toman los datos de producción eléctrica de la célula y un termómetro ensamblado en el tubo que permite la observación de la temperatura en el interior del aparato.
Su funcionamiento
Una vez construido, el siguiente paso se espera con impaciencia ¿ funcionará?. La verdad que en un principio surgieron dudas, casi todas centradas en la célula fotovoltaica y su posible falta de sensibilidad para captar descensos débiles en la radiación . Otro factor de preocupación era el descenso de la productividad de la placa como consecuencia de dos factores
1º la temperatura del tubo
2º la prolongación del tiempo de producción eléctrica.
Condicionantes que se revelarán más adelante como factores importantes a la hora de evaluar los datos obtenidos.
Por lo demás, el funcionamiento teórico es sencillo. El tubo colimador se orienta constantemente al sol, la radiación solar recorre el tubo hasta llegar a la célula fotovoltaica que se estimula generando la corriente eléctrica que es registrada por el polímetro y cuyo valor aumenta o disminuye al tiempo que lo hace la radiación.
Resultados
3 de octubre- · Eclipse anular
L a falta de pruebas de funcionamiento previas condicionó la obtención de datos ya que en días posteriores se fueron percibiendo algunos de los errores cometidos. A pesar de todo, se logró la obtención de una curva de radiación bastante aceptable en la que se muestra:
el progresivo descenso de la radiación a medida que la luna iba “comiéndose” al sol,
el punto de inflexión coincidente con la hora de la anularidad del eclipse
la recuperación mas caótica como consecuencia de algunos problemas en el seguimiento que se produjeron en la segunda parte del eclipse.
un valor menor para la radiación una vez concluido el eclipse que en los momentos previos al mismo
Además y como complemento a la curva de radiación se confeccionó otra gráfica a partir de los datos del termómetro que marcaba la temperatura del tubo. En esta ocasión también se aprecia la caída y la recuperación de la misma a lo largo del eclipse.
Gráficas obtenidas en el elipse anular del 3 de octubre 2005
Otras pruebas
En los días posteriores al eclipse, el análisis más detallado de los resultados, obligó a la realización de algunas pruebas que explicasen de forma mas segura algunos de los datos obtenidos.
Discontinuidades en la gráfica:
En primer lugar, y por ser un elemento que saltaba a primera vista, se trato de corregir las discontinuidades obtenidas en la segunda parte del eclipse.
Para ello se afinaron los elementos de guiado y así observamos la importancia de la posición perpendicular del sol respecto a la placa fotovoltaica ya que aunque se contaba con un campo de 5º para el tubo colimador, una ligera desviación hacia variar los valores obtenidos a pesar de no salirse nunca de campo.
Así y llevando a cabo un seguimiento solar mucho más minucioso se obtuvo una curva más homogénea sin grandes discontinuidades, con lo que los puntos de fractura obtenidos en la segunda parte del eclipse quedaban explicados y subsanado el error para futuras mediciones.
Gráficas obtenidas en una de las pruebas posteriores (6 de octubre 2005)
Menor valor de la radiación para los momentos posteriores al eclipse:
Seguidamente continuaron las pruebas centradas esta vez en otro comportamiento anómalo; el descenso de los valores para los momentos posteriores al eclipse respecto a los momentos anteriores al mismo. El dilema quedaba planteado de la siguiente manera: Si la radiación aumenta a medida que el sol va tomando altura, ¿porque para un periodo de producción de la placa fotovoltaica prolongado, los valores no solo no aumentan sino que por el contrario sufren un ligero descenso?
Llegados a este punto, dos serán los factores que se revelan como decisivos: la temperatura del tubo y el tiempo de producción eléctrica de la placa. El primero de ellos, muestra su influencia de forma inversa, ya que al comparar ambas gráficas, producción eléctrica y temperatura, se observa la ligera caída de la primera mientras se produce un aumento más acusado en la segunda.
Sin embargo, esta primera explicación que en un principio parecía más obvia ha ido perdiendo trascendencia a la hora de explicar los menores valores del final del eclipse, ya que con la repetición de las pruebas a distintas horas del día y a diferentes temperaturas se reveló el tiempo de producción eléctrica de la placa como el factor fundamental a tener en cuenta. Así, la placa fotovoltaica muestra un mayor índice de producción durante los primeros momentos que muy poco a poco y de forma progresiva va cayendo a medida que se prolonga el tiempo de exposición al sol.
Con estos resultados se logró un mayor conocimiento tanto en el manejo como en las prestaciones de nuestro piroheliómetro “casero” que facilitarán próximas observaciones, entre las que destaca el próximo eclipse solar de Marzo del 2006.
Cualquier idea, duda o comentario acerca del aparato será bienvenida.
Colaboradores: