Introducción a la medida de la irradiancia solar

F. Fabero, J. Cuenca, J.L. Balenzategui, E. Mejuto, J.P. Silva
PVLab- CIEMAT 

1. Introducción 

La radiación solar y su magnitud asociada, la irradiancia solar, es con toda seguridad la fuente de energía de mayor influencia para el sistema climático de la Tierra y su balance energético. La irradiancia solar, definida como la cantidad de energía solar recibida en una determinada superficie por unidad de área y unidad de tiempo (unidades J·m^-2·s^-1), se mide y se estudia en campos de la ciencia tan diversos como la astronomía y la física del espacio, la medicina, la agricultura, la biología, la arquitectura, o la climatología y meteorología. Es una magnitud fundamental también para la investigación y desarrollo de las distintas aplicaciones de la energía solar (instalaciones térmicas en concentración, de alta y baja temperatura, determinación del rendimiento de células y módulos fotovoltaicos (FV), instalaciones de autoconsumo FV y grandes plantas fotovoltaicas, tratamiento de aguas y detoxificación solar, desalación, aplicaciones de ACS domésticas, edificación y climatización de edificios, etc.). En este artículo, a partir de la descripción acerca de cómo se recibe la irradiancia solar en la superficie de la Tierra, se presenta de manera genérica la instrumentación más habitualmente utilizada para cuantificarla. 

2. Componentes espaciales de la irradiancia solar 

¿Cómo nos llega la radiación solar a la superficie terrestre? La Figura 1 muestra de forma gráfica cuáles son las componentes de los rayos solares que, una vez han atravesado la atmósfera (donde una buena parte son reflejados, dispersados o absorbidos), alcanzan una determinada superficie. Pueden distinguirse 3 componentes espaciales:

1. La componente directa, formada por los rayos que inciden en la superficie sin haber sufrido ninguna desviación en su trayectoria desde el Sol. Son los que provienen directamente del disco solar iluminado que vemos en el cielo.
2. La componente difusa, formada por todos aquellos rayos que han sido dispersados por la atmósfera. Esta componente puede suponer aproximadamente un 15 % de la radiación total en días soleados, pero en los días nublados supone un porcentaje mucho mayor, de hasta un 100 % en días totalmente nublados.
3. Por último, la componente reflejada, o albedo, formada por los rayos solares que inciden en la superficie provenientes de la reflexión del suelo. La magnitud del albedo depende del coeficiente de reflexión de cada tipo de suelo donde se reflejen los rayos solares. 

A la suma de las 3 componentes directa, difusa y albedo que inciden sobre una superficie se la conoce con el nombre de radiación total o global. Si la superficie es horizontal el albedo es cero, pero en cualquier otra inclinación siempre tiene algún peso. La medida de cada una de estas componentes por separado o de la radiación total requiere de una instrumentación adecuada que pasaremos a describir en los siguientes apartados. 

3. Tipos de instrumentos para la medida de la radiación solar 

Los instrumentos utilizados para la medida de la radiación solar aprovechan el cambio de valor de una determinada propiedad física provocado en ellos por efecto de la energía radiante del Sol. Al medirse este cambio se puede cuantificar la radiación solar incidente. Según esto pueden distinguirse 4 tipos de instrumentos: 

1. Instrumentos de sustitución eléctrica. En estos instrumentos la energía radiante calienta una cavidad metálica altamente conductora que está recubierta de una pintura negra de muy alta absorbancia. El calor provocado en el receptor se compara con el generado al inyectar una corriente eléctrica en una resistencia calefactora colocada en el mismo receptor. Igualando potencia radiante con potencia eléctrica se estima el valor de la irradiancia solar incidente.
2. Instrumentos termomecánicos. Aquí la dilatación diferencial de dos metales adheridos entre sí es el parámetro utilizado para cuantificar la radiación solar. Estos instrumentos tuvieron alguna relevancia en su momento, pero actualmente no tienen aplicaciones prácticas. 
3. Instrumentos termoeléctricos o termopilas. En estos instrumentos se aprovecha el efecto Seebeck mediante el cual aparece una tensión cuando existe una diferencia de temperatura entre las uniones de dos hilos de dos metales distintos unidos por sus extremos. Esta tensión es proporcional a la irradiancia de la luz solar incidente. Habitualmente los dos metales utilizados en estas uniones (llamadas termopares) son el cobre y el constantán (una aleación de cobre y níquel). Una de las uniones metálicas se expone a la radiación solar sobre una superficie negra muy absorbente (unión caliente) mientras la otra se oculta de la radiación e idealmente está a temperatura ambiente (unión fría). Como la tensión obtenida por una única pareja de cables es muy pequeña se hacen muchas de estas uniones para poder tener mayor tensión de salida en el instrumento. En la Figura 2 se ilustran algunas de las configuraciones que pueden tener estas uniones. 

4. Instrumentos fotoeléctricos. En estos dispositivos se aprovecha el efecto de generación de una corriente eléctrica en materiales semiconductores cuando se absorbe la radiación incidente. La intensidad de la corriente del sensor en cortocircuito (ver Figura 3), que es proporcional a la irradiancia solar incidente, se mide mediante el uso de resistencias de alta estabilidad térmica y de muy bajo valor. 

Sin duda los dos últimos tipos de instrumentos aquí relacionados, termoeléctricos y fotoeléctricos, son los más utilizados a la hora de medir radiación solar, reservándose los del primer tipo, de sustitución eléctrica, para hacer calibraciones absolutas de patrones de irradiancia solar. Pasaremos a describirlos en los siguientes apartados. 

4. Medida de la irradiancia solar global, reflejada y difusa. Piranómetros, células solares y fotodiodos. 

Para la medida de la irradiancia solar total o global, del albedo o irradiancia reflejada y de la componente difusa se usan habitualmente instrumentos de tipo termoeléctrico (termopilas) llamados piranómetros. En la Figura 4 se recogen las distintas partes de las que se compone un piranómetro típico, así como una fotografía de un piranómetro comercial. Podemos distinguir: 

1. Dos cúpulas de un material transparente en mayor o menor grado a la radiación solar (habitualmente vidrio o cristal de cuarzo) entre las cuáles se ha hecho el vacío. El objetivo de estas dos cúpulas es por un lado recoger toda la luz procedente del hemisferio superior del piranómetro y dirigirla hacia el absorbente de acuerdo a la ley coseno. La doble cúpula también minimiza el efecto de los procesos de convección de aire. Por otro lado, las cúpulas protegen al absorbente del efecto de la intemperie.
2. Un absorbente con simetría circular, habitualmente un material conductor del calor pintado con pintura negra de muy alta absorción, que se calienta por efecto de la radiación solar y sobre las que se posicionan las uniones calientes de los termopares que forman el piranómetro. La unión fría de estos termopares se realiza sobre el cuerpo metálico del mismo. 
3. Una carcasa reflectante, habitualmente fabricada con plástico de color blanco, que protege el cuerpo metálico del piranómetro del calentamiento por efecto de la radiación solar. 
4. Unos tornillos de nivelación y un nivel de burbuja para fijar la horizontalidad del piranómetro, en el caso de que sea necesario. 
5. Un contenedor con material desecante (habitualmente gel de sílice) para evitar la penetración de humedad. 
6. Los cables de salida que llevan la señal de tensión proporcional a la radiación solar incidente. Habitualmente esta señal en del orden de varios mV. 

Sobre la estructura completa de un piranómetro recogida en la figura 4 hay variantes que son apropiadas para algunas aplicaciones y que reducen notablemente el precio, aunque también las prestaciones del instrumento. Por ejemplo, algunos piranómetros no presentan doble cúpula, otras veces no llevan la carcasa reflectante o el material desecante y también puede suceder que el tamaño del absorbente y el propio piranómetro sean muy reducidos. 

Los piranómetros están especialmente diseñados para aceptar luz proveniente de todos los ángulos. También se caracterizan por tener una respuesta igual de eficiente a todas las longitudes de onda desde el UV hasta el IR y por tener una señal de salida muy estable independientemente de las condiciones del cielo y de las condiciones ambientales. 

Para medir irradiancia solar pueden también utilizarse instrumentos de tipo fotoeléctrico aprovechando la ya comentada proporcionalidad entre su corriente de cortocircuito y la irradiancia solar. Hay varias diferencias respecto de los instrumentos termoeléctricos. Las más relevantes se encuentran recogidas en la Tabla 1. Podemos encontrarnos dos tipos de sensores fotoeléctricos para medir irradiancia solar: células fotovoltaicas y fotodiodos de silicio. Aunque su principio de funcionamiento es el mismo, no lo son sus propiedades ni su aspecto externo: los fotodiodos son de un tamaño mucho menor y las células suelen presentar una cubierta plana de un material transparente (vidrio habitualmente), que en los primeros se suele sustituir por un corrector de tipo coseno (hace mejorar la respuesta del sensor de irradiancia frente al ángulo de incidencia de la luz). De esta forma, el fotodiodo mide la luz difundida a través del corrector y la medida se ve mucho menos afectada por reflejos que sí aparecen en los sensores de tapa plana. Similarmente al caso de los piranómetros la señal de salida de estos equipos suele estar en el orden de los mV. La Figura 5 contiene una fotografía de varios de estos sensores en una disposición típica para su medida y caracterización.  

En cuanto a la medida de la radiación solar difusa se requiere de algún dispositivo que nos elimine de la radiación solar global incidente aquella parte que proviene directamente del disco solar (componente directa). Los primeros equipos que cumplían esta función eran las llamadas bandas de sombra, una de las cuáles puede observarse en la Figura 6 (izquierda). En ellas se ocultaba la fracción de cielo que contenía la radiación solar directa mediante una banda metálica que proyectaba sombra a lo largo de todo el día sobre la parte fotosensible del equipo de medida, normalmente un piranómetro. En la actualidad los equipos más utilizados para la medida de la irradiancia solar difusa son los que se presentan en la Figura 6 (derecha). Realmente son seguidores solares (que como comentaremos en el siguiente apartado son imprescindibles para medir la irradiancia solar directa) a los que se han incorporado unas esferas cuya misión es ocultar perfecta y únicamente el círculo solar.   

Por último, para la medida de la radiación solar reflejada o albedo se utilizan los llamados albedómetros. Un ejemplo tipo de este tipo de instrumento se recoge en la Figura 7. 

Realmente un albedómetro no consiste más que en la unión por su base de dos sensores de irradiancia solar, habitualmente piranómetros, de forma que uno de ellos mide la irradiancia hemisférica que proviene del cielo y el otro la irradiancia reflejada por el suelo (los albedómetros suelen utilizarse en posición horizontal). La señal de ambos sensores puede registrarse de forma independiente y luego se procesa según lo que interese. Digamos que medir el albedo es muy importante a la hora de evaluar sistemas fotovoltaicos que utilicen células bifaciales (activas por ambas caras) y también en aquellos lugares donde la radiación reflejada sea muy relevante (por ejemplo, en zonas nevadas).  

5. Medida de la irradiancia solar directa. Pirheliómetros 

Para la medida de la irradiancia solar directa se utilizan unos instrumentos llamados pirheliómetros. Estas medidas son necesarias para evaluar sistemas solares, ya sean fotovoltaicos o térmicos, que trabajan con luz solar concentrada ya que la componente directa de la radiación solar es la que puede concentrarse. Un pirheliómetro tiene el mismo principio de funcionamiento que un piranómetro, pero en este caso la superficie receptora de la radiación solar se encuentra situada en el extremo interior de un tubo colimador que presenta en el otro lado una apertura protegida por un material transparente (habitualmente vidrio o cristal de cuarzo) de forma que el ángulo de apertura permitido para la radiación solar incidente sea de 5°. Con esto se consigue que solamente alcance la superficie receptora la luz que proviene del disco solar y su zona circundante (aureola). En la Figura 8 se presentan las partes típicas que pueden encontrarse en un pirheliómetro, a saber: 

1. La ventana cubierta de material transparente (cuarzo, por ejemplo), por donde incide la radiación solar.
2. La superficie receptora de la radiación solar, el detector, similar a la de un piranómetro, pero habitualmente de menor área. 
3. Una serie de pantallas interiores o anillos de apertura, que coliman la luz incidente de forma que el ángulo de visión de la superficie receptora sea de 5°. 
4. Un testigo de alineamiento para verificar el seguimiento en 2 ejes de la posición del sol. Cuando esta circunstancia se produce el testigo está completamente iluminado por luz solar. 
5. Los cables de salida que llevan la señal de tensión proporcional a la radiación solar directa incidente. 
6. Habitualmente, un contenedor con material desecante. 
7. En algunos modelos, una pieza que protege la ventana de entrada de la lluvia. 

Por supuesto es necesario que los pirheliómetros vayan montados sobre un seguidor solar a 2 ejes que permita un seguimiento muy preciso de la posición solar, tal y como se ha presentado en la Figura 6 (derecha). 

Mención aparte necesitarían los instrumentos que están destinados a medir irradiancia solar desde el punto de vista espectral y no solo integrado como los que se han presentado hasta ahora en este artículo. Poder determinar la irradiancia solar para cada longitud de onda proporciona una herramienta de extraordinaria utilidad para multitud de campos muy relevantes, tales como la eficiencia y conversión energética y la actividad fotosintética, por ejemplo. Habitualmente estos equipos tienen un alto coste y los de altas prestaciones solo están disponibles en laboratorios con un grado de especialización bastante elevado. 

6. Material para consulta 

Puede encontrarse información más detallada sobre la medida de la irradiancia solar en las siguientes referencias: 

1. M. Iqbal. “An introduction to solar radiation”. Capítulo 12. New York Academic Press. Contiene información general sobre instrumentación para medida de radiación solar.
2. Ronald L. Hulstrom. “Solar Resources”. Capítulo 5. Massachusetts Institute of Technology Press. Contiene información general sobre instrumentación para medida de radiación solar. 
3. Publicaciones NREL/JA-5200-54498 y NREL/JA-5200-56718 del National Renewable Energy Laboratory de EE.UU. Contiene un análisis detallado de la comparativa entre piranómetros y células fotovoltaicas para la evaluación de la radiación solar para plantas fotovoltaicas. 
4. Catálogos comerciales de instrumentos de medida de radiación solar. Habitualmente contienen información técnica muy interesante sobre la medida de la radiación solar. 
5. Normas ISO 9059, ISO 9060, ISO 9846, ISO 9847, IEC 60904-2, IEC 60904-4, IEC 60904-7, IEC 60904-3. Contienen información sobre calibración y propiedades de instrumentos de medida de radiación solar. 
6. Libro “Solar resources mapping: Fundamentals and Applications”. Capítulo 2: Solar Radiation Measurement and Solar Radiometers. J.L. Balenzategui; F. Fabero; J.P. Silva; Springer, 2018. ISBN 978-3-319-97484-2