Piranómetro Solar.

Una forma de conocer el estado de la atmósfera durante el día es midiendo cuanta energía del Sol llega a la superficie terrestre.

Algunas estaciones meteorológicas incorporan este sensor. A continuación muestro los resultados obtenidos con la EMA (Estación Meteorológica para Astronomía) después de haber incorporado los cálculos necesarios al programa de adquisición.

 La figura de la derecha muestra la distribución espectral de la irradiación solar en el exterior de la atmosfera y despues de atravesarla, (MonitoringSolar Radiation and Its Transmission Through the Atmosphere. David R. Brooks [2006])

La radiación total incidente es la suma de la directa y la difusa. La relación entre ambas depende de la altura del Sol.



Cálculos Teóricos.
Para determinar automáticamente el estado del cielo diurno, si está nublado o no, basta comparar el valor teórico esperado en cada momento con la lectura del piranómetro.

Para determinar la radiación teórica incidente se usan los modelos de Hottel y Liu-Jordan.  El cálculo es para una superficie horizontal en un día perfectamente despejado.
El modelo de Hottel expresa la transmitancia atmosférica para la radiación directa en función del ángulo cenital,  la altura sobre el nivel del mar y el tipo de clima.
Para estimar la irradiación difusa, se usa una expresión debida Liu y Jordan.

Para estos cálculos es necesario conocer la posición y distancia del Sol. Las ecuaciones necesarias las encontramos en Astronomical Algorithms,  Jean Meeus [1991].

Medidas Reales.
- Con LED.
Seguidamente se muestran los resultados obtenidos en la estación EMA de Coslada (Madrid). La curva rosa representa el valor esperado y la azul la medida real obtenida. La escala en w/m2 está a la derecha.

Coslada, 12-07-2013. Un dia despejado normal (led verde).

Coslada 30-07-2013. Día despejado con cielo especialmente limpio (led verde).

Las curvas anteriores están obtenidas en base a un led verde que se comporta como un sensor monocromático. En el caso del color verde, su respuesta se centra en el pico de la radiación solar recibida.

Como puede verse en las curvas de arriba, la medida real se ajusta bastante bien a la medida esperada. 

- Con FOTODIODO.

En días nublados, las diferentes longitudes de onda no se reflejan y propagan igual a través de las nubes. Por tanto, si lo que queremos medir es la energía recibida, es necesario medir en todo el espectro. El sensor recomendado en este caso es el fotodiodo (Build yuor own pyranometer, David R. Brooks).

A continuación tenemos la respuesta de dos estaciones próximas en un día nublado, una con led verde y la segunda con fotodiodo.

Coslada 18-12-2013, muy nublado. Radiación con Led verde.

Coslada 18-12-2013, muy nublado. Radiación con fotodiodo.

Aunque en un día despejado las dos mediciones se ajustan bien al valor esperado, en este día, bastante nublado, la diferencia es notable. Según la medida del led verde, hemos recibido el doble  la potencia que con el fotodiodo. 

Montaje del Sensor.

En la comparación anterior, lógicamente el montaje de led y fotodiodo fue idéntico: zócalo metálico con difusor de teflon, como en la foto de abajo. La parte curva de diodo y fotodiodo se eliminan para evitar efecto lente, quedando el frontal ya plano en contacto con el teflon.

Montaje en zocalo metálico con difusor de teflon y resistencia de carga.

Posteriormente, para lograr un montaje robusto y repetible, he probado a montar el fotodiodo con una resistencia de carga smd para que quepa dentro del zócalo,  sellándolo todo con un epoxi transparente. 

 Una vez endurecido el epoxi, el bloque se mecaniza, rebajando el zocalo y la parte curva del fotodiodo. El rebaje en en el metal debe ajustarse perfectamente al disco de teflon. Para evitar que el disco se salga, además de sellarlo con el mismo epoxi, la forma interior del zocalo se hace ligeramente cónica, más estrecha en el borde. Una vez colocado el disco y pegado con el mismo epoxi, se termina de rebajar el metal para que quede perfectamente en el plano del teflon. 

Fotodiodo con la resistencia de carga embutido y mecanizado en el zócalo con epoxi transparente.

Para tener una primera idea de la respuesta de los sensores así montados, aunque en una prueba muy rápida, he montado cuatro de estos sensores en un mismo plano, haciendo medidas con diferentes angulos de incidencia.  El resultado es bastante razonable, teniendo en cuenta la tolerancia de los dos componentes

Detalles técnicos.
Fotodiodo: SFH213
Resistencia: SMD 2K21, 1%
Teflon: espesor 0.8mm, diametro 8mm
Zocalo led metálico

Tensión max. en el fotodiodo:
En circuito abierto al Sol: 0.6v con su lente, 0.5v con frontal plano satinado.
Montado, con carga  y difusor de teflon: 0.3v

Conclusión.
De cara al observatorio remoto, esta medida puede tener dos usos:
- El estado del cielo diurno es precedente de como puede estar la noche. Un cielo limpio promete una noche despejada. 

- Si se trabaja con energía solar, saber la energía recibida durante la jornada, nos indica cuanta carga deben haber acumulado las baterías.

El fotodiodo, al entregar mil veces más corriente que el led, resulta más fácil de amplificar, siendo muy poco apreciable el offset de entrada del amplificador.