¿Cómo funciona un sensor solar fotovoltaico? Para la fabricación de sensores solares fotovoltaicos se utiliza tecnología muy desarrollada y poco común. Si bien está al alcance alcance de muchos fabricantes fabricantes la producción producción de colectores colectores solares térmicos térmicos con un grado grado de eficacia aceptable, no ocurre lo mismo con los sensores solares fotovoltaicos, fotovoltaicos, donde muy pocas empresas en el mundo cuentan con la capacidad y los recursos técnicos necesarios para producirlos. l funcionamiento de los paneles se basa en el efecto fotovoltaico. !e forma muy resumida y desde el punto de vista eléctrico, el "efecto fotovoltaico# se produce al incidir la radiación solar $fotones% sobre los materiales &ue definimos al principio como semiconductores e'trínsecos. (os semiconductores e'trínsecos se caracterizan, por&ue tienen un pe&ue)o porcenta*e de impurezas+ esto es, posee elementos trivalentes o pentavalentes, o lo lo &ue es lo mismo, mismo, se dice &ue el elemento está está dopado. !ependiendo de si está dopado de elementos trivalentes, trivalentes, o pentavalentes, se tienen dos tipos Semiconductores extrínsecos extrínsecos tipo n:
Son los &ue están dopados, con elementos pentavalentes, como por e*emplo $-s, P, Sb%. Sb%. (os elementos pentavalentes, son son a&uellos &ue tienen tienen cinco electrones electrones en la última última capa electrónica, electrónica, lo &ue hace hace &ue al formarse la estructura cristalina, un electrón &uede fuera y no forme enlace covalente alguno, &uedándose en un nivel superior al de los otros cuatro. Si hay altas temperaturas, además de la formación de los pares eh, se liberan los electrones &ue no se han logrado unir. /omo ahora en el semiconductor e'iste un mayor número de electrones &ue de huecos, se dice &ue los electrones son los portadores mayoritarios, y a las impurezas se las llama donadoras. n cuanto a la conductividad del material eléctrica y de calor, esta aumenta de una forma muy elevada, por e*emplo+ introduciendo sólo un átomo donador por cada 0111 átomos de silicio, la conductividad es 23011 veces mayor &ue la del silicio puro.
Semiconductores e'trínsecos de tipo p n este caso son los &ue están dopados con elementos trivalentes, trivalentes, $-l, 4, 5a, 6n%. l hecho de ser trivalentes, hace &ue a la hora de formar la estructura cristalina, cristalina, de*en una vacante con un nivel energético ligeramente superior al de la banda de valencia, pues no e'iste el cuarto electrón &ue lo rellenaría. sto hace &ue los electrones salten a las vacantes con facilidad, de*ando huecos en la banda de valencia, y siendo los huecos portadores mayoritarios.
!e hecho la energía &ue reciben estos provenientes de los fotones, provoca un movimiento caótico de electrones en el dentro del material. -l unir dos regiones de un material semiconductor al &ue artificialmente se lo había dotado de concentraciones diferentes de electrones, mediante los elementos &ue denominábamos dopantes, se provocaba un campo electrostático constante &ue reconducía el movimiento de electrones. Se debe recordar &ue este material formado por la unión de dos zonas de concentraciones diferentes de electrones la denominábamos unión P7, pues la célula solar en definitiva es esto+ una unión P7 en la &ue la parte iluminada será la tipo 7 y la no iluminada será la tipo P. !e esta forma, cuando sobre la célula solar incide la radiación, aparece en ella una tensión análoga a la &ue se produce entre los bornes de una pila. 8ediante la colocación de contactos metálicos en cada una de las caras puede "e'traerse# la energía eléctrica, &ue se utilizará para alimentar una carga. -l hacer una e'plicación desde un punto de vista cuántico, el funcionamiento del efecto fotovoltaico se basa en la capacidad de transmitir la energía de los fotones de la radiación solar a los electrones de valencia de los materiales semiconductores, de manera &ue estos electrones rompen su enlace &ue anteriormente los tenía ligado a un átomo. Por cada enlace &ue se rompe &ueda un electrón y un hueco $falta de electrón en un enlace roto% para circular dentro del semiconductor. l movimiento de los electrones y huecos en sentidos opuestos $conseguido por la e'istencia de un campo eléctrico% genera una corriente eléctrica en el semiconductor la cual puede circular por un circuito e'terno y liberar la energía cedida por los fotones para crear los pares electrónhueco. l campo eléctrico necesario, se consigue con la unión de dos semiconductores de diferente dopado, como vimos al principio de esta sección 9n semiconductor tipo P $e'ceso de huecos% y otro tipo 7 $e'ceso de electrones%+ &ue al unirlos crea el campo eléctrico .
Tipos de sensores fotovoltaicos: Piranómetro:
l piranómetro emplea una célula de silicio para medir la densidad de flu*o de la :adiación Solar de longitud de onda corta $;11 a ;111 nm, en < m2% con un ángulo de visión de 0=1>.
Figura 1-Piranometro
(a recta calibración obtenida al usar este aparato tiene comportamiento lineal y relaciona el volta*e de salida $m?% con la densidad de flu*o de radiación. l dise)o del sensor minimiza el error &ue resulta de la corrección del coseno $desviación respecto a la (ey del coseno% y la compensación de temperatura $factor de temperatura, 1,0@ por >/%. (os piranómetros son impermeables, sumergibles y resistentes a las condiciones ambientales y está dise)ado para su instalación al aire libre. Para obtener la mayor precisión en las medidas, hay &ue mantener limpio el filtro del sensor y asegurar &ue se ha instalado totalmente horizontal. ste tipo de sensores sólo se pueden utilizar para medir la radiación solar incidente $irradiancia%, ya &ue el sensor tiene una respuesta espectral como la &ue se muestra en la Aigura 2 y no abarca todo el espectro de onda corta.
Figura !-
(os piranómetros se calibran en condiciones de e'posición solar directa con un solarímetro de termopilas. "mportante: (os piranómetros #$ deben utilizarse para medir la :adiación :efle*ada ni la Bransmitida.
Pir%eliómetro:
(os pirheliómetros sirven para medir la radiación solar directa. Bienen una abertura y una cara de recepción &ue debe permanecer siempre normal a los rayos solares. Cay varios tipos de pirheliómetros Pir%eliómetro patrones primarios &a'solutos(!
Bodos los pirheliómetros absolutos de dise)o moderno utilizan receptores de cavidad y, como sensores, medidores diferenciales de flu*o calorífico calibrados eléctricamente.
Figura )-Piranometros Primarios
Pir%eliómetros patrones secundarios!
l pirheliómetro de compensación DngstrEm es un instrumento muy adecuado para la calibración de piranómetros y otros pirheliómetros. Aue dise)ado por F. DngstrEm $0=G;% como instrumento absoluto y la
scala DngstrEm, de 0G1H se construyó basándose en él, aun&ue en la actualidad se utiliza como patrón secundario y debe calibrarse por comparación con un instrumento patrón. l pirheliómetro de disco de plata es un instrumento de referencia &ue siempre debe calibrarse por comparación con un patrón primario. Presenta buena estabilidad y todavía se utiliza para calibrar piranómetros y pirheliómetros, como ya antes mencionado.
Figura *-Piranometros Secundarios
Pir%eliómetros de primera + segunda clase!
stos pirheliómetros son los &ue se usan más frecuentemente. 9tilizan generalmente termopilas como detectores de radiación, se emplean para un registro continuo de la radiación solar. Pueden utilizarse para la calibración de los instrumentos de una red. - su vez, es necesario calibrarlos por comparación con patrones primarios o secundarios. (a precisión en el transcurso de un a)o y para todas las condiciones ambientales durante el empleo del instrumento debe ser superior al uno por ciento para un pirheliómetro de primera clase y al dos por ciento para uno de segunda. Itro aspecto importante del instrumento es el tiempo de respuesta, se recomienda &ue el instrumento construido posea un tiempo de respuesta má'imo de diez segundos para los instrumentos de primera clase y de treinta segundos para los de segunda clase.
Figura ,- /C0 76P $Pirheliómetro de 6ncidencia 7ormal%.
l'edómetro:
l albedómetro es un sensor electrónico dise)ado para medir la intensidad y la duración diaria de la insolación por medio de dos parámetros la radiación solar incidente y la radiación rebotada, correspondientes respectivamente a la potencia del flu*o de energía en proveniencia del sol y a la cantidad de esta adsorbida por la superficie terrestre.
stos valores son importantes para evaluar la transparencia de la atmósfera relacionada con la concentración de gases contaminantes y vapores, así como para identificar los umbrales fundamentales de referencia para aplicaciones en la agricultura, la biología, la ar&uitectura y la meteorología. El albedómetro es un instrumento formado por dos radiómetros: uno dirigido hacia el cielo, para medir la radiación solar incidente y otro rodado de 180° hacia el suelo para medir la radiación rebotada. Los sensores están formados por una termopila de ! elementos, producen una corriente el"ctrica como respuesta a la intensidad del est#mulo, de$ol$iendo as# el $alor del parámetro medido. %e debe prestar mucha atención a los detalles de construcción como por e&emplo el uso de un contenedor herm"tico con doble c'pula de $idrio, la presencia de sales higroscópicas para (ue el aire al interior permane)ca seca y limpia, la dotación de una pantalla blanca para proteger el sensor del desgaste producido por la radiación solar* estos detalles permiten optimi)ar las condiciones de medición, para as# obtener datos altamente con+ables y real#sticos.
Figura .- -lbedómetro.
Pirgeómetro!-
9n pirgeómetro es un instrumento de medición, &ue mide el espectro de la radiación infrarro*a atmosférica &ue se e'tiende apro'imadamente desde 3,H m hasta 011 m. Pirgeómetros se utilizan con frecuencia en los estudios de meteorología, climatología. (a radiación de onda larga hacia deba*o de la atmósfera es de interés para la investigación de los cambios climáticos a largo plazo. 9n pirgeómetro está hecho con un sensor de termopila &ue es sensible a la radiación en una amplia gama de 211 nm a 011 m, de una cúpula de silicio o ventana con un revestimiento de filtro solar ciego+ la cual cuenta con una transmisión entre 3,H m y H1 m &ue elimina la radiación de onda corta solar. Bambién posee un sensor de temperatura para medir la temperatura
del cuerpo del instrumento y un protector de sol para minimizar el calentamiento del instrumento debido a la radiación solar. (os pirgeómetros se utilizan con frecuencia en los estudios de meteorología, climatología. (a radiación de onda larga hacia aba*o atmosférica es de interés para la investigación de los cambios climáticos a largo plazo. (as se)ales &ue detectan este instrumento lo realiza generalmente mediante un sistema de registro de datos, capaz de tomar muestras de alta resolución en el rango de los milivoltios.
(a forma en la &ue traba*a un pirgeómetro es midiendo la radiación de onda larga de manera descendente. sto resulta en un e&uilibrio de la radiación neta, donde a radiación neta en la superficie del sensor nos referimos a la radiación de onda larga recibida de la atmósfera o a la radiación de onda larga emitida por la superficie del sensor. (a termopila de pirgeómetro detecta el saldo neto de radiación entre el flu*o de radiación de onda larga entrante y saliente la cual denominaremos & y la convierte utilizando la siguiente ecuación
q
=
radiación netaen la superficie del sensor Voltaje de salida termopila factor desensibilidad calibración delinstrumento −
−
l valor se determina durante la calibración del instrumento. (a calibración se lleva a cabo en la fábrica de producción con un instrumento de referencia atribuible a un centro regional de calibración. Para derivar la absoluta flu*o descendente de onda larga, la temperatura de la pirgeómetro tiene &ue ser tomada en cuenta. Se mide usando un sensor de temperatura en el interior del instrumento, cerca de las uniones frías de la termopila. l pirgeómetro se considera apro'imadamente un cuerpo negro. !ebido a esto, emite radiación de onda larga de acuerdo con 4
q σA T =
!onde & es la radiación de onda larga emitida por la superficie de la tierra, J la constante de Stefan 4oltzmann y B es la temperatura absoluta del detector pirgeómetro. - partir de los cálculos anteriores, la radiación entrante de onda larga se puede derivar. sto se hace generalmente por la reordenación de las ecuaciones anteriormente para producir la llamada ecuación pirgeómetro por -lbrecht y /o'.
Figura /- -lbedómetro.
4ibliografía httpsKKLLL.google.com.ecKsearchM &NOueesunpirgeometroQbiLN0R11QbihNHRQsourceNlnmsQtbmNischQsaNTQeiN:UCy?68(ti0y-B nu3F64gQvedN1/-UOV-9o-OQdprN0 httpKKocL.unia.esKcienciastecnologicasKcaracterizacionyevaluaciondelaradiacionsolarKtemaH httpKKLLL.u*aen.esKinvestigaKsolarK1cursosolarKhomeVmainVframeK1;VcelulaK10VbasicoK;VcelulaV1;.htm httpKKfisicauva.galeon.comKaficiones0G2H=0;.html httpKKpalomi2=.blogspot.comK2101K01Kelpirheliometro.html httpKKLLL.cae.itKesKsoluzioniKalbedometro-421F.php httpKKLLL.geonica.comKprodK=;K030KSensores8eteorologicoseCidrologicosK:adiacionsolartipo fotovoltaicoK $si &uieren más sensores fotovoltaicos les recomiendo &ue che&uen este linW% httpKKLLL.labferrer.comKsensoresKinstrumentaci@/;@4;nysensoresKparametros ambientalesKpiranometroparamedirlaradiacionsolar.html
