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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Dosímetro de radiación solar. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Fuentes alternativas de energía Al crear cualquier estructura que utilice energía solar, es necesario conocer la cantidad total de luz solar disponible para la conversión fotovoltaica. Aunque la energía de la radiación solar en determinados momentos del tiempo puede ser grande, pocas veces es posible establecer a partir de estos valores instantáneos la naturaleza de la radiación solar durante el día. Para hacer esto, es necesario promediar el valor de la energía solar durante un largo período de tiempo.
La cantidad de radiación solar potencialmente útil que cae sobre la superficie iluminada está determinada por un concepto llamado insolación. La radiación solar varía mucho de un punto a otro de la superficie terrestre. Los desiertos de Nuevo México reciben significativamente más luz solar que Chicago o San Francisco. A la hora de determinar el valor de insolación de cualquier zona, se deben tener en cuenta varios factores. Duración de la exposición solar (en horas) Para tener en cuenta todos los factores que inciden en el cambio de uso de la energía solar, es necesario introducir una unidad de medida completamente diferente a las que hemos utilizado hasta ahora. El más efectivo es la duración de la exposición solar, es decir, el tiempo de uso útil de la energía solar (en horas). La frase "uso beneficioso" se mencionará a menudo en el futuro. Medir la duración de la exposición solar es bastante simple. En esencia, todo lo que hay que hacer es contar el número de horas diarias en las que brilla el sol, es decir, el número de horas útiles para su uso. Varios factores influirán en nuestra medición. Influencia de la temporada Sin duda, el factor más importante es el ángulo de incidencia de la luz solar sobre la superficie terrestre. Cuando la Tierra gira alrededor del Sol, su eje no es perpendicular a la dirección del Sol, sino que está inclinado con respecto a él en un ángulo de unos 23. De hecho, los ejes de rotación de 5 de los 9 planetas del Sistema Solar están ligeramente inclinado. Por lo tanto, los rayos del sol caen sobre la Tierra no exactamente perpendiculares al ecuador. En cambio, el punto de buzamiento perpendicular se mueve al norte y luego al sur del ecuador durante el año. Este efecto se refleja en el cambio de estaciones.
Cuando el Polo Norte está inclinado lejos del Sol, como se muestra en la Fig. 1, el Sol ilumina las regiones del globo giratorio muy al sur del ecuador; para los que viven en el hemisferio norte, el Sol pasa por el cielo bajo en el horizonte.
Como resultado, los días se vuelven más cortos. Cuanto más cortos son los días, menos energía proviene del Sol y llega el invierno. A medida que la Tierra gira alrededor del Sol, el Polo Norte gira gradualmente hacia el Sol. En primavera, la disposición mutua de la Tierra y el Sol es tal que la energía solar cae directamente sobre el ecuador. Mientras tanto, la Tierra continúa su movimiento alrededor del Sol. Cuando pasa la mitad de la órbita, el Polo Norte gira hacia el Sol (Fig. 2). Esto permite que la radiación solar concentre su energía al norte del ecuador. Los días son cada vez más largos y la Tierra es capaz de absorber y almacenar más energía solar entrante. Para nosotros, el aumento de la insolación se siente como el comienzo del verano. La diferencia entre la duración de los días de verano e invierno para la mayor parte de los Estados Unidos continentales de América es de 6 horas (Fig. 3).
La tierra continúa su viaje, pasa por un ciclo completo y vuelve al punto de partida. Luego comienzan de nuevo los ciclos estacionales y solares. Por supuesto, para aquellos que viven en el hemisferio sur, las estaciones serán exactamente opuestas a las nuestras. Cuando tenemos frío en invierno, toman el sol durante los largos días de verano. Condiciones meteorológicas locales El cambio en la altura de la salida del sol sobre el horizonte durante el transcurso del año puede predecirse con precisión y explicarse fácilmente. Por otro lado, los patrones climáticos locales también tienen un marcado efecto sobre la insolación, pero son más difíciles de predecir. Las nubes son las que más influyen en el clima. Incluso si no cubren completamente el sol, pueden debilitar significativamente el paso de la luz solar. Dependiendo del tipo de nubosidad, la intensidad de la radiación solar puede disminuir en un 20-50%. Un problema particular es la variedad de formas y tamaños de las nubes. Los cirros ligeros solo reducen ligeramente la cantidad de luz solar que llega a la superficie de la tierra. Por lo tanto, pueden ser descuidados hasta cierto punto. Por otro lado, los cúmulos densos dejan pasar muy poca luz. Si hay rupturas en la capa de nubes, el sol aparecerá y desaparecerá nuevamente. Por lo tanto, es necesario estimar la cantidad de luz solar que penetra a través de la capa de nubes. ¿Es suficiente para la conversión fotoeléctrica? ¿O la luz es demasiado baja? Para tener en cuenta todo esto con precisión, es necesario determinar el nivel límite inferior de luz que aún es apropiado para la conversión fotoeléctrica. El cálculo se realiza si la intensidad de la luz supera este nivel. De lo contrario, el cálculo finaliza. Niebla, lluvia o neblina también hacen sus correcciones. De hecho, el clima es una variable ambiental única en su tipo. Las áreas que están separadas por solo 50 km pueden tener condiciones de insolación completamente diferentes. La naturaleza de la zona iluminada por el sol. En conclusión, es necesario considerar el terreno. Supongamos que hay una gran colina que bloquea el sol hasta las 10 de la mañana. Así, aunque el sol salga a las 7 de la mañana, no podremos utilizar su energía hasta que aparezca sobre la cima de la colina. Esencialmente se pierden 3 horas potencialmente utilizables. El sol poniente nos plantea otro problema, ya que es probable que las copas de los árboles bloqueen sus rayos a las 4 de la tarde. Aunque es posible que esto no interfiera con el descanso nocturno en la terraza fresca, ciertamente reducirá la cantidad de energía solar utilizada. Y aunque la puesta de sol puede ser increíble, los rayos del sol poniente no son tan enérgicos como nos gustaría. La combinación de varios factores estrecha los límites de la mayor productividad de la radiación solar en el intervalo de aproximadamente 10 am a 4 pm. En este caso, es necesario tener en cuenta el cambio en el ángulo de incidencia de los rayos del sol a medida que el sol se mueve por el cielo durante el día, si no tiene un dispositivo para rastrear el movimiento del sol. Los rayos del sol que caen sobre la superficie iluminada en un ángulo muy pequeño se vuelven inadecuados para su uso. Todos los factores anteriores determinan el tiempo útil total de la energía solar. Medidor de insolación En la actualidad, es bastante sencillo diseñar un medidor de radiación solar que satisfaga los requisitos anteriores. Si queremos establecer la duración real del intervalo de tiempo durante el cual la iluminación solar es útil en relación con nuestros convertidores fotovoltaicos, es natural elegir una célula solar de silicio como sensor de radiación. Este diseño requerirá una fuente de alimentación de baja potencia que genere 1,5 V a 3 mA. Se puede realizar a partir de varios elementos pequeños conectados en serie de forma que recuerda a la colocación de un tejado de tejas (capítulo 1). Luego, la batería solar debe conectarse a un reloj mecánico de cuarzo, que consume muy poca energía. Cuando la luz del sol incide en el convertidor fotovoltaico, la energía eléctrica liberada pondrá el reloj en marcha. Al registrar la cantidad de tiempo por día que estuvo funcionando el reloj, obtendrá la exposición solar por día (en horas). Para detectar la diferencia en la intensidad de la radiación solar, se conecta una resistencia a la batería solar, que cumple la función de cargar las células solares, reduciendo ligeramente su voltaje. Mientras la intensidad de la luz no exceda un cierto nivel, correspondiente al nivel de trabajo útil de la batería solar, el voltaje desarrollado por ella no es suficiente para alimentar el reloj y este tiempo no se registra. Diseño de medidor El cuerpo del medidor de insolación solar está hecho completamente de plástico acrílico, como el plexiglás. Tomé una hoja de plexiglás, que a veces se usa para crear marcos de ventanas dobles y generalmente está disponible comercialmente. De esta hoja se deben cortar dos piezas de 10x12 cm, una pieza de 10x10 cm2 y una pieza de 14x14 cm2. Luego corta un trozo de 14x14 cm2 en diagonal en dos triángulos. A continuación, en el centro de la placa de 10x10 cm2, taladre un agujero de 9 mm de diámetro. Al perforar un agujero en un material termoplástico como el acrílico, se debe evitar el calor, de lo contrario el plástico se derretirá. Use la misma precaución al cortar plástico. Los mejores resultados se pueden lograr con bajas velocidades de taladrado y corte, pero con suficiente presión. Ahora puedes empezar a montar. Primero, es necesario sujetar el reloj de cuarzo con tuercas en un orificio de 9 mm de diámetro en una placa de 10x10 cm2. Si lo desea, puede equipar el temporizador con un dial de un reloj de pared (se presiona con tuercas de conexión). Para mi modelo, simplemente perforé 12 agujeros en un círculo en la placa para indicar la posición de las flechas. Ahora las partes están pegadas como se muestra en la Fig. 4. Aunque se prefiere el adhesivo acrílico, se pueden usar otros tipos de adhesivo. Recomiendo pegar las placas rectangulares a una sola placa triangular primero y solo luego unir la segunda placa triangular. Esto le permitirá combinar las partes con mayor precisión y evitar manchar el pegamento. Luego, el panel solar se une a una hoja de plástico detrás del reloj. Una batería solar liviana se conecta fácilmente al plástico para los conductores que transportan corriente unidos a los contactos del elemento, utilizando gotas de pegamento. Es necesario evitar que entre pegamento en la superficie de las células solares.
Cabe señalar que los conductores no están aislados y no están marcados de ninguna manera. Conecte el conductor procedente de la superficie frontal (fotosensible) del elemento al contacto negativo (-) de la fuente de alimentación del reloj. El otro conductor procedente de la parte trasera se conecta a la entrada de alimentación positiva (+). Finalmente, se suelda una resistencia de 220 ohmios a los terminales del panel solar como carga. El diseño ya está listo para las mediciones. Medición de la insolación El dispositivo se puede utilizar de dos maneras. Al menos puede comenzar ajustando el reloj a una hora fácil de recordar (normalmente lo configuro a las 12 en punto) y apuntar el sensor hacia el sur. El ángulo de acimut del panel solar es de 45°, que es aproximadamente la instalación correcta para la mayoría de las áreas de los EE. UU. Las mediciones comienzan temprano en la mañana, al amanecer. Ahora, hasta la puesta del sol, el dispositivo registrará la cantidad de horas durante las cuales el sol proporciona suficiente energía para usar. Esto tiene en cuenta automáticamente la influencia del paso de las nubes y los períodos de incidencia de los rayos en un ángulo agudo con respecto a la superficie (en los que una cantidad muy pequeña de energía cae sobre la batería). Al final del día, puede leer directamente la cantidad de horas útiles de sol por día. Si la manecilla señala el 5, entonces hubo 5 horas útiles. Vuelva a configurar el reloj y estará listo para el día siguiente. Usando otro método, puede obtener el valor acumulativo de la insolación. Las lecturas simplemente se anotan todos los días sin cambiar el reloj y se cuenta el número total de vueltas de la manecilla durante la medición. El resultado son condiciones de insolación durante un largo período de tiempo. Puede determinar el valor promedio de la duración de la exposición solar (en horas) de varias maneras diferentes: por semana, por temporada, por año. Todo depende de los datos que se necesiten. Autor: Byers T.
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