Piranômetro

Piranômetro
Ana Paula Vitorino Vieira¹
[email protected]
Andresa Borgert Wopereis
[email protected]
Andrey Rogério Abreu
[email protected]
Paula Bueno dos Santos
[email protected]
Wagner Luiz Langer Costa
[email protected]
Alunos do Curso Técnico de Meteorologia do Instituto Federal de Educação, Ciência e
Tecnologia de Santa Catarina Ministério da Educação
Av. Mauro Ramos, 950, Centro, Florianópolis, Santa Catarina
Resumo: Este artigo apresenta o desenvolvimento de um piranômetro, que
utilizando componentes de baixo custo, mensura a radiação solar, energia
proveniente do Sol. A radiação afeta direta ou indiretamente os processos
físicos que ocorrem na atmosfera, de maneira que sua mensuração é
importante para diversos setores. Na construção do sensor meteorológico foi
reutilizada a base de um piranômetro e acoplado um sensor fotodiodo, que, por
meio de um leitor de tensão elétrica programável, transforma a leitura de
tensão em W/m². Após os testes, foi concluído que o sensor apresenta
semelhança com o brilho solar, mas não corresponde a intensidade de
Irradiância.
Palavras-chave: Piranômetro. Sensor. Radiação. Fotodiodo. Abstract: Abstract: This paper presents the development of a pyranometer,
which measure the solar radiation, using components of low cost, energy from
the Sun. This radiation affects directly or indirectly the physical processes that
occur in the atmosphere, in a way that the measurement radiation is important
to many sectors. In the construction of meteorological sensor, it was reused the
base of a pyranometer and a photodiode sensor was coupled, through a
programmable portable voltage, which transforms the voltage in W / m². After
the tests, it was concluded that the sensor presents likeness to solar brightness,
but isn’t correspond the Irradiance intensity.
Key Words: Piranometer. Sensor. Radiation. Photodiode.
2 Fundamentação teórica
comprimento de onda e com a
velocidade de propagação, ou pela
energia contida em um fóton de
radiação. Os conjuntos de freqüências
e comprimentos de ondas de forma
ordenada denominam-se espectro
eletromagnético.
A intensidade de radiação, ou
Radiância é a principal grandeza
radiativa. Desta, determina-se outra
grandeza, a Densidade de Fluxo de
Radiação, importante por representar
a quantidade de energia radiante
proveniente de todas as direções, que
passa em certo plano na unidade de
tempo
e
área.
No
Sistema
Internacional (SI) a unidade de
densidade de fluxo de radiação é
apresentada em W/m². Pode-se
distinguir entre a densidade de fluxo
emitido por uma superfície, a
Emitância Radiante, e a densidade de
fluxo incidente na mesma, de termo
Irradiância. A determinação desta
última é o tipo de intensidade que o
nosso sensor mensurará.
2.1 Radiação
2.1.1 Radiação global
“Radiação, ou energia radiante, é à
energia que se propaga sem a
necessidade de um meio material. O
termo radiação é igualmente aplicado
para designar o próprio processo
desse tipo de energia” (VAREJÃOSILVA-2006, p.188).
Apresenta-se em forma de ondas
eletromagnéticas e se propagam no
espaço em velocidades altíssimas, e
no vácuo sua velocidade é da ordem
de 300.000 km/s.
A radiação pode ser caracterizada
por uma freqüência, relacionada com o
A densidade do fluxo de energia
radiante incidente sobre a Terra é
chamada de Irradiância Global, a qual
apresenta duas componentes:
a) irradiância direta - provém
diretamente do disco solar, atinge a
superfície planetária “sem sofrer”
desvios na atmosfera;
b) irradiância difusa - a que sofre
desvios durante sua trajetória,
resultante do espalhamento da
atmosfera.
1 Introdução
Este
artigo
apresenta
o
desenvolvimento de um sensor que
detecta a Radiação Solar Global, o
qual
é
chamado
piranômetro,
desenvolvido com materiais de baixo
custo.
A mensuração da radiação é de
suma importância para a sociedade.
Na agricultura, evita perdas na
plantação devido à exposição das
plantas a radiação, podendo alterar
nos processos de fotossíntese. Na
meteorologia auxilia na previsão e
estudos de casos, por afetar direta ou
indiretamente os processos físicos que
ocorrem na atmosfera. Na área da
saúde, o fluxo de radiação incidente é
base para se estimar o Índice
Ultravioleta,
pois
a
excessiva
exposição a estes raios é prejudicial à
saúde. Além disso, a radiação solar é
uma fonte de energia renovável.
2.2 Piranômetro
Piranômetros
são
sensores
utilizados para realizar a mensuração
da radiação, sobre uma superfície
plana horizontal. Essa é feita a partir
da densidade do fluxo de radiação
global, ou somente direta ou difusa,
em comprimentos de ondas, que vão
desde o ultravioleta ao infravermelho
do espectro eletromagnético.
Os piranômetros geram sinais
elétricos do tipo analógico, os quais
são transformados pelo sistema em
unidade de radiação (W/m²). Os
elementos
sensores
variam
de
fotodiodos a termopilhas diferenciais.
2.3 Sensores meteorológicos
Devido às diversas aplicações da
energia solar, é desejável medi-la com
equipamentos confiáveis e em maior
número
de
localidades.
Esses
equipamentos são caros e muitas
vezes, não são calibrados e expostos
à manutenção periódica.
Inúmeros são os instrumentos
desenvolvidos para a medida da
radiação solar. Esses instrumentos
têm denominações especiais, de
acordo com sua finalidade. Além do
piranômetro com sensor fotodiodo há:
actinógrafos
ou
piranógrafos
e
piranômetros com outros princípios de
funcionamento.
-actinógrafo ou piranográfo é um
elemento sensível à radiação global,
possui uma placa de metal montada
horizontalmente, constituída de outras
três placas, uma negra no centro e
duas brancas laterais. Este conjunto é
conhecido como bimetálico; a parte
sensível do aparelho é protegida de
poeiras, umidade e precipitação por
uma semiesfera de vidro.
-piranômetro mede a radiação solar
global ou a radiação difusa. Para medir
a radiação difusa um anteparo
especial é acoplado ao piranômetro a
fim de evitar que a radiação solar
direta atinja o elemento sensível do
instrumento.
Tem
como
princípio
de
funcionamento
o
diferente
aquecimento da superfície branca e
preta,
detectado
por
junções
termoelétricas.
Essas
junções
produzem uma corrente elétrica,
quando submetida à ação da radiação,
que é registrada em um potenciógrafo
ou em totalizador integrador digital.
3 Metodologia
3.1 Descrição técnica
O sensor proposto neste artigo é
utilizado
para
mensuração
da
Irradiância Solar Global, o qual possui
como elemento sensor um fotodiodo.
Fotodiodos são dispositivos eletrônicos
fotossensíveis, ou seja, que alteram
suas características mediante a
incidência de luz, e convertem os
sinais óticos em sinais elétricos. A
Figura 1 ilustra a aparência física do
componente.
FIGURA 1 – Fotodiodo
Os fotodiodos são constituídos de
maneira análoga aos diodos de
junção. A junção PN é polarizada
inversamente e, portanto, circula uma
corrente no diodo, a corrente de
saturação, composta de portadores
minoritários, isto é, elétrons no tipo P e
buracos no tipo N. Quando um feixe
luminoso incide na função, são
quebradas
ligações
covalentes,
aumentando a concentração de
portadores
minoritários
e
conseqüentemente,
gera-se
uma
diferença de potencial.
Existem vários tipos de fotodiodo,
cada um trabalha numa escala
diferente. Com uso de um multímetro,
registraram-se as variações de tensão,
em simulações de variações da
luminosidade, de modo rápido, o que
mostra a sensibilidade do sensor, que
deve ficar totalmente isolado, para
evitar que a ação do tempo danifique o
mesmo.
3.2 Construção e teste do projeto
Na fase inicial da construção do
instrumento, foi utilizada a carcaça de
alumínio maciça de um piranômetro
que já apresentava defeitos no seu
sensor, a qual foi serrada e nela
inseriu-se o fotodiodo, devidamente
vedado com silicone. A figura 2 ilustra
o protótipo.
FIGURA 2- Protótipo
O protótipo foi posto na estação
meteorológica automática do IFSC, e
foi analisado seu comportamento tanto
em dias de céu claro, em sua maioria,
quanto na presença de nebulosidade.
Utilizou-se a mesma programação do
antigo sensor de radiação da estação,
mas não se converteu a unidade,
registrando apenas a tensão. Nos primeiros testes, o sensor
comportou-se como o esperado, mas
logo
apareceram
os
primeiros
problemas, como falta de vedação da
carcaça, seguido de curto-circuito. Em
seguida, houve trocas de fotodiodo,
tanto pela escala ser desconhecida e
gerar tensão contínua, desligando ao
fim do dia, e por ultrapassar a escala
de tensão do Datalogger, de 2500 mV,
ou possivelmente ser um fotodiodo
regulador de tensão. No quarto teste utilizou-se um
fotodiodo proveniente de um drive de
disquete, o qual foi inserido no
piranômetro, e posto para teste
novamente na estação. Na análise dos
dados,
observou-se
aparência
coerente com a luminosidade dos dias.
Ao comparar o gráfico do actinógrafo e
o sensor, este gerava maiores tensões
no período em que houve maior
radiação.
3.3 Resultados
Após a construção do aparato e a
realização dos testes, ao analisar os
resultados obtidos com o protótipo,
constatou-se que o mesmo mostrou
semelhança com as horas de brilho
solar. Pois, ao comparar os picos de
radiação do gráfico do actinógrafo com
o sensor, nos picos de radiação
expressos em calorias marcados pelo
actinógrafo, o sensor gerava alguns
dos seus maiores valores de tensão,
sendo o períodos em que houve maior
radiação incidente. As figuras 3, 4 e 5
mostram os resultados, em condições
de céu claro, encoberto e nublado,
respectivamente.
Há também registro de aumento de
tensão gerada e diminuição no registro
de calorias do gráfico do actinógrafo,
que marca disparidades. Ao comparar
a intensidade de radiação incidente,
através dos valores de tensão com as
calorias do actinógrafo, conforme a
figura 6, em dia de céu claro, há uma
linearidade
principalmente
nas
primeiras horas do dia. Porém quando
o fluxo de radiação incidente aumenta
a linearidade já não permanece
constante. Isso pode ser observado
através da figura 7, que mostra a corelação entre caloria e tensão.
FIGURA 3 – Irradiância dia 05/11/09 (céu
claro)
FIGURA 6 – Linearidade dia 05/11/09
FIGURA 4 – Irradiância dia 08/11/09 (céu
encoberto)
FIGURA 7 – Co-relação do dia 05/11/09
FIGURA 5 – Irradiância dia 12/11/09 (céu
nublado)
Nos dias de céu nublado e
encoberto, o sensor não apresenta as
mesmas variações de intensidade
registradas pelo actinógrafo, conforme
1500
Tensão (mV)
a figura 8, que demonstra a má corelação entre caloria e tensão. Isso se
deve a possibilidade de interferências
externas,
como
umidade
e
temperatura, causadas pela má
vedação do sensor, ou por sua
estrutura apresentar dificuldades em
dissipar o calor.
1250
1000
750
500
Hora (h)
FIGURA 9 – Declínio da Tensão “Teste 5”
3.4 Programação e resultados finais
FIGURA 8 – Co-relação do dia 12/11/09
A relação apresentada pela figura 6
é
importante
para
achar
o
multiplicador, número essencial à
programação, que transforma o valor
de tensão para o valor correspondente
à variável. Foi encontrado o valor de
0,036 como multiplicador.
Ao analisar se a temperatura
interfere na tensão gerada pelo
sensor, foi feito um quinto teste com
um pano escuro e úmido, para
averiguar se ele continuava gerando
uma tensão alta. Aguardaram-se dois
minutos e foi retirado o pano.
Analisando o gráfico da tensão gerada
no momento percebe-se que há um
declínio acentuado, exatamente na
hora dos testes. Entretanto, a
temperatura interfere pelo fato de o
sensor não alcançar os 500 mV, que é
sua tensão dada como inicial
observada no gráfico da figura 9.
Utilizou-se para a leitura de tensão
do sensor o instrumento Datalogger
CR10X, que lê e armazena em tempo
determinado a variação de tensão
gerada
pelo
sensor.
Para
a
determinação do tempo de leitura e
armazenamento
de
dados
no
Datalogger utilizou-se o software
LoggerNet .
O sensor foi conectado na entrada
analógica diferencial, por ser mais
sensível e diminuir as interferências
externas, já que a corrente elétrica que
circula no sensor é muito pequena.
Programou-se a mensuração a cada
10 segundos, e armazenamento da
média lida em 5 minutos, 1 hora e 24
horas. No armazenamento dos dados
de 24hs, programou-se para que
armazenasse também a radiação total
obtida.
Utilizando os dados de tensão (mV)
do piranômetro e as calorias
(cal/cm².min) do gráfico do actinógrafo,
de mesmo dia, obteve-se mediante
gráficos Caloria/Tensão, já mostrados
no item 3.3, o multiplicador para
converter sinais de tensão na unidade
de radiação. O multiplicador como já
foi mencionado ficou sendo 0,036,
resultante do gráfico da figura 6, que
apresentou maior linearidade na área
do gráfico, que entre as relações
feitas, é o que mais se aproximou de
1, por seu R².
Por meio do instrumento de leitura de
tensão, que permanece na EAU,
obtiveram-se os valores de tensão
gerados pela diferença de potencial do
sensor. Foi utilizada a mesma
programação do antigo sensor de
radiação da Estação Automática do
IFSC.
Trocou-se
apenas
o
multiplicador, e o offset, conforme a
programação:
;{CR10X} *Table 1 Program 01: 10 Execution Interval (seconds) 12: Volt (Diff) (P2) 1: 1 Reps 2: 23 25 mV 60 Hz Rejection Range 3: 3 DIFF Channel 4: 6 Loc [ radiacao ] 5:0 .036 Mult 6: ‐54.27 Offset 13: If (X<=>F) (P89) 1: 6 X Loc [radiacao] 2: 4 < ; 3: 0 F 4: 30 Then Do 14: Z=F x 10^n (P30) 1: 0 F 2: 0 n, Exponent of 10 3: 6 Z Loc [ radiacao ] 15: End (P95) 16: Z=X*F (P37) 1: 6 X Loc [ radiacao ] 2: 0.00001 F 3: 7 Z Loc [ RADtotal ] para a mensuração da radiação. A
tensão gerada pelo sensor é apresenta
semelhança com as calorias do
actinógrafo apenas em dias de céu
claro. Após as 10 horas da manhã,
quando a radiação começa a aumentar
de forma significativa, o sensor apresenta problemas ou devido ao
aquecimento de sua carcaça, pois no
quinto teste, percebeu-se que há
interferência da temperatura na tensão
gerada, o que indica que pode haver
dificuldades do sensor em dissipar o
calor. Ou por haver interferência da
umidade, já que ao passar dos dias, e
principalmente em dias de céu nubaldo
e encoberto, as co-relações entre
valores de caloria e tensão ficaram
mais dispersas.
Por apresentar certa linearidade em
relação ao brilho solar, comparando
tensão e caloria por hora, o
piranômetro acompanha as horas de
sol gerando tensões. Sugere-se para
projetos futuros, utilizar um termistor,
para diminuir a tensão gerada pelo
calor, tendo, enfim a tensão gerada
apenas pelo fluxo de luz incidente.
5 Referências
VAREJÃO – SILVA, Mário Adelmo.
Meteorologia e climatologia. Recife,
PE: Versão Digital, n.2, 2006.
VIANELLO, Rubens Leite; ALVES, Adil
Rainier. Meteorologia básica e
aplicações. Viçosa: UFV, 2000.
QUADRO 1 - Programação do datalogger
4 Conclusão
Concluiu-se que o sensor não
atende às características necessárias
FUENTES,
Márcia
Vedromila;
CÂNDIDO, Sérgio Pereira. Técnica de
observações
meteorológicas.
Florianópolis, 2009.
Apostila
–
Curso
Técnico
de
Meteorologia, Instituto Federal de
Educação, Ciência e Tecnologia de
Santa Catarina.
IAC. Aviônicos II. Rio de Janeiro,
2003. Apostila – Curso de Mecânica
em Manutenção Aeronáutica, Instituto
de Aviação Civil.
GTA/UFRJ - Grupo de teleinformática
e automação. Fotodiodos. Disponível
em:
http://www.gta.ufrj.br/grad/01_1/foto/fot
odiodo2.htm Acesso em: 09/11/2009.