Kitabı oku: «Determinación del potencial solar. ENAC0108», sayfa 2

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2.7. Composición de los rayos solares

El Sol emite una gran gama de radiaciones, entre ellas la luz blanca visible (400 a 700 nm), los rayos ultravioleta (100 a 400 nm) y los rayos infrarrojos (700 a 1.500 nm), que es lo que se conoce por espectro solar.

1 Rayos gamma: radiación de tipo electromagnética que se desprende de las reacciones de fusión del Sol y se caracterizan por su gran poder ionizante.
2 Rayos X: al igual que los rayos gamma, son una radiación de tipo electromagnético, aunque de menor energía de ionización.
3 Luz ultravioleta: radiación de onda corta cuyo espectro está comprendido entre los 400 nm y los 40 nm (nanómetros).
4 Luz visible: es la parte de la radiación solar que el ojo humano es capaz de apreciar y comprende las longitudes de onda que producen los colores.
5 Rayos infrarrojos: radiación electromagnética de mayor longitud de onda que la luz visible. Cualquier cuerpo que posea una temperatura superior a 0 °K (Kelvin) emite luz infrarroja.
6 Rayos microondas: ondas electromagnéticas de gran amplitud de onda. Las microondas permiten la vibración de los átomos de un cuerpo aumentando su temperatura por rozamiento interno.
7 Ondas de radio: presentan longitudes de onda que van desde milímetros a varios kilómetros. Estas ondas son muy usadas en el ámbito de la comunicación.

Longitud de onda del espectro visible medida en micrómetros
Color	λ (μ m)
Ultravioleta	<0,35
Violeta	0,4
Azul	0,45
Verde	0,5
Amarillo	0,55
Naranjo	0,6
Rojo	0,7
Infrarrojo	> 0,75

Actividades

4. Realizar una tabla en la que aparezcan todos los tipos de radiaciones estudiados. ¿En qué categoría se incluirían los siguientes ejemplos?

1 Radiotransmisor.
2 Horno-microondas.
3 Aparato bronceador ultravioleta.
4 Ondas de telecomunicaciones.

2.8. Energía sobre la superficie de la Tierra

Partiendo del 100% de la radiación que llega a la atmósfera, se estima que solo un 50% de la radiación alcanza la superficie terrestre, y que de ese 50% solo un 20% es absorbido por el terreno, siendo el resto reflejado.

Recuerde

Analizando factores como la dispersión de la luz, el albedo y la reflexión puede estimarse la cantidad de energía que alcanza la superficie terrestre.

Si se consideran estos datos, y conociendo que la cantidad de energía que alcanza la Tierra en su capa más externa de la atmósfera es de 1.366 W/m², podría concluirse que la energía realmente aprovechable en la superficie es de 683 W/m² en el caso de que se construya una superficie totalmente captadora y no refleje nada (el 50% del total). Sin embargo, la tecnología tanto fotovoltaica como térmica permite aprovechar parte de esa energía que se dispersa en la atmósfera y parte de la reflejada por el albedo.

Para conocer realmente la cantidad de energía que incide sobre una superficie captadora en la Tierra debe abordarse el estudio de la composición de la radiación solar extraterrestre.

Captador solar térmico

2.9. Composición de la radiación solar extraterrestre

La cantidad de energía recibida del Sol en la capa externa de la atmósfera, dividida por la unidad de superficie, se define como radiación solar extra-terrestre, considerando la superficie de estudio un plano situado en la capa más externa de la atmósfera. Los valores de la radiación solar extraterrestre dependen en cada momento de la distancia existente entre el Sol y la Tierra, la declinación, la latitud del lugar de estudio y el ángulo horario.

Definición

Declinación solar

Es el ángulo comprendido entre el plano que genera la proyección del Ecuador terrestre con la línea que une los centros del Sol y la Tierra.

El total de radiación extraterrestre procedente del Sol que incide en una superficie situada en la Tierra está compuesto por:

1 Radiación directa: cantidad de radiación que alcanza la superficie de la Tierra directamente.
2 Radiación difusa: cantidad de radiación recibida por los efectos de dispersión atmosféricos.
3 Radiación reflejada: es la radiación incidente que capta una superficie por efecto del reflejo con el suelo o cualquier otra superficie. Recibe también el nombre de albedo.

2.10. Cálculo de valores medios de radiación solar

La radiación solar se puede estimar mediante varios métodos. Los más empleados son:

1 Emplear los datos de estaciones meteorológicas cercanas: opción válida para terrenos llanos y distancias menores a 10 km.
2 Interpolación de valores a partir de medidas de la radiación solar obtenidas en varias estaciones: opción válida cuando se quiere obtener un resultado dentro de un área en la que se encuentran varias estaciones.
3 Interpolación en función de la topografía: requiere un estudio de la topografía como dato de entrada y precisa una densidad de estaciones de medida en el orden de los 100 km.
4 Mediante satélite: opción que se basa en el tratamiento de imágenes proporcionadas por satélites geoestacionarios como resultado de la reflexión de los rayos solares sobre la superficie terrestre.

La radiación solar extraterrestre se calcula en función de la distancia Sol-Tierra a lo largo del año. Este valor recibe el nombre de irradiancia (G) y para su cálculo debe tenerse en cuenta el ángulo de incidencia a lo largo del año.

Gon = Gsc [1 + 0,033 cos (360*n / 365)] (W/m²)

Donde:

1 Gon: es la irradiancia extraterrestre.
2 Gsc: es la constante solar.
3 n: es el número del día del año, siendo n = 1 el 1 de enero y n = 365 el 31 de diciembre.

Definición

Irradiancia (G):

Es el flujo de radiación solar que incide sobre la unidad de superficie por unidad de tiempo.

También se puede calcular el valor de la irradiancia sobre un plano horizontal (G₀) mediante la ecuación:

Go = Gon cosθz

Donde θz es el ángulo entre los rayos directos del Sol y la perpendicular de la superficie de estudio.

Por otra parte, también puede calcularse la irradiancia solar extraterrestre sobre un plano inclinado (Go_β) mediante la ecuación:

Goβ = Gon cos θ

Debe tenerse en cuenta que β es la inclinación de la superficie de captación, por tanto, el cálculo de la radiación se hará igual que anteriormente pero teniendo en cuenta dicho ángulo para los cálculos geométricos. Para diferenciar entre la radiación recibida por un captador plano y otro inclinado se incluye la designación β para las superficies inclinadas.

Otro concepto muy importante es la irradiación, que es la cantidad de energía recibida por unidad de superficie durante un periodo de tiempo determinado. Si se considera un periodo de tiempo en horas, se representa con el símbolo I; en cambio, si el periodo de tiempo considerado es de un día, se representa con el símbolo H y la unidad de medida empleada es J/m² (Julios por metro cuadrado). Más adelante se estudiará que la irradiación diaria se obtiene de la integración relativa al tiempo que el Sol está en el horizonte.

En el caso de la irradiación horaria extraterrestre, el tiempo se introduce en horas:

Io = Go · t

En el caso de la irradiación diaria extraterrestre, el tiempo se introduce en días:

Ho = Go · t

Importante

La irradiación es la cantidad de energía recibida por unidad de superficie durante un periodo de tiempo determinado.

En definitiva, la radiación que alcanza a una superficie se puede expresar como la suma de la radiación directa, la difusa y la reflejada.

Actividades

5. Realizar un resumen que recoja los tipos de radiación solar en la superficie de la Tierra. ¿Cuáles son los aspectos más importantes?

6. ¿Qué diferencia existe entre irradiancia e irradiación?

A continuación se indica el cálculo de los valores medios de la radiación solar en diferentes situaciones.

Partiendo de la constante solar Gsc = 1.366 W/m², se va a calcular la irradiancia extraterrestre (Gon) para el 24 de junio.

Para el cálculo debe aplicarse la ecuación:

Gon = Gsc [1 + 0,033 cos (360*n / 365)]

Sustituyendo, queda:

Gon = 1.366 [1 + 0,033 cos (360*175 /365)]

Donde n para el 24 de junio es n = 175.

Gon = 1.321,29 W/m²

Ahora se va a calcular la irradiancia sobre un plano horizontal (G₀) situado a una latitud de 37.01 N y una longitud de 4.33 O a las 12 del mediodía, donde la altura solar es de 76° y el azimut 0°.

La ecuación que debe aplicarse es:

Go = Gon cosθz

El cálculo del ángulo θz se obtiene de restar la altitud solar al zenit:

θz = 90° − 76° = 14°

Por tanto, queda:

Go = 1.321,29 cos 14° = 1.282,04 W/m²

Partiendo de los datos anteriores se va a calcular la irradiancia solar extra-terrestre sobre un plano inclinado (Go_β), donde la inclinación de este es de 10° y el azimut 0° (lo que significa que la perpendicular al plano apunta directamente hacia el Sur y no existe desfase con respecto al Sol ya que también se encuentra con azimut 0°).

Para el cálculo se debe aplicar la ecuación:

Goβ = Gon cos θ

En este caso, el ángulo θ se obtiene de la siguiente manera:

θz = 90° − 76° − 10° = 4°

Por lo que, sustituyendo, se obtiene:

Goβ = 1.321,29 cos4° = 1.318,07 W/m²

Si se comparan los valores con los obtenidos en una superficie horizontal se puede observar que en la superficie inclinada, al incidir la radiación en un ángulo cercano al perpendicular de la superficie, la irradiancia resultante es mayor.

Si se quiere conocer la irradiación solar diaria tendría que realizarse el cálculo de las irradiaciones para las distintas altitudes solares a lo largo de un mismo día. Para facilitar los cálculos y reducir el tiempo en el diseño de una instalación, existen tablas que recogen los valores medios de irradiaciones para los distintos meses del año, las distintas latitudes y las distintas inclinaciones de los captadores. Estas tablas se obtienen recogiendo las mediciones realizadas en las diferentes estaciones meteorológicas existentes y pueden ser consultadas en la web del Instituto de la Energía de la Unión Europea. Las tablas deben usarse para estimar de manera rápida y aproximada los valores de radiación para una zona específica.

Ejemplo de tabla de la cantidad de radiación solar media mensual según la latitud
Lat ª Norte	Hemisferio Norte Ra en MJ · m−2 · día−1
Lat ª Norte	Ene	Feb	Mar	Abr	May	Jun	Jul	Ago	Sep	Oct	Nov	Dic
0.0	36.1	37.6	38.0	36.8	34.8	33.4	33.8	35.5	37.1	37.4	36.5	35.7
2.0	35.3	37.1	37.9	37.1	35.4	34.2	34.5	36.0	37.2	37.1	35.8	34.8
4.0	34.5	36.6	37.7	37.4	36.0	34.9	35.2	36.4	37.3	36.8	35.1	33.9
6.0	33.6	36.0	37.5	37.6	36.6	35.6	35.8	36.8	37.3	36.4	34.3	33.0
8.0	32.7	35.4	37.3	37.8	37.1	36.3	36.4	37.2	37.2	35.9	33.5	32.1
10.0	31.8	34.7	37.0	38.0	37.5	36.9	37.0	37.5	37.1	35.4	32.7	31.1
12.0	30.9	34.0	36.7	38.0	38.0	37.5	37.6	37.8	37.0	34.9	31.8	30.1
14.0	29.9	33.3	36.3	38.1	38.4	38.1	38.0	38.0	36.8	34.3	30.9	29.0
16.0	28.9	32.5	35.8	38.1	38.7	38.6	38.5	38.2	36.6	33.7	30.0	27.9
18.0	27.8	31.7	35.4	38.1	39.0	39.1	38.9	38.3	36.4	33.0	29.1	26.9
20.0	26.7	30.8	34.8	38.0	39.3	39.5	39.3	38.4	36.0	32.3	28.1	25.7
22.0	25.6	29.9	34.3	37.8	39.5	39.9	39.6	38.4	35.7	31.6	27.0	24.6
24.0	24.5	29.0	33.7	37.7	39.7	40.3	39.9	38.5	35.3	30.8	26.0	23.4
26.0	23.4	28.1	33.0	37.4	39.8	40.6	40.2	38.4	34.9	30.0	24.9	22.3
28.0	22.2	27.1	32.4	37.2	39.9	40.9	40.4	38.3	34.4	29.2	23.8	21.1
30.0	21.1	26.1	31.6	36.9	40.0	41.1	40.6	38.2	33.9	28.3	22.7	19.8

Sabía que...

La estación internacional extrae la energía para su funcionamiento de la radiación solar. Debido a que el espacio carece de atmósfera la cantidad de radiación recibida en el espacio es mucho mayor permitiendo a la estación internacional cubrir sus energéticas con la mitad del campo fotovoltaico del que necesitaría en la superficie de la terrestre. Sin embargo la carencia de atmósfera obliga tanto a los astronautas como a la propia estación internacional a protegerse de la excesiva radiación solar recibida. Una de las formas es emplear el color blanco tanto en los módulos espaciales, como transbordadores o los propios trajes de los astronautas para reflejar la mayor cantidad de luz solar.

Aplicación práctica

Una fábrica de aluminios quiere estudiar la posibilidad que ofrece la cubierta de una de sus naves para realizar una instalación fotovoltaica que cubra la demanda eléctrica de la nave. El técnico de la empresa encargada del estudio del proyecto debe calcular el potencial solar que ofrece la nave, y para ello necesita obtener la irradiancia para el 15 de julio y sobre un plano inclinado 25° sobre la horizontal.

Los datos que conoce son:

1 Gsc = 1.366 W/m2.
2 Altitud solar = 45°.
3 Azimut = 0°.

SOLUCIÓN

Primero se debe calcular la irradiancia extraterrestre mediante la ecuación:

Gon = Gsc [1 + 0,033 cos (360*n / 365)]

El 15 de julio se corresponde con el día n = 196 del año.

Sustituyendo, se obtiene:

Gon = 1.366 [1 + 0,033 cos (360*196 / 365)]

Gon = 1.322,13 W/m²

Lo siguiente es calcular la irradiancia para una superficie inclinada, y para ello se emplea la ecuación:

Goβ = Gon cos θ

El ángulo se corresponde con:

θ = 90° − 45° − 25° = 20°

Por tanto, Goβ será:

Goβ = 1.322,13 cos 20° = 1.242,39 W/m²

3. El Sol y la Tierra

La Tierra es un planeta que orbita alrededor del Sol a una distancia aproximada de 150 millones de kilómetros. Su forma es esférica achatada por sus polos y presenta un radio aproximado de 6.378 km.

La Tierra es el tercer planeta más cercano al Sol y su movimiento de traslación (giro alrededor del Sol) tarda en completarse un año. A su vez, gira sobre sí misma en un movimiento llamado rotación, el cual tarda 1 día en completarse.

Se estima que la Tierra tiene una edad cercana a los 4.600 millones de años.

3.1. Conceptos básicos

El aprovechamiento de la energía solar se debe a dos motivos principalmente:

1 Es una fuente inagotable y gratuita.
2 Se prevé la extinción de los recursos naturales derivados del petróleo y la necesidad de mantener el abastecimiento de electricidad.

La energía procedente del Sol incide sobre la superficie de la Tierra generando el fenómeno climatológico; además, los rayos solares inciden sobre la superficie exterior de la Tierra, ya sea directamente difuminada por la atmósfera o reflejada por el entorno, generando cambios atmosféricos de magnitud considerable.

La cantidad de energía solar disponible en un punto de la Tierra depende del día del año, de la hora y de la latitud.

Nota

Para mejorar la cantidad de radiación solar recibida debe orientarse de forma idónea el dispositivo receptor, con el fin de hacer lo más efectiva posible la captación solar.

La latitud es la distancia angular existente entre el Ecuador y el punto de estudio. En cambio, la longitud es el ángulo resultante de la medición a lo largo del Ecuador desde el meridiano de Greenwich (considerando Londres como punto de partida) y el punto de estudio. Los meridianos son semicircunferencias (mitad de una circunferencia) imaginarias que se trazan alrededor de la Tierra, paralelas al eje terrestre y que tienen su principio y fin en los polos. Gracias a los meridianos se pueden determinar las coordenadas horarias de una localidad o zona.

Definición

Paralelos

Aquellos círculos cuya intersección forma planos perpendiculares al eje de rotación terrestre. En cambio, los meridianos son semicírculos que pasan por los polos y cuya intersección forma planos paralelos al eje rotacional.

Un ángulo a tener en cuenta para los cálculos del potencial solar es el azimut, que es el ángulo existente entre el Sur y la situación del Sol en proyección horizontal.

Nota

El viento se produce por una interacción entre el Sol, los océanos y la atmósfera. Esto se debe a la existencia de masas de aire a distintas temperaturas produciendo una constante circulación de las mismas.

La curva que describe la Tierra alrededor del Sol se denomina elíptica, y trazando la curva completa se obtiene el plano orbital terrestre. A lo largo de un año, mientras la Tierra recorre dicha curva, existen dos momentos en los que el Sol alcanza su zenit en el paso por el plano situado en el Ecuador terrestre, dando lugar a los equinoccios. Los equinoccios son las fechas en las que los días y las noches tienen igual duración. Por otra parte, los solsticios son las fechas del año en las que el Sol alcanza su mayor o menor altura aparente en el cielo, y por tanto la duración del día o de la noche son las máximas del año, respectivamente.

Como se vio anteriormente, la declinación solar es el ángulo comprendido entre el plano que genera la proyección del Ecuador terrestre con la línea que une los centros del Sol y la Tierra. Su valor varía a lo largo del año, siendo de 23,5° el 21 de junio y de −23,5° el 21 de diciembre, así como de 0° en los equinoccios de primavera y otoño.

Por otra parte, los solsticios son los días del año en los que el Sol aparece más alto o más bajo en su recorrido diurno por el cielo.

3.2. Interacción Sol-Tierra

Los fenómenos climáticos como las estaciones del año, los vientos, las tormentas, los huracanes, los casquetes polares, los desiertos, etc., tienen su origen en el Sol.

La relación entre Sol y Tierra está determinada por la distancia existente a lo largo del periodo orbital de la Tierra alrededor del Sol, además de la inclinación del eje terrestre con respecto al plano orbital.

El periodo orbital es el tiempo que tarda la Tierra en volver a pasar por ese mismo punto de la órbita después de un recorrido completo alrededor del Sol, mientras que el plano orbital es el plano imaginario sobre el cual orbita la Tierra, cada planeta describe su propio plano orbital con respecto al Sol.

La órbita que describe la Tierra alrededor del Sol tiene forma de elipse y el Sol se sitúa en uno de los focos de la elipse; debido a esto y al cambio del eje rotacional de la Tierra, se producen las estaciones.

El 21 de junio se produce el solsticio de verano, que es cuando el hemisferio norte se inclina hacia el Sol aumentando la duración de los días; en cambio, el 21 de diciembre se produce el solsticio de invierno, que es cuando el hemisferio sur se inclina hacia el Sol produciendo que la duración de las horas de Sol en el hemisferio norte se acorten.