Energía Solar: Definiciones Y Conceptos I

El Sol

El sol es la estrella más cercana a nuestro planeta, es una estrella tipo enana, con un diámetro de 690 000 Km. y una masa igual a 300,000 planetas como el nuestro, la distancia media del sol a la tierra se denomina unidad astronómica y tiene un valor de 1.5 X 10 a la 11 m. La energía solar proviene de las reacciones nucleares de fusión que se efectúan en su núcleo, donde átomos de hidrogeno, se combinan entre si para formar átomos de helio, los átomos de hidrogeno se combinan con los átomos de helio para formar átomos de litio, etc. al mismo tiempo, una pequeña parte de la masa de dichos átomos se convierte en energía, de acuerdo con la ecuación de Einstein E=mc2.
En el núcleo solar se estima que la temperatura es del orden de 10 a la 7 grados Kelvin y es donde se genera el 90% de la energía que fluye hacia la superficie solar. El sol irradia su energía en forma de ondas electromagnéticas con una amplia gama de longitudes de onda, las cuales se desplazan en el espacio a una velocidad de 300 000 kilómetros por segundo, o velocidad de la luz. El sol irradia cada segundo una cantidad de energía de 4 X 10 a la 26 Joules que genera una potencia de 4 X 10 a la 23 Kw, para darnos una idea de la enorme cantidad de energía que esta cantidad representa, basta decir que el consumo mundial de energía en un año se estima en 3.25 X 10 20 Joules ó una potencia de 3.25 X10 17 Kw, esto quiere decir que en un segundo el sol genera más energía, que la consumida en todo un año en todo el mundo.

La constante solar

La energía solar es irradiada al espacio en todas direcciones, esta energía se reparte en una superficie esférica hipotética cuyo centro es el sol y cuyo radio crece a la misma velocidad que la propia radicación. Cuanto mayor sea el radio de la esfera el área aumenta y la energía incidente disminuye Sí quisiéramos conocer el valor teórico de la energía solar incidente en la tierra vasta emplear la siguiente ecuación: I = P / S
Donde:

• I= Irradiancia (Kw/m2). 


• P= Potencia (W): 4X10 a la 26W. 


• S=Superficie de una esfera (m2):4 X PI X R2. 


• R=Distancia media tierra sol (m): 1.5 X 10 a la 11 m.

Despejando términos
I = 4 X 1026w / 4 X PI x (1.5X10 a la 11 m) 2 = 1.4 Kw/m2

El valor medio de la constante solar, medido por satélites en el espacio exterior, justamente por encima de nuestra atmósfera es de 1 353 w/m2 = 1.940 cal/cm2 min = 428 BTU/hr ft2 = 4 871 MJ/m2 hr.

Tipos de radiación

La atmósfera de la tierra modifica de manera significativa la radiación incidente ya que actúa como filtro, de esta manera la radicación solar que llega a la superficie terrestre se puede clasificar en tres tipos de radiación principalmente.

1. Radiación directa: Se forma de los rayos procedentes del sol directamente sin sufrir ninguna variación.


2. Radiación difusa: Aquella procedente de toda la bóveda celeste excepto la que llega del sol. Es originada por los efectos de dispersión mencionados anteriormente.


3. Radiación del albedo: Es la que procedente del suelo, debida a la reflexión de parte de la radiación incidente sobre él.

Hora solar pico

La energía solar que se recibe en una superficie determinada en un instante dado se le conoce como irradiancia y se mide en unidades de w/m2. A la integración de la irradiancia en un periodo de tiempo determinado se le conoce como insolación y sus unidades son Kwh/m2, KJ/m2, BTU/ft2. La insolación también puede expresarse en términos de horas solares pico. La hora solar pico equivale a la energía recibida durante una hora, a una irradiación promedio de 1 000 w/m2.

Movimientos relativos Sol-Tierra

Las instalaciones de energía solar necesitan del sol para funcionar, por lo tanto, es importante conocer la forma en que este interactúa con la tierra para que podamos describir su comportamiento y trayectoria en la bóveda celeste y logremos con esto conocer en forma precisa el desempeño de la instalación que estamos proponiendo a lo largo de un año, conforme cambian las estaciones y junto con ellas las condiciones climatológicas del lugar, también el recorrido del sol por la bóveda celeste, así como, la energía que recibimos de él.

• Movimiento de traslación: Este movimiento es el que realiza la tierra girando alrededor del Sol. Lo hace describiendo una órbita elíptica, que recibe el nombre de Eclíptica. La duración del recorrido es de 365 días 5 horas y 48 minutos, a una velocidad de 108,000 Km. /h aproximadamente.


• Movimiento de rotación: Este movimiento es el que realiza la tierra alrededor de su eje, es decir, sobre la recta que une los polos norte y sur, este eje mantiene una dirección aproximadamente constante y forma un ángulo de 23.45 grados con el plano de la eclíptica denominado oblicuidad de la eclíptica. Debido a esta oblicuidad el ángulo formado por el plano ecuatorial de la tierra con la recta que une los centros de la tierra y el sol, la tierra está cambiando permanentemente entre más 23.45 grados y menos 23.45 grados. Este ángulo se conoce como declinación solar y de el depende la duración del día en las diferentes épocas de año, dando lugar al fenómeno de las estaciones. Para comprender bien este fenómeno, observamos la siguiente figura, en la que se muestran la posición de la tierra en los solsticios de invierno y verano. Como podemos apreciar, el hemisferio norte tiene mucho más tiempo de sol en junio que en diciembre, ya que el sol ilumina un área más amplia en dicho hemisferio. Lo contrario pasa en el hemisferio sur.

Equinoccios y Solsticios

Los equinoccios son los momentos del año, en los que la duración del día, es igual al de la noche; el equinoccio de otoño ocurre el 21 de septiembre y el de primavera el 21 de marzo, ambos establecen el comienzo de dichas estaciones. El día más largo y más corto del año se denominan solsticios y suceden respectivamente el 21 de junio y 21 de diciembre. Igualmente establecen el comienzo de las estaciones de verano e invierno. Por lo tanto las estaciones del año son los periodos delimitados por los dos equinoccios, los dos solsticios y la posición de la tierra con relación al sol.

Coordenadas Solares

Las coordenadas solares que se utilizan para determinar la posición del sol referida al plano horizontal son dos y se definen de la siguiente manera:  Altura Solar (h): Es el ángulo que forman los rayos solares sobre la superficie horizontal. El complemento de la altura solar es el llamado ángulo cenital o distancia cenital.  Azimut Solar (A): Es el ángulo de giro del sol medio sobre el plano horizontal mediante la proyección del rayo sobre dicho plano y tomando como origen el sur.