sábado, 6 de diciembre de 2014

Energía Solar Fotovoltaica: Características del Recurso Solar

La energía proveniente del sol es el resultado de un proceso de fusión termonuclear, y su combustible principal es el hidrógeno. Esta reacción termonuclear libera fotones de radiación electromagnética que van desde los rayos gamma a las ondas radioeléctricas (que son los de mayor y menor energía respectivamente). La luz visible, situada entre rayos ultravioleta y los infrarrojos, está entre los 810(nm) y los 400(nm) de longitud de onda. 

En el limite de la atmósfera la intensidad de radiación sobre una superficie normal a los rayos incidentes es en promedio de 1353(kW) por metro cuadrado, valor que se denomina Constante Solar. No obstante, al atravesar la atmósfera esa radiación se va debilitando paulatinamente, por dos razones: Las moléculas gaseosas y de polvo reflejan los rayos dispersándolos en todas direcciones y además el vapor de agua y el anhídrido carbónico del aire atmosférico absorben los rayos de determinadas longitud de onda. Se estima que con el cielo despejado y aproximadamente a 40º de latitud, la radiación solar en una superficie normal cerca del suelo disminuye a 1(kW) por metro cuadrado cuando el sol está en la posición más elevada incidiendo sobre una superficie perpendicular1

La radiación varía constantemente con la altura del sol, tanto a lo largo del día como del año, debido a que cuando más bajo esta el sol, mayor es la distancia que deben recorrer los rayos a través de la atmósfera. Ahora, la posición del sol en el cielo en las distintas horas depende de la posición del observador y de las estaciones del año. La posición del observador queda determinada por las coordenadas geográficas: Longitud, medida en grados sobre el meridiano de Greenwich, y Latitud, medida en grados desde el ecuador hasta los polos. En tanto, las estaciones del año son producto de la órbita que describe la tierra, en un plano denominado eclíptica que contiene el centro de la tierra y el centro del sol, y en ese plano el eje de rotación de la tierra es de 23º 27`. 


Como consecuencia de esta inclinación los rayos del sol inciden en tierra más oblicuamente en invierno que en verano, recorriendo una distancia mayor dentro de la atmósfera para llegar a un determinado punto, tal como se puede apreciar en la figura siguiente.


Además, la "altitud aparente" del sol cambia a lo largo del año y así también la duración del día. En verano los días son apreciablemente más largos que en el invierno. El ángulo de incidencia medido con respecto al horizonte, alcanza su máximo el día 21 de diciembre en verano y su mínimo el 21 de junio en invierno, en el hemisferio surLuego, para cada día del año varía el ángulo de incidencia, la dirección y duración de los rayos del sol. Debido a estas variaciones la energía recibida sobre la superficie cambia anualmente.


Para dibujar el movimiento celeste del sol con respecto a un punto en la tierra se suele utilizar un diagrama cartesiano denominado Trayectoria Solar. En este plano se dibuja la posición del sol a lo largo de todo un día en diferentes épocas del año, utilizando como coordenadas su ángulo con respecto al meridiano del lugar (llamado azimut) y su altura en grados desde el horizonte hasta el zenit, y consignando estas coordenadas en los ejes de abscisas y ordenadas respectivamente.



Algunas Definiciones

a) Irradiancia. Densidad de potencia incidente en una superficie o la energía incidente en una superficie por unidad de tiempo y unidad de superficie. Corresponde a la intensidad de la radiación solar y se mide en kW/m2.

b) Irradiación. Energía incidente en una superficie por unidad de superficie y a lo largo de un cierto período de tiempo. Se conoce también como insolación y se mide en kWh/m2. La insolación diaria promedio comúnmente se expresa en horas solares pico (HSP). Una hora solar pico es la energía recibida durante una hora, a una irradiancia promedio de 1 kW/m2. Es decir, 1kW-h/m2 es igual a 1 HSP. También se usa el Langley y el kilojulio por metro cuadrado.


cal/cm2
kW h/m2
kJ / m2
HSP
Langley
1
0.01163
41.86
0.01163
kW h/m2
85.98
1
3600
1
kcal/m2
0.1
0.001163
4.186
0.001163

c) Distribución de Irradiancia espectral solarEs la irradiancia por nm o mm de un ancho de banda de una longitud de onda particular. 
d) Irradiación global diaria, GdCantidad de energía, que llega a una superficie durante un día. Se mide kWh/m2-día, HSP-día, etc. 
e) Promedio Mensual de Irradiación global diaria, Gdm(a,b)


El parámetro "a" representa el azimut y "b" la inclinación del panel o generador solar, tal como se definen más abajo. 
f) Radiación DirectaSon los haces de los rayos que se reciben en línea recta con el sol. 
g) Radiación DifusaProviene de todo el cielo incluyendo el disco solar y debida a los rayos no directos y dispersados por la atmósfera en dirección al receptor. 
h) Radiación reflejadaProviene del suelo y se debe a la reflexión de la radiación incidente en él. 
i) Radiación Total = R directa + R difusa + R reflejada 
j) Albedo. Es el porcentaje de radiación que cualquier superficie refleja respecto a la radiación que incide sobre la misma. Las superficies claras tienen valores de albedo superiores a las oscuras, y las brillantes más que las matesEs una medida de la tendencia de una superficie a reflejar radiación incidente.

Radiación solar sobre una superficie plana 

La radiación sobre una superficie plana es función de los siguientes parámetros:

-Inclinación y orientación de la superficie
-Latitud del lugar
-Día del año
-Hora del día
-Estado climático


Para variar la incidencia solar de los parámetros indicados sobre un módulo o colector, sólo se puede actuar sobre la orientación e inclinación. La inclinación y la orientación se miden en función de los siguientes parámetros: Ángulo de inclinación “b”, definido como el ángulo que forma la superficie de los módulos con el plano horizontal. Su valor es 0° para módulos horizontales y 90° para verticales. Ángulo de azimut “a”, definido como el ángulo entre la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del módulo y el meridiano del lugar. 


En cuanto a la orientación o azimut, para localidades del hemisferio sur, la radiación es máxima si se orienta hacia el norte astronómico. Al usar el norte magnético que indica una brújula, puede haber una pequeña diferencia debido a la declinación magnética del lugar, pero como regla general, no hay que preocuparse a menos que esta sobre pase a 15 grados2.


Referencias sin vínculo.
(1) N. Quadri, “Energía Solar”, 3ª Edición, Editorial Alsina, 2003