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ENERGIAS RENOVABLES

INDICE 1. LA RADIACION SOLAR. 1.1. ¿Qué es la radiación solar? 1.2. Magnitudes Radiométricas. 1.3. Posición de los captadores solares.

AUTORES: Eva Mª Vaquer Puigcerver. José Elías Bosque Burgos.

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1.LA RADIACIÓN SOLAR. 1.1. ¿Qué es la radiación solar? El sol está compuesto en un 90% de hidrógeno (H), un 7% de helio (He) y un 3% del resto de elementos químicos. La energía se genera en el sol en un proceso nuclear de fusión, por el que el hidrógeno solar se transforma en helio. El 0,73% de la materia se transforma en energía. Esta energía se manifiesta en forma de radiación gamma (γ). 1

4

He

4H 1

+

2e + γ

2

La radiación gamma viaja hasta la superficie solar interaccionando con la materia solar y transformándose en radiación ultravioleta (UV), visible (V) e infrarroja (IR). El sol emite al espacio energía en forma de radiación electromagnética, que se denomina radiación solar. La radiación electromagnética es una forma de energía que no requiere medio material para desplazarse. La radiación solar (flujo solar o densidad de potencia de la radiación solar) incidente fuera de la atmósfera, situación que se denomina masa de aire cero (AM0), sobre una superficie perpendicular a los rayos solares es conocida como constante solar, y es variable durante el año un ± 3% a causa de la elipticidad de la órbita terrestre. El valor de la constante solar que se toma como referencia, teniendo en cuenta el valor medio de la distancia entre la Tierra y el Sol, a lo largo de su trayectoria es de 1367 W/m2 . También se puede indicar esta constante en otras unidades: 1,367 kW/m2 = 1367 W/m2 = 1367 J•s/m2 = 1367•0,24 cal•s/m2 Sin embargo, no toda la radiación solar alcanza la superficie terrestre. Aproximadamente un 20% se refleja en la atmósfera y se dirige al espacio exterior. Otra parte de la energía es absorbida por las moléculas de agua y por el ozono y el oxígeno de las capas altas de la atmósfera. Así, con masa de aire uno (AM1), el valor máximo de la radiación medida sobre la superficie terrestre es, en cambio, de aproximadamente 1000 W/m2, de los que un 3% es radiación UV, un 57% radiación visible y un 40% radiación IR, en condiciones óptimas de sol a mediodía y en un día de verano despejado. También pueden darse otras situaciones, como por ejemplo la correspondiente a una masa de aire 1,5 (AM1,5), en la que la radiación medida sobre la superficie terrestre es de sólo 800 W/m2 .

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La radiación solar que llega a la superficie terrestre puede ser directa o dispersa. Mientras la radiación directa incide sobre cualquier superficie con un único y preciso ángulo de incidencia, la dispersa o difusa cae en esa superficie con varios ángulos. Es necesario recordar que cuando la radiación directa no puede incidir sobre una superficie a causa de la presencia de un obstáculo, el área en sombra no se encuentra completamente a oscuras gracias a la contribución de la radiación dispersa. Esta observación tiene importancia técnica para los dispositivos fotovoltaicos, que pueden funcionar incluso solamente con radiación dispersa. Una superficie inclinada puede recibir, además, la radiación reflejada por el terreno o por espejos de agua o por otras superficies horizontales, fenómeno conocido como albedo.

Componentes de la radiación solar que se proyectan sobre los paneles.

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Si llamamos ID la radiación directa, IS la dispersa y R al albedo, entonces resulta que la radiación solar total que incide sobre una superficie es: Radiación global = I D + IS + R

Las proporciones de radiación directa, dispersa y albedo recibida por una superficie dependen: De las condiciones meteorológicas (de hecho, en un día nublado la radiación es prácticamente dispersa en su totalidad; en un día despejado con clima seco predomina, en cambio, la componente directa, que puede llegar hasta el 90% de la radiación total); De la inclinación de la superficie respecto al plano horizontal (una superficie horizontal recibe la máxima radiación dispersa -si no hay alrededor objetos a una altura superior a la de la superficie- y la mínima reflejada); De la presencia de superficies reflectantes (debido a que las superficies claras son las más reflectantes, la radiación reflejada aumenta en invierno por efecto de la nieve y disminuye en verano por efecto de la absorción de la hierba o del terreno). En función del lugar, además, varía la relación entre la radiación dispersa y la total, ya que al aumentar la inclinación de la superficie de captación, disminuye la componente dispersa y aumenta la componente reflejada. Por ello, la inclinación que permite maximizar la energía recogida puede ser diferente dependiendo del lugar.

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1.2. Magnitudes radiométricas. La radiometría se refiere a la medición de los aspectos energéticos de la radiación (visible e invisible), a través de la cuantificación de los efectos de la radiación en materiales sensibles. Las magnitudes definidas a continuación se utilizan para poder dimensionar adecuadamente las instalaciones solares, conforme a los requerimientos de los usuarios. Energía radiante. Es toda aquella energía que se propaga por el espacio, ya sea considerando la forma de propagación como fotones o como ondas electromagnéticas. Su unidad de medida en el S.I. es el Julio (J). Exposición. Cantidad de energía radiante recibida por unidad de superficie, sobre un plano perpendicular a la dirección de la radiación electromagnética incidente. Se mide en J/m2. Flujo radiante. Es el flujo de energía incidente o energía por unidad de tiempo. Su unidad es el Vatio (W). Irradiancia. Densidad de potencia incidente en una superficie desde todas las direcciones. O también, la energía incidente en una superficie desde todas las direcciones por unidad de tiempo y unidad de superficie. Se mide en W/m2 o en kW/m2 . Irradiación. Energía incidente en una superficie por unidad de superficie y a lo largo de un cierto periodo de tiempo. Se mide en kWh/m2. Año Meteorológico Típico de un lugar (AMT). Conjunto de valores de la irradiación horaria correspondientes a un año hipotético que se construye eligiendo, para cada mes, un mes del año real cuyo valor medio mensual de la irradiación global diaria horizontal coincida con el correspondiente a todos años obtenidos de la base datos. Horas Pico de Sol (HPS). Número de horas en las que cada metro cuadrado de superficie captadora obtiene de modo constante 1000 W de energía. Este parámetro es fundamental en el dimensionado de las instalaciones. La media diaria en la que se cumple la condición anterior depende del lugar de ubicación de los paneles y puede oscilar entre 3 horas (en la zona norte de España) y 6 horas (en el sur de España).

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1.3. Posición de los captadores solares. La localización de cualquier punto sobre la superficie terrestre está determinada por un sistema de coordenadas en las que intervienen dos ángulos, que son denominados cenital y acimut. El ángulo cenital está formado por el radiovector del punto de la tierra con la vertical del lugar. Y el ángulo de acimut es el ángulo entre la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del captador y el meridiano de un lugar (eje norte-sur). Si consideramos un captador solar sobre un mecanismo de anclaje con dos grados de libertad para sus ejes vertical y horizontal, el ángulo cenital corresponde a la coordenada vertical, y el acimutal a la coordenada horizontal. En el Pliego de Condiciones Técnicas de Instalaciones de Energía Solar Térmica de Baja Temperatura (IDAE), la posición de los captadores solares se define mediante los ángulos:  Orientación del panel respecto al sur geográfico α, (que coincide con el acimut)  Inclinación del panel respecto de la horizontal β, (que coincide con el ángulo cenital)

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a) Orientación óptima del captador (ángulo acimut, α). Puesto que el Sol realiza un recorrido aparente de este a oeste pasando por el sur, se considera la dirección Sur como orientación óptima para un captador solar ubicado en el hemisferio norte terrestre. La orientación al Sur maximiza la radiación solar captada recibida durante el día.

Orientación o acimut (Sur cero, Este positivo)

b) Inclinación óptima del captador (β). Para que la energía captada por un panel solar sea máxima, la superficie debería estar en todo momento perpendicular a los rayos del Sol. Sin embargo, debido al desplazamiento diario y estacional del Sol, se produce un error de inclinación que deberá tenerse en cuenta en el dimensionado de la instalación de paneles fijos. Para determinar la inclinación óptima de un captador solar hay que tener en cuenta las variaciones diarias y estacionales de la radiación (especialmente en invierno y en verano), que producen una disminución de la energía recibida por el captador. Para ello es necesario estudiar el desplazamiento del sol respecto a los objetos estacionarios dispuestos sobre la superficie terrestre. Con respecto a lo expuesto anteriormente, hay que tener en cuenta que la Tierra gira alrededor de su eje polar, y que éste lo hace alrededor de la normal de la eclíptica, con la que se forma un ángulo de 23,45º. Esta situación provoca un cambio en el ángulo que forma el plano del ecuador con la recta que pasa por los centros del Sol y de la Tierra, lo que es denominado ángulo de declinación solar, considerado positivo en el hemisferio norte.

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El ángulo de declinación puede obtenerse matemáticamente mediante la fórmula aproximada de Cooper: δ= 23,45 sen[ (284 + n)/365 ] siendo n el día del año, del 1 al 365. Tal declinación es nula en los equinoccios de primavera y otoño, ya que el Sol está sobre el ecuador y la duración del día y de la noche son iguales. Sin embargo esto no ocurre en los solsticios, de tal forma que en el de verano la declinación tiene el valor y el signo indicados anteriormente (+23,45º) y en el de invierno el signo contrario (-23,45º). De este modo, en verano el día es más largo que la noche y en el invierno al contrario.

Una forma de representar la declinación solar consiste en dibujar la esfera celeste con la Tierra en el centro y el Sol rotando alrededor de la Tierra, según podemos ver en la siguiente figura. Los polos celestes corresponden a los puntos en los cuales el eje polar de la Tierra corta a la esfera celeste. De modo similar, el ecuador celeste es una proyección del plano ecuatorial terrestre sobre la esfera celeste. La intersección del plano ecuatorial terrestre con el plano elíptico de revolución del Sol, produce un ángulo de aproximadamente 23,5º. Para cualquier instante, la posición del Sol relativa al plano del ecuador celeste representa el ángulo de declinación, tal y como podemos ver en la siguiente figura.

Esfera celeste mostrando el movimiento aparente del Sol y el ángulo de declinación solar

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Al estudiar la posición solar, se define el ángulo cenital θz como el ángulo que forman los rayos solares con la vertical al plano tangente a la superficie terrestre (cenit). Dicho ángulo varía a lo largo del año, y según la latitud del lugar en el que nos encontremos.

Ángulos cenital y acimut de la posición solar respecto de un observador sobre la superficie terrestre.

La latitud de una posición geográfica, L, se define como el ángulo que forma el radio de la tierra que pasa por ese lugar, con el plano del ecuador, y se considera positiva en el hemisferio norte. Así, en el mediodía solar, el ángulo cenital viene definido por: θz = L - δ La inclinación de la superficie del captador deberá ser aquella que permita que las variaciones de energía solar captadas debidas a la oscilación de la dirección de los rayos solares respecto a la perpendicular a la superficie de recogida sean mínimas durante el año. A continuación vemos unos ejemplos de cálculo de la inclinación óptima del panel solar, en una posición geográfica de latitud 40 º (Castellón), para el solsticio de invierno, y para los equinoccios de otoño y de primavera.

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Solsticio de invierno

panel suelo

β 90º

L δ

Rayos solares

ecuador

vertical

eje

Latitud (L) = 40º Declinación solar (δ ) = -23º 45’

Inclinación del Panel solar β= L – δ= 40º – ( -23º 45’) = 63º

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Equinoccio Otoño y Primavera Latitud (L) = 40º Declinación solar (δ) = 0º

Suelo β

Panel

L Ecuador Rayos solares

eje

Inclinación del Panel solar β= L – δ= 40º - 0 = 40º

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Por tanto, la mejor inclinación del captador respecto de la superficie terrestre, βopt, depende del período de utilización, de forma que la normativa establece que deberá elegirse uno de los valores siguientes, en función de las tres condiciones siguientes: – Consumo constante anual: la latitud geográfica – Consumo preferente en invierno: la latitud geográfica + 10° – Consumo preferente en verano: la latitud geográfica - 10°

Angulo de inclinación del captador respecto de la horizontal Sin embargo, no siempre es posible orientar los paneles solares al punto geográfico indicado. Esto puede ser debido a razones arquitectónicas, por ejemplo, porque los paneles deban estar dispuestos sobre las tejas. En este caso se producen pérdidas cuyo valor depende del grado de alejamiento del punto óptimo. Dichas pérdidas pueden evaluarse de dos formas:  Midiendo experimentalmente la irradiación presente en el lugar proyectado para la instalación de los paneles.  Mediante la utilización de programas informáticos específicos para tal finalidad. Por otra parte, si la instalación está compuesta por varias filas de colectores, deberá tenerse muy en cuenta su separación para evitar la aparición de sombras entre ellos en alguna franja horaria del recorrido del sol.

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