RADIACION SOLARTemas: 4.5,4.6,4.7 y 4.8

POR:Viridiana Fernández Carreón

Geometría del colector y rayo solarDefiniciones:Para el colector:

• Pendiente β: Angulo entre la superficie plana en cuestión y la horizontal. • Ángulo de superficie Azimuth γ: Proyectada hacia el plano horizontal γ

es el ángulo entre la normal a la superficie y el meridiano.• Ángulo de incidencia θ: El ángulo entre el rayo solar y la superficie

normal.

Para el rayo solar:

• Ángulo Zenith: El ángulo entre el rayo solar y la vertical.• Altitud solar : complemento del ángulo zenith.• Ángulo Azimuth solar : Proyectada en el plano horizontal, es el

ángulo entre el rayo solar y la longitud del meridiano

Ángulo entre el rayo solar y la superficie:

• Ángulo horario ω: Ángulo de rotación de la tierra desde que es medio día .

con las definiciones anteriores podemos modelar el sistema de la siguiente manera:

donde:

Y:

Si la ec. se reduce :

Para un plano horizontal con β=0 la ecuación queda:

Tenemos que considerar:• Cuando Cos(θ) es negativo • No se aplica lo mismo en el sur que en el norte

• La superficie del colector siempre debería apuntar hacia la dirección del haz de luz solar con θ=0. Sin embargo, la dirección óptima de un colector de placa plana fija puede no ser obvia, por que la insolación recibida Hc es la suma de el haz de luz y sus componentes difusos:

Ejemplos de variación de irradiación Gh.• Para días despejados.

• Para días nublados

Variación horaria de irradiación

Donde:

radiación global horaria:

t´ es el tiempo después de la salida del sol y N la duración de la luz del día para un día despejado en particular.Al integrar sobre el periodo de un día claro obtenemos:

radiación global recibida por hora:

EFECTOS DE LA ATMÓSFERA DE LA TIERRA

La distancia recorrida a través de la atmósfera por los rayos depende del ángulo de incidencia a la atmósfera y la altura sobre el nivel del mar del observador.

• El aumento de la masa en comparación con la trayectoria normal se llama relación masa-aire (o AM), con el símbolo m.• La relación masa-aire cambia por la presión atmosférica, con el

tiempo y la distancia horizontal, o con los cambios de altura del observador.• Se toma en cuenta la curvatura de la tierra o de las variaciones con

respecto a la distancia horizontal.

A medida que la radiación de onda corta solar pasa a través de la atmósfera de la Tierra, un complicado conjunto de interacciones se produce. Las interacciones incluyen la absorción, la conversión de la energía radiante para calentar y la posterior re-emisión en forma de radiación de onda larga; dispersión, el cambio de dirección dependiente de la longitud de onda , de modo que por lo general no se produce absorción adicional y la radiación continúa a la misma frecuencia; y la reflexión, que es independiente de la longitud de onda.Los efectos y las interacciones que se producen se pueden resumir de la siguiente manera:

1. Reflexión. 2. Efecto invernadero, cambios climáticos y radiación de onda larga.3. Absorción en la atmósfera.

Reflexión En promedio, cerca del 30% () de la intensidad solar extraterrestre es reflejada hacia el espacio. La Mayoría de la reflexión se produce a partir de las nubes con una pequeña proporción de la superficie terrestre.Esta “reflectancia” es llamada albedo, y varía de acuerdo a las condiciones atmosféricas y el ángulo de incidencia.Las continuas ondas cortas de radiación solar en condiciones ideales a mediodía tiene una densidad de flujo

∼(1−)×13kWm−2 ≈ 1kWm−2

Efecto invernadero, cambios climáticos y radiación de onda largaSi el radio de la Tierra es R, el promedio albedo es , y la irradiación solar extraterrestre es G0, entonces la potencia recibida es

Esto es igual a la potencia radiada desde la Tierra con una emitancia de ε = 1 y la temperatura media Te, observando desde el espacio,

𝜋 𝑅2 (1−𝜌 0 )𝐺0=4𝜋 𝑅2𝜎𝑇 𝑒4

De ahí que Así, en el espacio, la radiación de onda larga desde la Tierra tiene aproximadamente la distribución espectral de un cuerpo negro a 250K.

De la figura anterior se puede ver una clara diferencia entre la distribución espectral de la radiación solar (onda corta) y la de las fuentes termales, tanto de la superficie de la Tierra como de la atmósfera (onda larga).

La temperatura media d la superficie de la Tierra es en promedio de 14°C, es 40 °C mayor que la temperatura efectiva fuera de la atmósfera. En conclusión la atmósfera actúa como una “manta infrarroja” debido a que algunos de sus gases absorben la radiación de onda larga.

Este en la temperatura de la superficie (relativo a lo que sería sin atmósfera) es llamado efecto invernadero.

Absorción monocromática contra longitud de onda de la atmósfera

• Algunos GHGs contribuyen más que otros al efecto invernadero. La física esencial es que la radiación infrarroja es absorbida cuando la radiación electromagnética resuena con vibraciones mecánicas de las moléculas naturales. Cuanto más complejas sean las moléculas, habrá más modos de vibración y mayor será la probabilidad de absorción a cualquier frecuencia de radiación particular.

• Dioxido de carbon , óxido nitroso y metano = GHG

Absorción en la atmosferaLas distribuciones espectrales onda corta solar y la onda larga atmosférica pueden ser dividido en regiones para explicar los procesos de absorción más importantes:• Región de onda corta ultravioleta.• Región cercana a la ultravioleta.• Región visible.• Región cercana al infrarrojo (onda corta).• Región lejana al infrarrojo.

• Región de onda corta ultravioleta, λ<0.3μm. La radiación solar es completamente removida al nivel del mar por absorción de gases O2, O3, O y N2 y iones.

• Región cercana a la ultravioleta, 0.3 μm < λ < 0.4 μm. Solo es trasmitida una pequeña radiación, pero suficiente para causar quemaduras solares.

• Región visible, 0.4 μm < λ < 0.7 μm. La atmósfera es casi completamente transparente a la radiación visible, y se convierte en una “ventana” abierta para la energía solar alcance la tierra, alrededor de la mitad de la irradiancia solar se encuentra en esta región espectral.

• Región cercana al infrarrojo (onda corta), 0.7 μm < λ < 2.5 μm. Cerca del 50% de la radiación solar extraterrestre se encuentra en esta región, un poco más del 20% es absorbida, la mayoría por vapor de agua y también por el dióxido de carbono en la atmósfera.

• Región lejana al infrarrojo, λ >2.5 μm. La atmósfera es casi completamente opaca en esta parte del espectro.

Medición de la Radiación SolarExisten variaciones en 2 tipos de instrumentos básicos: • El “pirheliómetro” el cual mide la irradiancia del haz Gb • El “piranometro” o “solarímetro” el cual mide la irradiancia total Gtc.

Solo el radiómetro de cavidad activa (ACR) da una lectura absoluta.

(efectivamente) para el diseño de un ACR

Medición de la Radiación SolarExisten variaciones en 2 tipos de instrumentos básicos: Comportamiento directo: El “pirheliómetro” el cual mide la irradiancia del haz Gb

OPTIMIZACIÓN DE LA ENERGIA

Medición de la Radiación SolarComportamiento indirecto: El “piranometro” o “solarímetro” el cual mide la irradiancia total.

OPTIMIZACIÓN DE LA ENERGIA

Estimación de la radiación solarAntes de instalar un sistema de energía es necesario predecir: la energía solar disponible y su variación.

Idealmente los datos necesarios para predecir la entrada solar, se pueden obtener tras varios años de mediciones de irradiancia sobre un plano colector. Estos rara vez están disponibles, por lo que las medidas requeridas se tienen estimados estadísticos. Todos estos datos tienen errores sistemáticos y la incertidumbre y la variabilidad climática natural.

• Variación estadística Además de las variaciones regulares, también existen variaciones irregulares, de estos quizás el más significativo para propósitos de ingeniería son las fluctuaciones diarias, porque estos afectan a la cantidad almacenada de energía requerida dentro de un sistema de energía solar. Por lo tanto los métodos se basan en promedios aproximados, tales como la media mensual de insolación diaria.

Un registro completo de irradiancias pasadas pueden ser usadas para predecir irraciancias futuras solo en un sentido estadístico.

• Horas de sol como una medida de insolaciónLa mayoría de las estaciones meteorológicas miden diariamente las horas de sol brillante, estos registros se encuentran disponibles desde hace varías décadas.Algunas otras correlaciones climatológicas con la insolación han propuesto, usando variables como la latitud, temperatura ambiente, humedad y nubosidad. La mayoría de tales correlaciones tienen una precisión limitada y rango de aplicabilidad.Correlación de la insolación con las horas de Sol: H0 es la irradiancia horizontal (sin atmósfera), n horas de brillo solar, N es la duración del día en horas, y son los coeficientes de regresión, obtenidos a partir de los promedios mensuales de radiación diaria.

• Estimaciones satelitalesGeo-estaciones satelitales meteorológicas operan desde 1990, y estos producen mapas de estimaciones globales de insolación a través de un continente sin usar la luz del sol como intermediario. En esencia, hay instrumentos en los satélites que miden por separado la radiación que viene del sol y la reflejada por la Tierra.

• Proporción de radiación del haz de luzLa proporción de la radiación entrante que es enfocable, depende de la nubosidad y la pulverulencia de la atmosfera. Estos factores pueden ser medidos por el índice de claridad KT, el cual es la relación de la radiación recibida sobre una superficie horizontal en un periodo a la radiación que habría sido recibida en una superficie paralela en el mismo periodo.

En un día claro con , entonces

Efecto de inclinaciónEs sencillo convertir irradiancia de un haz medido en un plano A y pasarlo a un plano B. Esto es particularmente importante para la transformación de datos comúnmente disponibles para el plano horizontal.

Los cálculos de la irradiancia difusa en otro plano pueden no ser precisos. En consecuencia la insolación total H medida en una superficie distinta sigue siendo algo incierto.

Variación estimada en la insolación media sobre una superficie en varias pendientes , β, como una función de tiempo en años.