CAPÍTULO 1
RADIACIÓN SOLAR TERRESTRE
La radiación solar, o energía solar, que llega desde el extremo de la atmósfera hasta la superficie de la Tierra, debe interactuar con una gran cantidad de materia. Es bien sabido que la atmósfera está compuesta principalmente por los gases nitrógeno y oxígeno, y secundariamente por ozono, vapor de agua, dióxido de carbono y pequeñas partículas de materia sólida de diferente índole, a los que podemos calificar de “aerosoles”. Todos estos componentes son capaces de modificar significativamente la radiación que alcanza la superficie terrestre.
La atmósfera se caracteriza por alterar la radiación mediante la absorción —principalmente debido al ozono y al vapor de agua— y la dispersión —por efecto de las nubes, constituidas por agua en estado líquido y sólido—. Las nubes son el principal componente de la atmósfera que interactúa con la radiación solar y cubren, como promedio, un 70% de la superficie del planeta. Debido a su composición y tamaño, son capaces de reflejar y absorber la radiación solar incidente. Su efecto neto es enfriar la superficie de la Tierra. La proporción de radiación que es reflejada o absorbida por una nube depende, principalmente, del contenido de agua líquida o hielo que ella tenga en su interior y del tamaño de las gotas o cristales que la componen.
La inclinación del eje terrestre, respecto del plano de la órbita del planeta, da lugar a las estaciones del año debido a que la radiación solar experimenta una dispersión que depende de la inclinación con la que incide en una superficie. A altas latitudes, la radiación impacta a la superficie de manera oblicua, y en bajas latitudes lo hace de modo más frontal. Es esto lo que determina la relación de que, cuanto mayor sea el ángulo de incidencia, mayor será el área iluminada por un haz de luz y, en consecuencia, la energía estará distribuida sobre un área mayor. A latitudes medias, se pueden distinguir cuatros períodos, que son las denominadas estaciones del año que afectan especialmente a los vegetales, como se describe en la Figura 1.1.
Figura 1.1. Estaciones del año como consecuencia de la inclinación del eje terrestre, hecho que a su vez determina la intensidad de la radiación solar
El eje terrestre se halla siempre orientado en la misma dirección y, por tanto, los hemisferios norte y sur son iluminados desigualmente por el sol según la época del año, recibiendo distinta cantidad de energía solar de acuerdo a la duración del día y con distinta intensidad, según la inclinación del sol sobre el horizonte, pues, según sea esta, la radiación deberá atravesar más o menos atmósfera.
La cantidad de radiación que en promedio llega a un determinado lugar durante un día está determinada por: a) ubicación del planeta respecto de la órbita del sol, es decir, el día del año; b) latitud: la máxima y la mínima radiación ocurren en los polos durante el verano y el invierno, respectivamente. Como consecuencia, la variación estacional de la radiación es máxima en las latitudes polares. Al contrario, durante las estaciones en las zonas ecuatoriales tal variación es pequeña en amplitud; es decir, esa radiación varía poco a lo largo del año.
1.1. Tipos de radiación solar
Para evaluar la cantidad de radiación solar, se emplean las siguientes magnitudes:
• Irradiancia. Cantidad de radiación solar recibida en una superficie por unidad de área. Se expresa en W/m2. Es, por tanto, potencia de la radiación solar por unidad de área.
• Irradiación o radiación global (G). Cantidad de radiación solar recibida por una superficie por unidad de área durante un determinado período de tiempo. Se expresa en unidades de energía por unidad de área,
Wh/m2. Así pues, la irradiancia es la potencia instantánea de la radiación, mientras que la irradiación es la energía recibida en un determinado período de tiempo. Ambas variables se miden por unidad de área de la superficie receptora. La radiación solar en el suelo, a veces, se denomina insolación.
• Radiación directa (Gdir). Como dice el término, es aquella que proviene directamente del sol sin haber experimentado modificación alguna. Tiene una única dirección de incidencia.
• Radiación difusa (Gdif). Radiación que llega a la superficie de la Tierra después de haber experimentado diferentes cambios de dirección ocasionados por reflexiones y refracciones que se producen al atravesar la atmósfera. Es la radiación dispersada por agentes atmosféricos, como nubes y polvo. Dichas reflexiones no solo son producidas en la atmósfera, sino también en el suelo y otros elementos que rodean la superficie terrestre. A diferencia de la radiación directa, no presenta dirección de incidencia y no se puede redirigir. La Figura 1.2 ilustra estas radiaciones.
• Radiación reflejada. Se debe a la reflexión de una parte de la radiación incidente sobre la superficie u otros objetos. Su contribución a la radiación global es muy pequeña, por lo que no se toma en cuenta.
• Radiación global (G). La Organización Meteorológica Mundial define radiación global como “la radiación solar en el intervalo espectral de 0,3 a 3 μm recibida sobre una superficie plana horizontal”. Es el total de la radiación solar que llega a la superficie terrestre y está formada, básicamente, por la radiación directa y difusa.
G = Gdir + Gdif
• Radiación global diaria. Cantidad de radiación global entre las seis de la mañana y las seis de la tarde, y sus valores oscilan entre 500 y 10.000
Wh/m2 al día.
Figura 1.2. Esquema de la radiación solar directa y difusa
1.2. Medición de la radiación solar
La radiación solar puede ser estimada, para un determinado plano, de manera horizontal, inclinada o normal a los rayos solares:
• Radiación solar en plano horizontal. Esta magnitud representa la radiación solar incidente sobre una superficie horizontal. Generalmente, se utiliza para determinar la insolación sobre plantas vegetales, calentamiento de estanques, otros.
• Radiación solar en plano inclinado. Esta magnitud representa la radiación solar incidente sobre una superficie inclinada y se utiliza para sistemas fotovoltaicos, para diseñar calentadores solares de agua, otros.
• Radiación solar en plano perpendicular. Esta magnitud representa a la radiación solar incidente sobre una superficie perpendicular a los rayos solares y se utiliza para dimensionar colectores solares de enfoque, cocinas solares, otros.
Como es lógico, el aprovechamiento de la energía solar está condicionado por la intensidad de radiación solar incidente sobre un área determinada, por lo que es necesario contar con registros de radiación confiables para el diseño de equipos que aprovechen la energía solar. Actualmente se disponen de mapas de radiación solar en donde, normalmente, se presentan los valores promedio de radiación solar diaria, mensual o anual. El uso de estos mapas de radiación es importante para determinar las zonas geográficas que tienen un alto potencial de radiación que puede ser aprovechada, y así considerar los equipos útiles para este efecto.
La medición de la radiación solar se efectúa mediante la denominada radiación global horizontal (GH), que es la suma de la radiación directa medida en forma horizontal más la radiación difusa, también medida en forma horizontal, pues es la radiación que proviene del hemisferio irradiado.
Para la medición instrumental de la radiación global se recurre a los piranómetros, los cuales presentan una gran variedad de aparatos, cada uno con sus propias características, que miden la radiación directa y la difusa. Los piranómetros son sensores que miden la radiación proveniente del sol entre 0,3 y 3 micrómetros (10-6 m). La mayoría de estos instrumentos se basan en la medida de la diferencia de temperaturas entre dos superficies, una blanca y otra negra, encerradas en una cámara semiesférica de vidrio. Los más comunes son los térmicos, que miden la radiación global horaria sobre una superficie inclinada; se componen de una termopila acoplada a una superficie con sectores blancos y negros. Los negros absorben totalmente la radiación electromagnética del sol y se calientan, generando una diferencia de temperatura con los sectores blancos. Esta diferencia de temperatura se detecta electrónicamente, generándose una diferencia de voltaje que es proporcional a la radiación absorbida. Un piranómetro, acondicionado con una banda o disco parasol que suprime la radiación directa, mide así la radiación difusa. Las bases de datos resultantes, de irradiación horaria o diaria, son las utilizadas habitualmente en el análisis estadístico de la radiación solar y en la simulación de sistemas de energía solar.
Los instrumentos utilizados para medir la radiación directa, difusa o global tienen un tiempo de operación muy corto, suministrando valores de irradiancia a intervalos muy pequeños de tiempo: unos pocos segundos. De esta manera, se genera un volumen de información que es a menudo poco manejable, por lo que el mismo sistema de captación de datos los administra mediante un pequeño computador que realiza una primera integración de los antecedentes recogidos en períodos regulares, normalmente de 5 min. Sin embargo, es normal la agregación de estos datos en períodos horarios o diarios. Por ejemplo, conocer la media mensual de la radiación solar diaria en un determinado lugar permite saber cómo se comportará la radiación diaria durante ese mes.
Las bases de datos resultantes, de irradiación horaria o diaria, son las utilizadas habitualmente en el análisis estadístico de la radiación solar y en la simulación de sistemas de energía solar fotovoltaica utilizados para captar esta energía. Los promedios mensuales, convenientemente tabulados, están publicados para un gran número de localidades en todo el mundo y han sido recogidos por estaciones meteorológicas, formando una gran base de datos. La utilización de promedios mensuales en el diseño y dimensionado de instalaciones de energía solar fotovoltaica refleja una situación de compromiso entre precisión y esfuerzo de cálculo. Sin embargo, estos métodos simplificados de diseño deben ser complementados con información sobre la distribución estadística de la radiación a lo largo del tiempo.
Desgraciadamente las medidas directas de radiación que entregan las estaciones meteorológicas no están disponibles en muchos sitios donde estos antecedentes se requieren, por lo que hay que recurrir a métodos empíricos que relacionan la radiación con variables tales como horas de brillo, cobertura de las nubes, temperatura ambiente, precipitación o humedad para estimar la radiación, resultando modelos a cuyas ecuaciones hay que introducir coeficientes para que sean consistentes. Aparte de dichas estaciones, existen los satélites meteorológicos que, mediante radiómetros, miden la radiación electromagnética a diferentes frecuencias, mensurando tanto la radiación solar en superficie como la reflejada desde la tierra.
• Base de datos. El sitio web de la NASA, Surface Meteorology and Solar Energy, entrega datos de meteorología y parámetros de energía solar, así como la radiación global horizontal para diversos lugares del mundo, dadas sus coordenadas geográficas, latitud y longitud, por lo que es un sitio muy útil para los primeros cálculos de una instalación generadora de energía fotovoltaica: https://eosweb.larc.nasa.gov/cgi-bin/sse/sse.cgi Las coordenadas del lugar se pueden obtener en: http://www.world-gazetteer.com
La dimensión de una instalación para captar energía solar no solo depende de la que esté disponible en el emplazamiento, sino también de la inclinación y orientación que deben tener los módulos solares para una máxima captación de energía. La energía captada por un módulo o panel dependerá de su orientación respecto del sol. El azimut α mide la rotación de la superficie en torno a un eje perpendicular a la tierra (plano horizontal); en la Figura 1.3 el ángulo α se forma por la proyección sobre el plano horizontal de la normal a la superficie del módulo con la dirección Norte-Sur. La inclinación es el ángulo β que forma el plano horizontal con el panel o módulo.
Figura 1.3. Ángulos de orientación e inclinación de un módulo o panel
Fuente: https://e-archivo.uc3m.es/bitstream/handle/10016/6063/PFC_Israel_Blanco_Sardinero.pdf?sequence=1
1.3. Bibliografía
1. S. Guevara, UNATSABAR - CEPIS/OPS, “Estimación de la radiación solar”. Centro Panamericano de Ingeniería Sanitaria y Ciencias del Ambiente Área de Desarrollo Sostenible y Salud Ambiental. Organización Panamericana de la Salud Oficina Sanitaria Panamericana - Oficina Regional de la Organización Mundial de la Salud, Lima, 2003.
2. D. Pérez, “Medida de la radiación solar”. http://bibing.us.es/proyectos/abreproy/4443/fichero/Memoria+PFC%252F3.pdf (Revisado 15-2-2018).
3. “Manual para instalaciones fotovoltaicas autónomas”. http://www.sfesolar.com/wpcontent/uploads/2011/09/Sunfields_Boletin_Fotovoltaica_Autonomas.pdf (Revisado 15-2-2018).
4. f. Zanolli, “Datos climatológicos de Chile para la elaboración del modelo Chile-SR”. https://repositorio.uc.cl/handle/11534/1486 (Revisado 15-2-2018).